地球/5e. 深海环流
密度 是指物质单位体积的质量，或者说是物质的紧密度或密集程度。比重是指物质相对于纯水的浮沉程度，纯水的比重为 1。比重小于 1 的液体将在纯水中浮起，而比重大于 1 的液体将在纯水中沉底。海水，由于它包含盐和溶解的颗粒，平均比重介于 1.020 到 1.029 之间。海水密度使用 比重计 测量，比重计是一种玻璃管，连接一个标准重量，并标明重量在液体中下沉的深度。如果你混合海水和淡水，两者很可能会混合，难以判断哪一个浮在上面。两种流体之间密度差越大，它们越有可能堆叠在一起，密度较小的流体浮在密度较大的流体上。然而，如果你试图将密度较大的流体堆叠在密度较小的流体上，两种流体只会混合。密度不同的流体柱被称为分层，strata 意思是层，所以分层海洋是指根据密度差异划分为不同层的海洋。
水的密度不仅与水中溶解的盐分含量有关，还与水的温度有关。水越冷，密度越大，尽管在 4° C 到 0° C 接近冰点时，水在结冰时密度会变小。
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海水密度和盐度之间的梯度被称为 盐跃层。在海洋的垂直剖面中，盐度随着深度增加，因为咸水密度更大，会下沉。海水密度和温度之间的梯度被称为 温跃层。在海洋的垂直剖面中，温度随着深度降低，因为较冷的水（高于 4°C）密度更大，会下沉。密度最大的海水又冷又咸，而密度最小的海水又热又淡。密度随深度变化的梯度被称为 密度跃层。Pycnos 在古希腊语中意思是密集。密度跃层是指显示海水密度随深度变化的图形。如果海洋分层为不同密度的层，图形将显示一个斜坡，在每层密度增加处有台阶。然而，如果海洋混合良好，密度跃层将是一条垂直的直线，密度随深度保持一致。
在前几节中，表面洋流以及上升流和下降流受 地转风 影响，以及导致海水浅层运动的表面过程。然而，埃克曼的研究 还表明，深层海水（深度超过 100 米）将保持流动性较小，不会受这些仅作用于海洋表面的力量的影响。深层海水的流动非常缓慢，缓慢到海洋学家们争论这种深层海水的实际流动速度是多少，因为它在地球上流动。
地球上的深层海水环流是一个缓慢而温和的过程，它涉及大部分海洋总量，是海水密度随深度变化的动态变化的结果。这种密度变化导致了表层海水和深层海水的混合。
地球上的海洋或任何大型水体是如何分层为不同的密度层？
想象一个大型湖泊，它是一个淡水水库，周围有流入的河流。夏季晚期，从周围河流流入湖泊的淡水流量减少，但在冬季晚期和春季早期，由于径流或雨季，流量增加。夏季，炎热的太阳加热了湖泊的表层，导致 蒸发，底部的水层变得更咸，但仍然保持温暖。随着时间的推移，这样的湖泊将分层为不同的密度层。在夏季，表层水会变得咸，但更温暖，使其能够漂浮在下方密度更大的水上，然而，随着秋季气温下降，咸水的密度会增加。春季，来自河流的密度较小的淡水涌入会漂浮在这层已经存在于湖泊中的咸而冷的水之上。这会在上面增加一层密度较小的淡水，并将水堆叠在上面。随着时间的推移，湖泊将变得高度分层，深层湖泊中将保留冷/咸的密集层，而温/淡的密度较小的水将保留在顶部，每次都有淡水输入。
什么过程会导致两层混合？如果在冬季，湖泊表面覆盖着 冰，表层水将变得又冷又咸。盐的来源是，当湖泊表面形成冰时，冰中不含盐，使冰层下方的水层略微变咸，并且非常冷。湖泊表面覆盖着冰将导致这层咸/冷的密集水沉积在温/淡的密度较小的水上，这最终会导致表面的水下沉，而深层的水上升。与无冰水体相比，覆盖着冰的水体包含更好的水混合物。因此，地球寒冷地区的陆地水体比温暖的热带地区的水体分层程度低。另一种可能发生在湖泊中的情况是，如果深层水以某种方式被加热。当火山或岩浆加热底层水时，就会发生这种情况。当这些密集的深层水被加热时，它们的密度变小并上升，这很可能发生在 喀麦隆非洲的尼奥斯湖事件 中，当时深层水冒泡，释放出大量的二氧化碳气体，导致许多人死亡。
对世界各地不同湖泊的密度跃层测量结果表明，冬季被冰覆盖的较冷湖泊比保持无冰的较暖湖泊混合程度更高。将深层水与表层水混合的相同过程可以应用于整个海洋，但更为复杂，因为 世界海洋 更加相互连接，并跨越整个地球表面。海洋学家 绘制了年温度和盐度的差异，以帮助理解这个复杂过程。
对整个海洋进行的年度表面温度测量表明，赤道附近的水域最温暖，而极地附近的水域最冷。然而，对整个海洋进行的表面盐度测量表明，最咸的表面水域位于大型海洋环流中，例如北大西洋和南大西洋环流，它们是公海中最咸的区域之一。这是因为这些海域更加停滞，并且位于降雨量较少的干旱地区。赤道附近的ITCZ贡献了大量来自降雨的淡水，并限制了赤道附近的蒸发。像地中海和红海这样被陆地包围的大型封闭海域是海洋中最咸的区域之一。海洋中一些盐度最低的区域位于河流向海洋大量输入淡水的地区，特别是在东南亚。极地附近的区域也从融水获得淡水输入。海冰在冬季在北冰洋和南冰洋的极地地区扩展，对于表面水和深层海水混合至关重要。如果这些水域已经因蒸发而变咸，混合作用可能会增强。在北大西洋，被困在北大西洋环流中的咸的表面海水随着墨西哥湾流向北推动，朝格陵兰岛移动。如果这些咸的温暖水域随后被冷却并覆盖着海冰，这些水域将下沉，导致北大西洋的表面水和深层海水混合。这驱动了所谓的热盐环流的深层海水。
深层海水的热盐环流
[edit | edit source]热盐环流是全球海洋的广泛深层海水环流，尽管这种运动的确切过程在海洋学家之间存在很大争议。北大西洋是下沉冷咸水的区域，这是由于大西洋中的咸水被推向北部，并受到海冰覆盖的影响，尤其是在北半球的冬季。这种下沉的冷咸海水在北大西洋搅动海洋，并有助于驱动墨西哥湾流，将更多的温暖咸水向北拉动，使其冷却并随后下沉。北大西洋是世界上海洋中分层程度最低的区域，导致海水混合良好，富含氧气。
格陵兰岛的冰芯记录了 12,000 年前的一段时间，当时热盐环流可能发生了巨大变化。这段时间被称为全新世事件，因为湖泊中的沉积物记录了耐寒的北极干草属植物的花粉回归，该植物更喜欢寒冷的气候。这种花在最后一次冰河时期的约 14,000 年前，一直生长在整个北欧和格陵兰岛，直到大约 14,000 年前，随着气候变暖，这种花从这些地区消失。然而，这种花的花粉在大约 12,000 年前的湖泊沉积物中重新出现，表明在几个世纪的时间里，寒冷气候再次出现，然后再次从这些地区消失。这种北大西洋寒冷气候的事件被认为是热盐环流因陆地淡水流入而改变的结果。这种观点认为大量淡水涌入北大西洋，特别是来自拉布拉多海和圣劳伦斯海峡，它们排干了覆盖五大湖和大部分加拿大的大冰盖。这种淡水流入导致北大西洋变得更加分层，导致墨西哥湾流减弱，到达北欧的温暖海水减少。这导致寒冷气候占主导地位，直到大冰盖融化结束，此时热盐环流恢复，导致北欧再次出现温暖气候。
热盐环流通常被描绘成一条涉及全球海洋的流动带，但海洋学家争论这种环流模式在全球范围内是如何运作的。最近的研究表明，环绕南极洲的深层海水是由于北大西洋的搅动而被拉起来的。这些南大洋水域在 12 月/1 月最温暖，随着气温变暖而上升，被北大西洋吸引，而北大西洋在这些月份最冷和最咸。在 7 月/8 月，北大西洋恢复到最温暖的水平，而南极洲周围的海水达到最冷的水平，并被海冰覆盖。冰间湖在南极洲周围的海冰中形成，它们是薄冰与开阔水域混合的区域，比给定温度下的预期要薄，因为这些区域经常包含更咸的水域。这导致冷/咸水在 7 月/8 月下沉到南极洲海岸附近更深处。就像跷跷板一样，环绕南极洲的深层海水在一年中随着季节而升降。这些南极底层水混合良好，富含氧气和氮。
海冰对于全球海洋的混合至关重要，生命已经适应了这些极地地区深层海水每年的升降。当更深的海水上升到这些极地地区时，它们会带来氮，这有利于在表层透光层中生长的浮游植物。在夏季，浮游植物大量繁殖，吸引了以浮游植物为食的磷虾和鱼类。这些鱼群和磷虾在富氧的冷水中繁衍生息，并为迁徙的须鲸提供食物，须鲸利用须板从水中过滤磷虾。地球上最大的动物，蓝鲸 (Balaenoptera musculus) 进化出利用深层海水环流模式，而这些模式是由海洋中很大一部分被海冰覆盖而形成的。
没有海冰的深层海水混合
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地球的海洋曾经存在过一段时间，而这段时间没有冰，特别是在大气中二氧化碳含量丰富的时期。没有海冰形成的深层海水混合是可能的，并且当来自温暖海域的咸水被限制并经历强烈的蒸发，进入更冷的公海时就会发生。这种情况发生的一个例子是在直布罗陀海峡附近，地中海的咸暖水进入较冷的大西洋。热量比盐扩散得更快，并且与盐相比，热量传递得更快，导致咸水冷却速度比盐扩散速度更快，因此在海面附近变得不稳定。这种咸/冷水密度更大，下沉，形成“盐指”，这是深层水和表面水混合，垂直搅动海水。这些区域富含氮、磷，并且海水也相当充氧。在地球漫长的历史中，这样的区域对生物丰富的海洋生物负责，尽管在一段时间内，海洋全年没有冰。这方面的一个例子是在犹他州东部的岩石中发现的。在宾夕法尼亚纪和二叠纪时期（大约 2.7 亿年前），一个陆地限制的海域存在于现在的摩押，这个海域非常咸，但向西北方向开放，通往更大的公海。来自这个海域的咸水流入导致海洋混合良好，尽管当时的气候要温暖得多。在这个时期的海洋岩石中发现了大量的化石，以及用于农业肥料的磷的厚厚沉积物。
如果地球的海洋全年保持无冰状态，并且没有来自陆地限制海域（如地中海）的含盐表层水流入，那么海洋会很快变得高度分层。高度分层海洋意味着深层海洋水和表层海洋水永不混合，氧气水平仅限于海洋表面。地球上曾经发生过这样的时期，特别是在中生代，当时恐龙漫游在一个温暖得多的地球上。这些海洋容易发生缺氧，即缺乏氧气，导致“死亡区”，鱼类和其他需要氧气呼吸的动物在这些区域死亡。墨西哥湾是容易发生缺氧的海水的一个例子。在夏季炎热的时候，墨西哥湾的表层海水蒸发，导致含盐的表层海水，在冬季开始时下沉，但仍保持无冰状态。春季，来自密西西比河的大量淡水流入，漂浮在密度更大的海水之上，导致海洋高度分层。墨西哥湾的深层海水通常缺氧，因为它们无法与表层海水（和氧气大气）混合，这些深层缺氧水被锁定在墨西哥湾盆地深处，年复一年地受到春季淡水流入和夏季末温暖气温蒸发的影响。
1961年，詹姆斯·P·肯尼特骑着摩托车穿越新西兰南岛崎岖的山地景观，执行着一项任务。他在寻找岩石。从孩提时代起，肯尼特就在新西兰惠灵顿长大，他从新西兰的海滩和山区收集岩石、贝壳和化石。18岁时，他去上大学，从书本中学到了关于地质学的一切，但由于他的当地学校没有开设这门课程，他渴望在大学里学习更多。一旦入学，他就在18岁时开始在地质实验室工作。与生物学或化学实验室不同，地质实验室是一个混乱肮脏的地方，岩石在锯子上被切割和切片；装满重物的岩石箱在箱子和抽屉里积满了灰尘；实验服和烧杯被岩石研磨机、锤子和凿子取代。
肯尼特对被称为有孔虫的微小海洋化石产生了兴趣，这些化石是从切片或研磨岩石中研究的。有孔虫是单细胞生物，它们生活在海底，以从透光区沉下来的有机碎屑为食。它们利用碳酸钙形成其保护性的外骨骼或外壳（测试）。作为常见的化石，这些微小的化石在海底积累了厚厚的沉积物，形成了海洋石灰岩。像建造吉萨金字塔的石灰岩实际上充满了这些单细胞动物的化石。每个岩石样本可以产生数千个这样的微小化石，并揭示关于过去海洋的重要线索，例如温度、盐度、酸度和长时间的水深。当肯尼特沿着新西兰蜿蜒的道路飞驰时，他正在寻找收集海洋沉积岩石，这些岩石跨越了导致南极洲形成巨大冰盖的主要气候转变时期。由于靠近南极洲，新西兰是研究这种气候变化及其对古代海洋岩石（现在从山区侵蚀出来）的影响的好地方。肯尼特还年轻，甚至还没有研究生，但他在实验室的经验使他完全不同地看待世界。他渴望进行自己的研究，并花时间从不同的时期寻找新的岩石，记录晚中新世期间南极海冰的扩张。他的热情引起了他的导师和指导老师的注意，并邀请他加入惠灵顿维多利亚大学南极探险队，时间为1962-1963年。探险队的任务是绘制南极洲横贯山脉（位于罗斯海以南）的地图并收集岩石样本。对于肯尼特来说，这次探险改变了他的生活，但他继续记录了数百万年来海洋的变化是如何导致南极洲出现一个恶劣的寒冷气候的，这是他亲身经历过的。1966年，肯尼特和他的妻子移居美国，成为一个新研究领域古海洋学的先驱，这是一个他为研究古代海洋创造的词。肯尼特对从海底钻取的沉积物岩芯中获得的新研究成果感到兴奋。这些岩芯包含了数百万年来微小有孔虫化石的详细记录，揭示了每个地点古代海洋的记录。
在1970年代，肯尼特开始与尼古拉斯·沙克尔顿爵士合作，他是南极探险家欧内斯特·沙克尔顿的侄孙。他们都致力于更好地了解南极绕极流的形成，以及它如何在过去4000万年里导致南极洲大陆冰冻。与肯尼特一样，沙克尔顿也研究了海底沉积物，测量了微小有孔虫的氧同位素，以推断过去的古代海底温度，使用的是哈罗德·尤里在1940年代开发的科学方法。从南极洲海岸外获取钻取的样本是一项艰巨的任务，但与骑着摩托车在新西兰各地收集的单个岩石样本不同，钻取的岩芯揭示了数百万年来海底沉积物的更完整的记录。在1980年代，这两位科学家都参与了由美国国家科学基金会资助的决心号钻探计划，该基金会也为美国政府资助的南极探险提供资金。该钻探计划成功地钻穿了数百万年来海底的沉积物，取回了岩芯，这些岩芯将揭示南极洲海岸外9000万年来的海底沉积历史。
该团队的驱动力既是为了了解南极洲最近冰川作用的记录，也是为了在海洋岩芯中找到代表大型恐龙灭绝时刻的深层地层。作为有孔虫方面的专家，肯尼特和他的同事洛厄尔·斯托特在一个恢复的沉积物岩芯中发现了一个点，在那里有孔虫发生了巨大变化。大型健康的孔虫突然在岩芯中消失，取而代之的是一种几乎没有孔虫的红色泥土。这一层也不对应于杀死恐龙的灭绝事件，而是发生在数百万年后的古新世末期。来自沉积物的氧同位素表明，在那个时候，海底变得非常温暖。肯尼特和斯托特在1991年发表了一篇简短的论文，描述了大约5600万年前在南极洲附近深层海水发生的这种灾难性变暖事件，但很快，其他科学家在世界各地的岩石和岩芯中观察到了相同的特征。在埃及卢克索，在地质学家用来建造金字塔的相同石灰岩中，观察到同一灭绝事件发生在距今5600万年前的岩石中，而在怀俄明州北部，地质学家描述了同一时期记录在比格霍恩盆地的全球变暖事件，影响了哺乳动物和植物。5600万年前，发生了某种事件，导致深层海水温度急剧升高。这一事件被称为PETM（古新世-始新世极热事件）。在肯尼特和斯托特发表论文后的30年里，海洋学家惊人地意识到，可能会出现深层海水和表层海水灾难性混合的时期。
理论是这样的：5600万年前，北冰洋与北大西洋仅有狭窄的连接。气候比现在温暖得多，温暖到北冰洋全年都保持无冰状态，尽管冬季由于北极的高纬度，白天很短，处于黑暗中。河流会在春季流入北冰洋，带来淡水。由于气候相对寒冷，考虑到其地理位置，蒸发量很小。淡水的年循环每年都会堆积在更冷的含盐水中，导致一个高度分层的水体。黑海是当今这种高度分层水体的例子，但这要大得多。每年，北极都会经历漫长的夏季白天，有充足的阳光用于光合作用的浮游植物，然后是极其短的冬季白天，几乎没有阳光。每年这些藻类和其他光合生物的繁殖都会在北冰洋分层深海海底积累。清除细菌会将这些有机物转化为甲烷，甲烷会被困在寒冷的海底。这是一个定时炸弹。
大约 5600 万年前，一组巨大的海底火山喷发在现今冰岛附近的海底以及向北至北冰洋爆发。温暖的深海海水导致这些海水上升，因为温水密度较低。甲烷在较温暖的温度下也会发生升华。升华是物质直接从固态转变为气态的过程。这种甲烷气体从北冰洋深海海底冒泡上来，向大气中释放了大量的甲烷，这是一种强烈的温室气体。大气中很快富含了二氧化碳，因为甲烷与大气中的氧气发生反应。全球气候突然变得越来越热，海洋也进一步变暖。这种失控的全球变暖事件开始使全球海洋酸化，杀死了肯尼特一生都在研究的大多数微小的碳酸盐壳动物。
这种海洋倒置，即深海海水上升到地表，似乎导致了广泛的缺氧（死亡区）、甲烷释放以及海洋酸化导致的海洋生物大规模灭绝。这种深水倒置事件可能是失控的全球变暖和储存在海底的大量固体甲烷不稳定造成的，通常是由大规模火山事件触发的。深海水的加热导致海水上升到地表，这会在短时间内深刻影响地球。当今世界海洋的热盐环流阻止了这种情况的发生（通过将地表海水向下移动到北大西洋），但许多海洋学家担心最近的人为全球变暖，这可能会导致又一次海洋倒置，深海海水上升到地表。类似于短篇恐怖故事克苏鲁的呼唤，作者是洛夫克拉夫特，深海是一个可怕的神秘地方，从某种意义上说，它如果愿意，可以毁灭世界。
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