海底峡谷中的斜压上升流，海洋环流和气候调节的关键

海洋深层环流在地球气候系统、热量分布和营养循环中起着至关重要的作用。这种环流的一个关键方面是斜压上升流过程，它涉及深海洋水团向较浅深度的垂直运动。这种运动主要由边界层中的湍流混合驱动，特别是在大陆坡和海底峡谷等陡峭地形附近。在这些地区，小规模湍流促进了密集深水与较轻的地表水的混合，对全球翻转环流做出了重大贡献。了解这一过程的动态对于理解海洋热量输送、营养分布和气候调节至关重要。

一项新的研究探讨了斜压上升流的动力学、边界层在这些过程中的作用以及它们与全球海洋环流的关系。

斜压上升流：它是什么以及它为何重要

斜密度上升流是指水在等密度线（密度相等的线）上的垂直运动。与其他形式的上升流（由风或温盐梯度等外力驱动）不同，斜密度上升流是通过湍流混合而发生的，这种混合会产生垂直浮力通量。这一过程的主要特点是它在不显著改变水密度的情况下输送水。这种上升流在深海中尤为强烈，它是深海水团与上层海洋交换的重要机制。

斜压上升流的驱动因素包含底部洋流、波浪相互作用和海底峡谷等地形特征驱动的小规模湍流，这些是造成斜压上升流的主要机制。这些边界层内的水运动主要是绝热的，这​​意味着它不会与周围环境发生显著的热交换。随着这些区域的湍流混合加剧，深水被推上来，与上方较轻的水相互作用，导致热量、碳和营养物质在海洋各层重新分布。

最近的研究表明，斜压混合不是一个均匀的过程。相反，它在陡坡或崎岖地形附近最为明显，例如海底峡谷。这些特征会集中湍流，从而增强上升流的强度。

海底峡谷与斜压上升流的关系

海底峡谷是陡峭、通常很深的水下山谷，切入大陆坡。这些峡谷在世界许多海洋地区都很常见，它们在海洋环流中的作用已成为研究的一个关键领域。尽管与较大的海洋特征相比，海底峡谷的规模相对较小，但由于其独特的地形和海洋条件组合，它们成为斜压上升流的热点区域。

海底峡谷的陡坡增强了周围水柱的湍流混合。当深水流过这些峡谷时，边界层动态会发生改变，导致强烈的垂直速度。这种湍流促使深水向上运动，促进深层和表层之间的水团交换。

观测表明，这些区域的湍流混合强度比海洋其他区域高出几个数量级，在某些情况下，海底峡谷的上升流速度高达每天 100 米，明显高于全球平均水平。

在海底峡谷中，上升流主要由底部洋流和峡谷倾斜壁之间的相互作用引起。当水被迫穿过狭窄的峡谷时，它会加速，从而增加湍流和垂直混合。这会产生局部强烈上升流区域，从而将富含营养的深层水带到地表。这些过程不仅增强了深海和表层之间的热量和碳的混合，而且还在调节海洋生物的分布和全球碳循环方面发挥着作用。

海底峡谷中发生的斜压上升流对于将营养物质从深海输送到海面至关重要，有助于提高原本营养贫乏的地表水的生产力。这在高纬度海洋中尤为重要，因为这种上升流可以为地表水补充浮游植物生长所必需的营养物质，为海洋食物网提供能量。此外，这一过程还在碳封存中发挥作用，因为深水携带富含碳的化合物，当这些化合物被带到地表时，可能有助于调节大气中的二氧化碳水平。

边界层交换的绝热性质

在海洋混合的背景下，“绝热”一词指的是没有与周围环境进行热交换的过程。这对于理解斜密度上升流尤其重要，因为参与这一过程的水团不会发生显著的温度变化。相反，上升流是由于密集水沿着倾斜的等密度线垂直运动而发生的，这种机制是由海洋边界层的湍流混合促成的。

海洋边界层是海洋中水柱与海底发生显著相互作用的区域。这些区域通常是由于底部洋流而产生强烈湍流的地方，底部洋流会产生垂直速度并促进不同深度的水团混合。在海底峡谷等陡峭斜坡区域，湍流会集中并加剧，导致深水团快速上升。

这种上升流的绝热性质至关重要，因为它允许深层水上升而不会显著改变其密度或温度，这是斜压过程的基本特征。这种行为与可能涉及热交换或水性质变化的其他形式的上升流形成对比。

边界层绝热上升流对全球海洋环流具有重要影响。水团从深海向海面的运动是全球翻转环流不可或缺的组成部分，该系统调节着全球热量、碳和营养物的分布。这种环流有助于维持海洋热和化学性质的平衡，进而影响天气模式、海洋生态系统和气候过程。

最新的研究发现

由加利福尼亚大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所主导的一项研究，研究人员在倾斜的海底峡谷内靠近海底的地方释放了一种染料。这种染料充当了示踪剂，使科学家们能够观察水的运动​。

研究发现，在海底峡谷底部附近，斜压上升流速度可高达每天 100 米，显示出跨密度层的剧烈混合和垂直水运动。研究观察到峡谷边界附近水团的绝热交换，表明峡谷的陡坡增强了湍流混合，促进了深层和较浅层之间的水交换。靠近海底的小规模湍流混合被认为是上升流的主要驱动因素，对全球海洋环流和翻转动力学有重大贡献。

该研究提供了深海中强烈的、以底部为中心的斜压上升流的直接证据，即在峡谷等地形特征处混合会导致全球显著的上升流。

对全球海洋环流的影响

全球海洋环流是由不同海洋层之间的水团运动所驱动的。经向翻转环流通常被称为“全球传送带”，在调节全球热量、碳和营养物质的输送方面发挥着关键作用。斜压上升流，特别是在边界层区域，对于经向翻转环流 的正常运作至关重要，因为它确保了深层和表层之间的水团交换。

例如，在南大洋，陡坡附近的上升流过程有助于将稠密的水团转变为深海水域，然后重新分布在全球海洋中。湍流混合和绝热上升流沿着这些边界层相互作用，有助于维持经向翻转环流 中水的垂直运动，从而维持海洋内的动态平衡。

海洋环流的关键作用之一是碳封存。富含二氧化碳的深水在上升流期间被带到地表，通过光合作用等生物过程，这些碳可以转移到海洋生物体内。然后，其中一些碳通过生物泵输出到深海，在那里可以长期储存。斜压上升流大大提高了这种碳封存过程的效率，尤其是在海底峡谷等边界层湍流强烈的地区。

除了碳封存之外，海洋热量的重新分配也是斜压上升流的另一个重要功能。暖水从表面向深层移动，以及冷水从深海上升，在调节地球气候方面发挥着至关重要的作用。通过维持海洋的热平衡，上升流过程有助于稳定大气温度，并有助于缓和全球气候模式。

思考

海底峡谷中剧烈混合的具体物理机制是什么？峡谷是否有特定的条件或特征可以增强混合？​​这种增强的混合如何影响峡谷内外的生物地球化学循环？对营养分布和海洋生物有何影响？这种现象在世界其他海底峡谷有多普遍？它在全球海洋环流和气候系统中扮演什么角色？

参考文献：Bethan L. Wynne-Cattanach, Nicole Couto, Henri F. Drake, Raffaele Ferrari, Arnaud Le Boyer, Herlé Mercier, Marie-José Messias, Xiaozhou Ruan, Carl P. Spingys, Hans van Haren, Gunnar Voet, Kurt Polzin, Alberto C. Naveira Garabato & Matthew H. Alford ，Observations of diapycnal upwelling within a sloping submarine canyon.  Nature volume 630, pages884–890 (2024)，doi.s41586-024-07411-2

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