海山如何撼动全球气候？深海湍流加速碳循环
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海洋作为一个巨大而复杂的生态系统，其深远的体积和多层次的物理、化学和生物过程使得科学家们在探索和理解海山湍流对海洋循环的影响时面临着重重挑战。虽然海底隐藏着成千上万的海山（seamounts），但其中大部分尚未被详尽测绘，这样一来，科学界在探讨海山如何具体影响全球气候系统时，就面临着信息不足、数据匮乏的困境。传统的气候模型未能全面考虑海山湍流对深海环流的重要性，这进一步增加了在预测全球气候变化及海洋对暖化反应时的不确定性和限制性。
“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，2024年6月26日，由剑桥大学科研人员阿里·马沙耶克领导的一支国际研究团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了一项重要研究，揭示了深海山脉对海洋环流的巨大影响。这些高达数千米的海底山脉搅动了深海洋流，显著影响了海洋储存热量和碳的方式。这个研究发现，海山在深海水体上升中扮演着关键角色，通过生成利波和地形尾流涡旋来搅动和混合深海水体，特别是在低纬度地区。通过实际区域模拟，研究显示海山周围存在分层尾流涡旋和增强的混合现象，这一发现挑战了以往对海洋循环影响的理解，并强调了在海洋循环模型中整合海山效应的必要性。
深海海山。图片来源：Dr C.M. Martin-Jones，剑桥大学官网
该研究通过数值模型，量化了这些被称为海山的山脉周围的湍流对海洋环流的影响，发现这是海洋混合作用中的一个重要机制，而这一过程，在目前用于政策制定的气候模型中却被忽略了。剑桥大学地球科学系的阿里·马沙耶克博士（Dr. Ali Mashayek）表示：“海山周围的强烈湍流使它们成为全球海洋混合的重要贡献者，但我们在气候模型中并没有代表这一过程。”
海洋如同一个巨大的传送带，热带的温暖水流缓慢向极地移动，在那里冷却并沉入海洋深处，带走储存的碳、热量和养分。这些冷重的水必须重新浮出水面，否则海洋将充满寒冷的水。然而，确定这种回流的动力来源一直是一个主要的科学挑战。这项新研究通过展示海山如何帮助海洋环流，解决了这一长期存在的谜题。
数以万计的海底山脉散布在海洋底部，但这一数字可能更大，因为只有四分之一的海底被绘制过。海山是深海洋流的障碍物，水流经过它们陡峭的斜坡时，会产生旋涡，将水流带向表面。马沙耶克博士解释道：“海山周围的深水是混乱和湍流的，这种湍流就像在咖啡中搅拌牛奶一样，帮助将深冷的水带到表面，完成了维持海洋流动的循环。”
尽管科学家们之前已经测量了海山周围的深海湍流，但他们并不确定这一过程在整个海洋环流中有多重要。根据马沙耶克博士和团队的研究，海山周围的搅动占全球海洋混合的约1/3。在海山较多的太平洋（Pacific Ocean），这一贡献更大，约为40%。
太平洋是最大的热量和碳储存库。一般认为，太平洋的深水需要几千年才能重新浮出水面。剑桥大学应用数学与理论物理系的劳拉·西莫利博士（Dr. Laura Cimoli）表示：“但如果海山增强了混合，特别是在像太平洋这样的巨大碳储存库中，那么储存的时间可能会缩短，如果碳被更快释放，这可能会加速气候变化。”
马沙耶克博士和他的同事并不是第一个提出海山对海洋环流至关重要的人。早在20世纪60年代，著名海洋学家沃尔特·蒙克（Walter Munk）就提出，海山可能是“海洋的搅拌棒”。从那时起，海洋学家们对海山周围的水域进行了探测，并直接测量了这种湍流流动。南安普顿大学（University of Southampton）的阿尔贝托·纳维拉·加拉巴托教授（Professor Alberto Naveira Garabato）指出：“之前缺少的是这种影响在全球尺度上的量化。我们现在能够进行这种测试的唯一原因是最近才有足够的海底被绘制出来。海山的数量可能更大，所以我们对它们在混合作用中重要性的估计仍然是保守的。”
研究团队现在计划将海山引发的湍流物理过程纳入气候模型，帮助改进对气候变化可能影响海洋碳和热量储存的预测。马沙耶克博士总结道：“关键是，要了解海洋如何适应气候变化，我们需要对深海环流有一个现实的表述。我们现在离这个目标更近了一步。”
通过这项研究，人们对海洋环流的理解又迈出了重要的一步，这不仅有助于科学研究，还将为政策制定提供更可靠的依据。感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：
Ali Mashayek, Jonathan Gula, Lois E. Baker, Alberto C. Naveira Garabato, Laura Cimoli, James J. Riley, Casimir de Lavergne. On the role of seamounts in upwelling deep-ocean waters through turbulent mixing. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (27) DOI: 10.1073/pnas.2322163121
上图：这不仅仅是一个水下现象：当空气流过一座孤立的海岛时，同样的湍流也经常被观察到。气团绕过海岛，顺风方向的湍流使得云层卷曲和缠绕，正如这张加那利群岛的卫星图像所显示的那样。图片来源：美国宇航局地球观测站。转载自剑桥大学官网。
海洋与湿地·小百科
海山
海山（Seamounts）是指位于海洋底部的突起地形，其顶部通常位于海平面以下1,000米以上，但不接触海水表面。这些地形通常是火山活动或板块运动形成的结果，形状多为圆顶或圆锥形，并且对海洋生态系统和物理环境产生重要影响。
湍流混合
湍流混合（Turbulent Mixing）是指由于流体运动的不规则和不稳定性而导致的混合过程。在海洋中，湍流混合通常由流体运动引起的涡流、尾流和湍流结构造成。这种混合过程不仅影响水体中的物质传输（如溶解物质、热量和氧气），还对海洋生态系统中的生物和化学过程产生重要影响。湍流混合是海洋中许多重要物理过程的基础，如深海水体的循环、海洋环流的能量传输和气候系统中的热量分布。
在这项研究中提到“湍流混合”的概念，是因为湍流混合对海山所引发的深海水体上升过程具有重要影响。海山通过产生利波和地形尾流涡旋，能够激发湍流混合效应，从而加速深海水体中的物质交换和能量传输。研究发现海山所引发的湍流混合显著促进了深海水体的上升，这对于理解全球海洋循环、气候变化以及海洋生态系统的响应具有重要意义。因此，湍流混合作为一个关键概念被引入、并写入了这篇论文的标题，用以解释和量化海山在深海水体动态过程中的作用和影响。
深海上升（Deep-Ocean Upwelling）是指深海中冷、富含营养的水体由深层向上升到较浅层的过程。这种上升通常由各种物理和地质过程引起，如海洋环流、海山效应、风驱动以及地球自转等。深海上升将深层水体中的营养物质、溶解氧和碳带到表层水体，对海洋生态系统和气候具有重要影响。
利波利波（Lee Waves）是指当稳定气流或水流通过地形障碍物（如山脉或海山）时，形成的波动现象，通常由地形所产生。在大气中，利波通常由稳定的空气流通过山脉的背风面（也称为"利波波段"）形成，这些波通常在云层中可见。在海洋中，利波由水流通过海底地形障碍物（如海山）背后形成，表现为水面或水体中的波动结构。利波的形成取决于地形的形状和稳定流体的速度，对大气和海洋的动力学过程具有重要影响。
地形尾流涡旋地形尾流涡旋（Topographic Wake Vortices）是指流体（如空气或水）在经过地形障碍物（如山脉或海山）时，在其背风面或背水面形成的旋涡结构。当流体绕过这些障碍物时，由于速度和压力的变化，会产生复杂的湍流和旋转运动，形成一系列涡旋。这些涡旋对流体的混合和物质传输具有重要作用，能够显著影响局部和区域的流体动力学过程。在海洋中，地形尾流涡旋可以增强深海水体的混合和上升，进而影响海洋环流和气候系统。
演示图（来自视频截图）。图源：Mashayek et al. (2024)
思考题 | 举一反三
Q1. 海山湍流对深海水体上升的影响如此显著，那么这种影响是否会随着全球变暖而增强或减弱？这可能对全球气候和海洋生态系统带来怎样的长期影响？ Q2、这个研究中提到，“海山尾流区域内的混合现象在低纬度特别显著”，那么在极端气候事件如厄尔尼诺或拉尼娜时，海山湍流会如何响应和调节海洋环境的变化？ Q3、如何在现有的气候模型中准确地集成海山湍流效应？这将如何改善我们对全球气候变化的预测，以及应对气候变化的政策制定？ |
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编译 | 王芊佳
编辑 | Sara
排版 | 绿叶
【参考资料】
https://www.esc.cam.ac.uk/news/underwater-mountains-have-big-impact-ocean-circulation
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2322163121
Mashayek et al. (2024). On the role of seamounts in upwelling deep-ocean waters through turbulent mixing. PNAS: https://doi.org/10.1073/pnas.2322163121
https://hb.hainanu.edu.cn/nanhaihaiyang/info/1081/1608.htm
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