探索世界最深的深渊海沟的三层环流，对洋流和深海的新见解

挑战者深渊位于西太平洋马里亚纳海沟的南端，是地球已知的海洋最深处，深度约为10,994 米。一项开创性的研究揭示了这一深海区域独特的三层环流系统，该环流对极端深度的热量、营养物质和海洋特性分布起着至关重要的作用，为全球海洋过程和洋流对环境变化的响应提供了见解。

挑战者深渊和深渊带

挑战者深渊以希腊神话中的冥王哈迪斯命名，是地球海洋的最深处。深渊区的特点是压力极大、温度接近冰点、一片漆黑，包括从 6,000 米深一直延伸到海底极深处的海沟。挑战者深渊的深度接近11,000 米，是深渊区严酷而神秘条件的缩影。

与其他海洋区域不同，深渊带远离海面的直接影响，光照和营养交换非常有限。尽管条件如此极端，但深渊带仍是各种特殊生物的栖息地，从发光生物到嗜极细菌。此外，这些区域内的洋流具有由极端地形和深水质量运动驱动的独特特征。了解这里的环流模式对于更广泛的海洋学模型至关重要。

挑战者深渊的三层循环

这项对挑战者深渊三层环流系统的研究为了解深海区域的水动力过程提供了宝贵的见解。该环流系统与在较浅深度观察到的表层和深水环流模式不同，这主要是由于当地地形、冷极地水的入侵和湍流混合机制之间的复杂相互作用。

• 上层：上深渊层的特点是下极地深水(LCDW) 侵入，它从周围的海洋环境进入海沟。UHL 的特点是相对稳定、温度较低且洋流缓慢。LCDW通常从南大洋流出，并增加了海沟深水的总量。
• 中层：中深渊层位于深渊下层下方，由于上层和下层相互作用而产生的湍流增加，因此表现出更动态的混合。该层由沿海沟壁循环的密集冷水流形成。湍流混合在这里起着重要作用，重新分配热量和盐度，影响极端深处的生物过程和沉积物输送。
• 下层：下深渊层位于海沟的最深处，是三层中最孤立、最停滞的层。这一层包含最稠密、最冷的水，通常来自南极底层水(AABW)，该水从南大洋的深渊平原流入。尽管 LHL 相对稳定，但它受到海沟地形的影响，从而推动了局部的上升和下降过程。

这三个不同的循环层不仅表征了水的物理流动，还影响了不同深度的化学和生物特性。这些层与海沟的地形特征之间的相互作用创造了一个高度复杂和动态的系统，目前仍在探索中。

LCDW 是一种源自南大洋的水团，其特点是温度低、盐度高。它在深海环流中起着至关重要的作用，可以通过复杂的物理过程进入深海海沟。这种入侵有助于驱动和稳定三层环流系统的深海层。

湍流混合是由于水体密度差异以及与海底和局部地形的相互作用而发生的，对于维持三层的垂直分层至关重要。这种混合使热量、营养物质和气体能够在不同的水层之间交换，这对深海生态系统至关重要。

三层环流的关键驱动因素

挑战者深渊的主要特征之一是其复杂的地形，包括陡坡、陡峭的山脊和突然的洼地。这些地质特征通过引导和偏转水团（尤其是LCDW）对环流动力学产生了深远影响。当水流入海沟时，它会与这些特征相互作用，引起上升和下降流过程，从而调节三层之间的运动。

当地地形不仅影响水流，还影响不同深度水团的混合。与较浅的海洋环境相比，这导致海沟内的垂直结构更加不均匀。

下极深水(LCDW)的入侵是挑战者深渊三层环流系统的基本组成部分。LCDW 是来自南大洋的寒冷且营养丰富的水团，它向北流入海沟，取代了较温暖、密度较低的水。这种冷水入侵与海沟的地形相互作用，在某些深度形成强烈湍流混合区域。

海沟内的湍流混合对于维持三层系统的垂直分层至关重要。这种混合增强了各层之间的热量、盐度和营养物质交换，促进了不同水团之间的平衡。它还在重新分配氧气和碳方面发挥着重要作用，而氧气和碳对深海生态系统至关重要。

新的研究发现

这项新的研究通过部署超深海流速计系泊阵列，以收集挑战者深渊极深处的数据​​ 。该阵列使研究人员能够分析洋流并确定三层环流结构。

研究发现，深渊区存在明显的三层环流系统，从向西的 LCDW 流向下过渡到气旋环流，然后过渡到反气旋环流。向西的流动在夏季会改变方向，证明深海盆地具有双向连通性，而气旋-反气旋环流相对稳定。

• 表层：该层位于 6,000 米以上，表现出强烈的西向气流，受表面风型和科里奥利力等因素驱动。该气流受位势涡度平衡的影响。
• 中间层：在水深 6,000 米以下，水流向西流动，速度较慢，受当地地形影响。这一层涉及不同水团之间的复杂相互作用。
• 深海层：最深的一层，受湍流混合和 LCDW 入侵的影响。这一层在整个深水环流中起着关键作用，影响营养物质和有机物质的移动。

研究表明，LCDW 入侵、局部地形和湍流混合对于调节三层环流至关重要。湍流混合在驱动反气旋环流中起着关键作用，这种混合可能是由洋流与当地地形的相互作用以及这些极端深度下水柱的内在不稳定性引起的。来自南大洋的低环极深水 (LCDW) 的入侵是 7,000 米以下深度环流模式的主要调节因素，这种入侵提供了富含营养的水源，支持这些极端环境中的生态系统。

营养物质和有机物在三层之间的移动是维持深海海沟生命的生物地球化学过程不可或缺的一部分。研究发现，循环模式有助于将有机物质从表面输送到深海，有助于碳封存和这些地区的营养物质循环。

对挑战者深渊三层环流的研究为了解世界上最深海沟的深海环流动态提供了重要见解。研究结果证实了由湍流混合、局部地形和 LCDW 入侵驱动的复杂多层环流系统的存在。

对海洋生态系统的影响

尽管环境条件极端，但挑战者深渊仍生活着各种各样特殊的海洋生物。三层循环系统影响着营养物质的供应，从而支持每一层内的各种生物过程。例如，挑战者深渊中的生物已经适应了较低的温度和有限的光照，依靠缓慢流动的水流来吸收营养物质。

在中深渊层，湍流混合可以间歇性地爆发营养物质，这对于维持在这些深度繁衍生息的底栖生物至关重要。下深渊层虽然性质较为停滞，但却是从较高层过滤下来的营养物质和有机物质的储存器。

三层环流最有趣的方面之一是它对维持生命的化学物质和营养物质分布的潜在影响。海沟内的水流动可能是有机物质和微量元素垂直运输的原因，而这些物质和微量元素对于维持深渊带的微生物生命至关重要。

深海带极深处的生物进化出了非凡的适应能力。挑战者深渊的生物表现出适应能力，以应对极端压力、低温和光照不足。例如，一些物种具有生物发光能力，而另一些物种则进化出了专门的机制来利用海沟中有限的食物。这些适应能力是三层循环系统所形成的特定环境条件的直接结果。

此外，复杂的环流还可能促进遗传物质和物种在深渊区不同部分之间的传播，从而影响随着时间的推移的进化过程。

思考

虽然湍流混合被认为在海沟水团混合中发挥了重要作用，但确切的机制及其与局部地形的相互作用如何？这些极端深度的湍流与海洋其他部分的湍流相比如何？湍流对热量和营养物分布的贡献有多大？

挑战者深海沟的独特结构，包括其狭窄、陡峭的海壁和地质特征，可能形成了复杂的流动模式。但这些特征究竟如何影响水流？海沟内的局部特征能否形成微循环系统，从而影响深海生态系统和生物地球化学过程？

LCDW 会影响海洋深层环流，但它在挑战者深渊环流系统中的确切作用仍存在争议。LCDW 的入侵如何与这种深度的其他水团相互作用？与较浅区域相比，深渊区的 LCDW 成分有何不同？

参考文献：Huichang Jiang, Xiao Xin, Hongzhou Xu, Chun Zhou, Philip A. Vetter, Liu Yu, Tong Long, Qi’an Chen & Jiwei Tian ，Three-layer circulation in the world deepest hadal trench.  Nature Communications volume 15, Article number: 8949 (2024)，doi.s41467-024-53370-7

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