南大洋在全球热量和碳吸收中作用的不对称性，气候变化机制新见解

南大洋通过吸收大量热量和碳，在地球气候系统中发挥着至关重要的作用。其独特的环流涉及大气、洋流和冰盖区域之间的复杂相互作用，使其成为调节全球温度和大气二氧化碳水平的关键因素。然而，最近的一项研究表明，这一海洋区域在吸收热量和碳方面存在显著的不对称性。

了解南大洋的作用

环绕南极洲的南大洋是热量和碳的重要吸收源，从大气中吸收了大量这些元素。它对地球的热量吸收贡献巨大，主要通过一种称为海洋环流的过程。这涉及海面和深海层之间的热量交换，以及将大气中的二氧化碳转移到海水中，这些二氧化碳可以在海水中储存数百年。

南大洋长期以来被认为是一个主要的热沉。研究表明，南大洋占全球海洋吸收热量的 83%，这一贡献远远超过任何其他地区。这是该地区独特的温盐环流的结果，它促进了温暖的海水从赤道向极地移动，在那里被深海吸收。

南大洋热量吸收的主要机制是表层水与海洋深层之间的相互作用。风，特别是南极洲周围的西风，会推动洋流，促进表层水与更深、更冷的层混合。这种垂直混合使热量被输送到海洋内部，在那里可以储存很长时间。

南大洋的热量吸收对调节全球气温起着至关重要的作用。由于温室效应导致大气变暖，南大洋通过吸收多余的热量，帮助地球缓解更快的温度上升。然而，这个过程并非没有挑战。深海吸收热量可能并不总能带来长期的稳定，因为南大洋环流模式的变化可能会改变热量在海洋内部封存的速度。

此外，南大洋的环流受到海冰融化的影响，这会影响地表水的盐度和温度。融化的冰层带来的淡水流入增加会破坏海洋层的分层，导致热量吸收增加。这种反馈机制凸显了海洋过程与整个气候系统的相互关联。

虽然南大洋在吸收热量方面表现出色，但其吸收碳的能力却比较有限。研究发现，南大洋约占全球海洋碳吸收量的 43% 。这远低于其对热量吸收的贡献，这表明南大洋碳封存的机制不如热量封存的机制那么有效或广泛。

造成这种差异的原因之一是南大洋碳交换过程的复杂性。二氧化碳通过物理和生物过程在海洋表面被吸收。南大洋由于其冷水可容纳更多溶解的二氧化碳，因此具有很高的碳吸收潜力。然而，海洋吸收碳的速度受到多种因素的影响，包括生物活动、营养物质浓度和海洋环流模式。

新的研究发现

英国利物浦大学一项新的研究，研究人员结合了南大洋探险的实地数据、卫星观测和高分辨率气候模型，以分析该地区的热量和碳吸收动态。研究人员利用先进的数据同化技术，将观测数据与气候模型相结合，以提供更准确的海洋行为图景。这种方法使他们能够比以前的研究更准确地量化南大洋对全球热量和碳吸收的相对贡献。

此外，该研究还利用历史数据追踪了几十年来热量和碳吸收的趋势。这种历史视角有助于揭示南大洋热量和碳封存之间的长期不匹配，为该地区气候反馈如何演变提供了新的见解。

这项研究最重要的发现是南大洋在热量和碳吸收方面存在明显的不对称性。虽然南大洋贡献了全球海洋热量吸收的约 83±33%，但它仅占全球海洋碳吸收的 43±3%。通过单一辐射强迫实验，研究人员证明这种历史不对称是由于北部海洋因气溶胶强迫增强而抑制了热量吸收。这种不对称性表明该地区吸收热量的能力远远超过其储存碳的能力，这一发现挑战了先前关于这两个过程之间平衡的假设。

该研究还揭示了南大洋热量和碳吸收之间的“历史不匹配”。在过去的几十年里，南大洋吸收的热量比碳多得多，一些地区，如南极绕极流 (ACC)，吸收热量的效率比吸收二氧化碳的效率更高。这种差异可能是由于控制海洋热量和碳交换的物理和生物机制不同造成的。

研究表明，南大洋对全球热量和碳吸收的贡献存在显著差异。虽然它吸收了全球大部分热量，但它吸收的碳量并不等量，表明南大洋在缓解气候变化方面的作用可能比以前认为的更为复杂。

思考

什么机制导致南大洋吸收热量和碳的能力不对称？这与海洋环流、生物活动或混合和上升流等物理过程的差异有关吗？南大洋的热量吸收如何影响区域和全球气候模式，特别是与南半球变暖和极地放大的关系？南大洋生态系统的变化（例如浮游植物种群或磷虾动态的变化）如何影响海洋固碳的能力？热量和碳吸收增加对南大洋稳定性有何长期影响？反馈回路（如冰架动态或海洋环流的变化）是否会降低其作为热量和碳吸收器的能力？

参考文献：Richard G. Williams, Andrew J. S. Meijers, Vassil M. Roussenov, Anna Katavouta, Paulo Ceppi, Jonathan P. Rosser & Pietro Salvi ，Asymmetries in the Southern Ocean contribution to global heat and carbon uptake.  Nature Climate Change volume 14, pages823–831 (2024)，doi.s41558-024-02066-3

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