新数据对几十年前的海水上升流科学理论提出挑战

研究人员用来快速升降仪器的特殊高速绞盘，以追踪染料在水下的运动。图片来源：San Nguyen

这些结果发表在斯克里普斯大学博士后贝瑟恩-温恩-卡塔纳奇（Bethan Wynne-Cattanach）领导的一项新研究中，并发表在《自然》（Nature）杂志上。这些发现开始揭开海洋学中一个令人困扰的谜团，并最终有助于提高人类预测气候变化的能力。这项研究得到了自然环境研究委员会和美国国家科学基金会的资助。

这个桶里装满了无毒荧光染料，研究人员将其释放到海底上方，以回答海洋学中一个长期存在的问题。图片来源：San Nguyen

我们所熟知的世界需要大尺度的海洋环流，也就是常说的传送带环流，在这种环流中，海水在两极附近变得寒冷而浓密，沉入深海，最终又回升到海面，并在那里变暖，再次开始循环。这些广泛的模式维持着热量、养分和碳的更替，支撑着全球气候、海洋生态系统以及海洋减缓人类造成的气候变化的能力。

尽管输送带非常重要，但其中一个被称为经向翻转环流（MOC）的部分却很难观测到。特别是冷水通过上升流从深海返回海面的现象，一直是理论上的推断，但从未直接测量过。

1966 年，蒙克根据南极洲附近寒冷深水的形成速度，计算出了全球平均上升流速度。他估计上升流的速度为每天一厘米。斯克里普斯大学物理海洋学教授、该研究的资深作者马修-阿尔福德说："这种上升流速度所输送的水量将是巨大的。但是，如果把整个全球海洋分摊开来，这种水流速度太慢，无法直接测量。"

蒙克提出，这种上升流是通过海面下破碎的内波引起的湍流混合作用而产生的。阿尔福德说，大约 25 年前，测量结果开始显示，海底附近的湍流更高，但这给海洋学家带来了一个悖论。

Bethan Wynne-Cattanach 和 Matthew Alford 在实验过程中观察研究船上的操作。图片来源：San Nguyen

如果湍流在水最冷的底部附近最强，那么在水更冷的底部，特定水团会经历更强的混合。这将使底层水变得更冷、更稠密，把水往下压，而不是往上提。这一理论预测已被测量结果证实，但它似乎与观测到的事实相矛盾，即深海并没有简单地被两极形成的低温、高密度的海水填满。

2016 年，包括美国麻省理工学院海洋学家、本研究共同作者拉斐尔-费拉里在内的研究人员提出了一种新理论，有可能解决这一悖论。这个想法认为，海底峡谷壁等地方的陡坡可能会产生适当的湍流，从而引起上升流。

温尼-卡塔纳奇、阿尔弗德及其合作者开始研究能否借助一桶名为荧光素的无毒荧光绿色染料在海上进行实验，从而直接观察到这一现象。从 2021 年开始，研究人员访问了位于爱尔兰西北约 370 公里（230 英里）的 Rockall 海槽中一个约 2000 米深的海底峡谷。

阿尔福德说："我们从已知的大约 9500 个海洋峡谷中选择了这个峡谷，因为就深海峡谷而言，这个地方非常不起眼。我们的想法是让它尽可能具有典型性，以使我们的结果更具普遍性。"

研究小组乘坐一艘研究船漂浮在海底峡谷上方，将一个装有荧光素的 55 加仑桶降至距海底 10 米（32.8 英尺）处，然后遥控触发染料释放。

然后，研究小组利用斯克里普斯内部根据实验需要改装的几种仪器对染料进行了两天半的跟踪，直到染料消散。研究人员通过在峡谷的斜坡上缓慢上下移动船只，能够以高分辨率跟踪染料的移动。关键的测量数据来自被称为荧光计的设备，它能够检测到微量荧光染料的存在--小于十亿分之一，但其他仪器也能测量水温和湍流的变化。

对染料运动的追踪发现了峡谷斜坡上由湍流驱动的上升流，首次通过直接观测证实了法拉利提出的悖论解决方案。研究小组不仅测量到了沿峡谷斜坡的上升流，而且上升流的速度比蒙克 1966 年的计算结果预测的要快得多。

蒙克推断全球平均每天上升一厘米，而在罗科尔海槽的测量发现，上升流每天以 100 米的速度进行。此外，研究小组还观察到一些染料从峡谷斜坡向峡谷内部迁移，这表明湍流上升流的物理原理比法拉利最初推测的更为复杂。

Wynne-Cattanach 说："我们观测到了以前从未直接测量过的上升流。上升流的速度也非常快，这与海洋其他地方的下沉流测量结果一起，表明存在着上升流热点。"作为一名研究生，能够领导一个代表着整个领域科学家数十年工作成果的项目，并与如此杰出的研究人员合作，这对她来说是一项巨大的荣誉。基于团队的初步研究成果，Wynne-Cattanach 成为首位受邀在 2022 年著名的戈登海洋混合研究会议上发言的学生。

下一步，研究人员将测试世界其他海底峡谷是否存在类似的上升流，鉴于该峡谷的特征并不显著，似乎可以合理地认为这种现象比较常见。

阿尔弗德说，如果这一结果在其他地方也能成立，那么全球气候模拟将需要开始明确考虑洋底地形特征处这种由湍流驱动的上升流。他说："这项工作是在我们的气候模型中加入缺失的海洋物理学的第一步，最终将提高这些模型预测气候变化的能力。"

提高对海洋湍流科学认识的途径有两个方面。首先，"我们需要在海洋的关键部位进行更多像这样的高科技、高分辨率实验，以更好地了解物理过程，其次，我们需要在尽可能多的不同地方使用像阿尔戈浮标这样的自主仪器来测量湍流。

研究人员已经开始在斯克里普斯校园附近的拉霍亚海底峡谷进行类似的染料释放实验。

编译自/ScitechDaily