全球变暖下的静谧深海，气温上升如何减缓海洋环流和碳封存
全球海洋是地球气候最重要的调节器之一，充当着散热器、碳储存器和大气条件的调节器。最近的一项研究，强调了全球变暖导致深海发生的重大变化。他们的研究结果表明，在人类驱动的气候变化的影响下，深海变得更加平静——活力和能量都减少了。这种变化以深海动能的减少和环流的减弱为标志，可能对海洋生态系统、全球热量分布和地球气候系统产生深远影响。
洋流在气候调节中的作用
海洋是地球热量平衡不可或缺的一部分。洋流充当传送带，将热量和营养物质输送到地球各地，调节温度，并影响天气系统。深海在这一过程中尤为重要，因为它储存和重新分配由于太阳辐射和温室气体排放而在表面积聚的热量。正如最近的研究表明，当这些洋流减弱时，海洋吸收和分配热量的能力可能会减弱，从而加剧气候变化的影响。
深海洋流减弱是近期多项研究重点关注的现象，这是海洋分层、垂直混合变化和深海变暖等多种因素共同作用的结果。
这种变化与驱动这些洋流的能量减少有关，这是分层增强的直接结果。由于表层水比深海变暖更快，表层水和深海之间的密度差异增大，从而形成更稳定、分层的海洋。海洋较深层的混合较少，这限制了各层之间的热量和营养物质交换。这个过程是一个关键的反馈回路，可能会进一步加剧全球变暖。
平静的深海：这意味着什么？
在深海环境中， “平静”一词指的是深海洋流动态活动的减少。随着全球气温上升，海洋垂直混合的能力减弱，导致更深处的动能下降。
这种“静止”状态意味着海洋对气候变化的反应会变慢，这会对海洋生态系统和大气条件产生一系列影响。例如，深水循环减弱可能会破坏依赖营养循环、氧气交换和深水上升来支持表面生态系统的海洋生物。更平静的海洋也可能限制海洋封存碳的能力，导致大气中二氧化碳含量更高，进一步加剧全球变暖。
导致海洋平静的关键机制之一是分层增强。当表层水比深层水升温更快时，就会发生分层，从而形成抵抗混合的不同层。正如气候模型所预测的那样，随着地球变暖，这一过程变得更加明显，海洋表层变得越来越浮力大，越来越不愿意与下面更深、更冷的水域混合。垂直混合的减少阻碍了热量和营养物质的重新分配，最终导致深海环流系统的能量减少。
中尺度涡流是旋涡，其直径通常为几公里到几百公里。这些涡流在跨洋层输送热量、碳和营养物质方面发挥着重要作用，促进了垂直和水平混合。在全球变暖的情况下，这些涡流会减弱，出现的频率也会降低。结果，从海洋表面到深海的垂直热量传输减少，进一步导致海洋的平静。王的研究强调，中尺度涡流对于确定海洋环流的人为变化以及气候的变化至关重要。
导致深海更加平静的另一个因素是海洋中可用势能 (APE) 的减少。APE 是指由于水团之间的密度差异（特别是温度和盐度差异）而储存在海洋中的能量。随着地表水变暖和深海变冷，这个能量库的威力减弱，从而减少了驱动深海洋流的可用力量。APE 的减少与大规模海洋环流（如热盐环流）效率的下降直接相关，而热盐环流在向深海输送热量和碳方面起着关键作用。
深海的静止状态可能会降低海洋吸收多余热量的能力，从而加剧全球变暖的影响。深海历来都是一个主要的散热器，吸收了人类排放的温室气体产生的 90% 以上的热量。然而，随着洋流减弱和垂直混合减少，这些热量不太可能到达深海，导致地表水变暖速度加快。这种不平衡可能会加剧大气变暖，造成气温升高和天气模式紊乱的恶性循环。
深海变慢、变平静会以多种方式破坏海洋生态系统。垂直混合减少会影响营养循环，这可能会损害依赖深海营养物上升的物种，例如构成海洋食物网基础的浮游植物。此外，海洋分层可能会导致海洋深层缺氧，进一步给依赖富氧水域生存的海洋生物带来压力。海洋条件的这种变化可能会对鱼类种群、珊瑚礁和其他海洋生物产生连锁效应。
海洋在缓解气候变化方面发挥的关键作用之一是其吸收二氧化碳的能力。深海充当碳汇，储存地表水从大气中吸收的二氧化碳。然而，如果深海变得更加平静，其吸收和储存碳的能力可能会减弱。碳吸收能力的下降可能导致大气中二氧化碳水平升高，进一步加剧温室效应并加速气候变化。
新的研究发现
崂山实验室引导的一项新的研究，利用高分辨率全球气候模拟，这些模型模拟海洋中的物理过程，包括环流、混合和能量转移。通过在不同温室气体浓度情景下运行这些模型，研究人员能够预测变暖将如何影响深海环流和能量动态。
这项研究的核心结论之一是，在全球变暖的影响下，深海正变得“平静”，或者说活力减弱。这指的是深海洋流的动能减弱，这种减少主要归因于深海中尺度涡流的减弱。深海通常是全球热量和碳分布的主要驱动因素，其活力减弱可能会影响这些过程。深海环流系统不太活跃意味着地表水和深海水的混合减少，这可能会破坏热量传递和营养循环。
该研究强调了中尺度涡旋（存在于上层海洋中的大型旋转洋流）的作用。这些涡旋在海洋层的垂直混合、热量、营养物质和其他海洋特性的输送中起着关键作用。全球变暖下增强的垂直分层减少了储存在大规模海洋环流中的可用势能，从而减少了其转化为涡流动能。中尺度涡旋的减弱可能会加剧海洋分层，温暖的表层水与较冷的深层水之间的分离会越来越大。
随着气候变化导致地表水变暖，该研究预测海洋将变得更加分层。分层是指不同温度和盐度的水团分层，这会抑制垂直混合。这种分层的增加意味着深海将与大气和地表水更加隔绝，从而降低海洋吸收二氧化碳和重新分配热量的能力。
该研究强调了人们对海洋封存碳能力的担忧。深海活动减少意味着碳储存效率降低。海洋一直充当碳汇，吸收了大约四分之一的人为二氧化碳排放量。然而，如果垂直混合减少，分层增加，海洋封存碳的效率可能会降低，导致大气中二氧化碳含量升高，加剧全球变暖。
研究人员认为，深海环流的减弱可能会引发一个正反馈循环，大气中二氧化碳的增加会导致气候进一步变暖，进而进一步削弱海洋混合。这可能导致海洋碳储量和大气二氧化碳水平发生重大变化，从而加剧全球变暖的影响。
思考
洋流动能的减少可能导致海洋表面变暖，进而加剧全球变暖。这是否会形成一个反馈循环，即流动较慢的海洋会加剧变暖，尤其是在北大西洋或南大洋等地区？
中尺度涡流在海洋中传输热量、营养物质和碳方面发挥着重要作用。随着气候变暖改变海洋动力学，涡流活动可能减少，营养循环将受到怎样的影响，特别是在海洋偏远地区？
参考文献：Shengpeng Wang, Zhao Jing, Lixin Wu, Shantong Sun, Zhaohui Chen, Xiaohui Ma & Bolan Gan ，A more quiescent deep ocean under global warming. Nature Climate Change volume 14, pages961–967 (2024)，doi.s41558-024-02075-2
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