南大洋的新见解，海洋环流如何影响全球二氧化碳水平

南大洋在地球气候系统中发挥着关键作用，特别是在调节大气中的二氧化碳水平方面。随着世界努力应对气候变化的加速，了解南大洋的动态变得越来越重要。一项新的研究，探讨了南大洋如何影响大气中的二氧化碳浓度，其环流如何影响这一过程，以及气温升高如何影响其碳封存能力。

南大洋：全球气候调节的关键参与者

南大洋是环绕南极洲的广阔水域，是调节全球气候的最重要区域之一。与其他海洋不同，南大洋在吸收大气中多余的热量和二氧化碳（CO2）方面发挥着核心作用，有助于减缓全球变暖的速度。南大洋海洋系统不仅吸收大量二氧化碳，还储存热量，缓冲气候变化的影响。它的环流模式对这两个过程都至关重要。

南大洋环流负责海洋不同层之间的水输送，富含二氧化碳的深层水通过上升流被带到海面，而地表水则下沉并被带走。

南大洋的浮游植物在这一过程中发挥着重要作用。当它们在营养丰富的表层水域生长时，它们通过光合作用从大气中吸收二氧化碳。当这些浮游生物死亡时，它们会沉入深海，带走碳。南大洋在这一过程中的作用至关重要，据估计，它占全球海洋吸收的人为二氧化碳的约 40%。

南大洋环流与大气中的二氧化碳浓度密切相关。风向、海洋温度和盐度的变化会改变上升流的强度和南大洋的整体环流。这反过来又会影响碳封存的效率。

例如，当南极洲周围的西风增强时，它们会增强上升流，从而将更多富含碳的水带到海面。虽然这最初似乎有利于刺激浮游植物的生长，但上升流的增加也会导致更多的二氧化碳被释放回大气中。这种反馈回路——随着南大洋涌出更多富含碳的水，更多的二氧化碳被释放出来——可能会随着时间的推移降低海洋封存二氧化碳的能力，从而可能加剧全球变暖。

此外，由于温度升高导致海洋分层变化，可能会降低生物泵的整体效率。随着地表水变暖，密度降低，阻止了地表水和深水的垂直混合。混合的减少可能会限制向地表供应营养物质，从而阻碍浮游植物的生长和海洋吸收二氧化碳的能力。

气候变暖对南大洋碳吸收的影响

气温升高对南大洋吸收和储存二氧化碳的能力有着深远的影响。随着全球气温升高，南大洋正在加速变暖，导致各种变化，可能损害其碳封存能力。

气温升高最直接的后果之一是二氧化碳在海水中的溶解度降低。随着温度升高，海水吸收二氧化碳的能力下降。这种现象被称为“温度依赖性溶解度”，意味着海洋温度越高，它能容纳的二氧化碳就越少。

此外，南大洋变暖导致其环流模式发生变化。表面温度升高导致表层水和深层水之间的垂直混合减弱。这反过来又限制了营养丰富的深层水的向上流动，而深层水对于维持生物泵至关重要。因此，吸收的二氧化碳减少，长期碳储存的潜力降低。

除了碳封存作用外，南大洋还吸收了全球变暖产生的大量多余热量。据估计，南大洋吸收的热量占全球海洋吸收热量的近四分之三。随着海洋吸收更多的热量，它加速了南极洲周围冰盖和冰川的融化，进一步导致海平面上升。

然而，这种热量吸收并非没有后果。南大洋温度升高影响了其环流和分层，这可能会削弱海洋调节热量和碳的能力。这种反馈机制可能会导致气候系统进一步紊乱，因为南大洋失去了缓冲气候变化影响的能力 。

新的研究发现

新南威尔士大学气候变化研究中心、澳大利亚南极科学卓越中心、塔斯马尼亚大学引导的一项研究，使用海洋模型来模拟南大洋环流变化对大气二氧化碳浓度的影响，这些模型用于研究动态和浮力强迫对上升流速率以及南极底层水( AABW )、南极中层水( AAIW)和亚南极模式水( SAMW )的形成和输送的影响。

研究发现，南半球较强的西风增强了富含碳的深海水的上升流，导致南大洋向大气中自然释放的二氧化碳增加。南大洋对大气环流变化的响应在数十年至百年期间内是明显的，这反过来又影响大气中二氧化碳水平的长期趋势。由于深层富碳水的持续上涌，表面营养物利用效率低下加剧了二氧化碳的释出。

具体而言，更强的南半球（SH ）西风增强了富含碳的深层海水的上升流，从而导致更强的自然二氧化碳排气，南半球西风应力每增加10 % ，自然界CO2释放量将增加0.13 GtC /年​。南半球西风带极移也会增强二氧化碳的自然释放，极移5 °的敏感度为0.08 GtC /年。增强的南极底层水(AABW)输送降低了深海天然溶解无机碳(DIC)浓度，并增加了表面天然DIC浓度，作用时间长达数十年。南大洋约占海洋人为碳吸收量的40 %和过量热吸收量的72 %

该研究强调了南大洋在调节大气二氧化碳水平方面的重要作用，并强调了在气候变化背景下了解其动态过程的重要性。

潜在的反馈循环

南大洋碳封存能力的未来尚不确定，很大程度上取决于全球气候变化的轨迹。目前的模型表明，如果全球变暖继续不受控制，南大洋吸收二氧化碳的效率可能会降低。

一种情况是，由于气温升高，西风将继续加强，导致南大洋上升流增强。这将使更多富含二氧化碳的海水浮出水面，从而加剧大气中的二氧化碳水平。正反馈循环（上升流增加导致更多的二氧化碳释放）最终可能导致海洋汇减弱，导致大气中的二氧化碳水平升高 。

另一个可能的结果是南大洋继续分层。随着表层水变暖，它们的密度降低，限制了深层水和表层水的混合。这一过程可能会减少表层必需营养物质的供应，从而限制浮游植物的生产力。由于吸收二氧化碳的浮游植物减少，生物泵的效率会降低，进一步削弱南大洋封存碳的能力。

从长远来看，这种反馈可能导致一个自我强化的循环，即南大洋碳封存的减少会加速气候变化的速度，导致进一步变暖并进一步破坏海洋调节二氧化碳的能力。

思考

气温升高、风向变化和海洋环流改变可能会削弱其碳封存能力。一个关键问题是，由于上升流增强和生物泵减弱，海洋是否会继续充当碳汇或转变为碳源？南大洋不同区域的生物泵效率有何差异？ 哪些因素（如营养物可用性、海冰覆盖和海洋分层）对这种差异影响最大？

参考文献：Southern Ocean circulation’s impact on atmospheric CO₂ concentration. Front. Mar. Sci. 10:1328534. doi: 10.3389/fmars.2023.1328534

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