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全球氣候變暖下的海洋

作者:admin 更新時間:2019年03月20日 14:51:48

  我們賴以生存的地球在過去的46億年里慢慢演化著,并且日益受到人類的影響。由于人類活動,大氣中的溫室氣體(二氧化碳、甲烷等)在不斷增加,致使全球氣溫升高。全球氣候變暖及其對人類社會與生態系統的影響已成為人類面臨的最重要問題之一。


  由于全球氣候變化與人類的生存發展息息相關,全球氣候變暖也因此成為全人類共同關注的焦點之一。由于海洋與氣候變化密切相關,關于海洋對全球氣候變暖響應的研究也是當今海洋學研究的核心內容之一。


  海洋在全球氣候變化中的作用


  海洋面積約占地球表面面積的71%,最大垂向深度超過1萬米,海洋中蘊藏著豐富的礦產資源和能源,其容納量和覆蓋范圍都非常之大。


  其實,幽深而富饒神秘的海洋也是分層的:在上層海洋中存在明顯的層結,自上而下可分為混合層、季節性溫躍層與永久溫躍層;永久溫躍層及其以下更多以水團劃分,包括中層水、下層水和底層水。


  海洋的上邊界層直接與大氣底邊界層接觸,可以為大氣提供充足的水汽。而且,海洋環流攜帶的巨大熱量能在全球范圍內進行分配,進而調節著海洋大氣之間的能量交換,如黑潮、灣流以及赤道上升流區,都是海水,氣能量交換最強的海區。海洋環流的演變能夠通過改變海洋與大氣之間的能量交換,進而影響到氣候的長期變化。如果海洋發生異常,如洋流流動路徑等改變,其攜帶的驚人能量會對氣候產生巨大影響。眾多科學研究結果已經證實了這一點。


  那么,海洋到底是如何影響全球氣候的呢?以近年來大家都熟知的“厄爾尼諾”為例,它是指赤道中東太平洋海水大范圍持續異常增溫現象。海水溫差越大,厄爾尼諾的強度越強。厄爾尼諾能夠影響大氣中的輻散環流


  沃克(Walker)環流和哈德萊(Hadley)環流,導致降雨帶的分布發生變化,進而對氣候產生影響。每當厄爾尼諾出現時,全球大氣環流和氣候均顯現出異常變化,洪災、干旱、雷雨大風、龍卷風、冰雹等災害頻繁發生。而且隨著全球氣候變暖趨勢的日益增加,厄爾尼諾事件發生的頻率也越來越高。作為一種全球性災害,厄爾尼諾對于我國的區域大氣環流、降水、氣溫、臺風活動等都存在重要影響。當然,厄爾尼諾事件只是眾多海洋影響氣候事件中的一例。


  事實上,不僅海洋會影響氣候變化,全球氣候變暖所引發的氣候變化同樣也在改變著海洋。


  全球氣候變暖下海洋的響應


  在我國北方,十幾年前孩子們冬季在冰面上行走玩耍的場景,出現的時間越來越晚了,如今在雪地里和小伙伴一起打雪仗嬉戲的場面,也很少見到了。我們不時會看到新聞報道中提到一些地勢低洼的沿海地區和國家正遭受著被海水淹沒的威脅。人們的切身感受及眾多研究表明,當前,全球氣候變暖已是不爭的事實。在這樣的大背景下,海洋會有怎樣的響應呢?


  對于全球氣候變暖,兩極海域和其他大洋產生的響應主要表現在溫鹽的變化、海平面的升降、熱含量變化等幾個方面。


  海冰是氣候變化的指示器,氣候的擾動情況,人們最容易從海冰的變化中找到對應信號。在兩極海域,觀測研究表明,20世紀北極的氣候發生了重大變化,1970~2000年間,海冰表面的大氣溫度顯著升高,北冰洋東部、巴倫支海及日耳曼海夏季冰急劇減少。次表層海洋(大約位于表層數十米以下至250米以淺的深度)資料揭示,自20世紀50年代以來,北極的海冰變薄了很多。在南大洋,自20世紀90年代以來,人們獲得了大量有關700~1000米深度的海水溫度數據。這些數據比相同區域先前觀測到的溫度要高,南大洋中層溫度在20世紀80年代比30年前升高了0.17℃,升溫幅度大于全球其他海域,并且主要集中在南極繞極流海域。南大洋與南極氣溫的增暖量值幾乎相當,其中增暖最快的區域在南緯45。到南緯60。間的南極繞極流緯度范圍內。


  在印度洋和太平洋深海也出現了溫度升高現象。研究人員對印度洋深海進行的測定表明,900米深的海水溫度在1962~1987年間升高了0.5℃。在南太平洋深海進行的測定也得到了類似結果。印度洋和南太平洋深處的海水主要來自南極附近海域的海洋表面,所以印度洋和南太平洋深海水溫的升高說明南極附近海洋表面的水溫是在升高的。據此人們推測,海水溫度升高必然會引起海平面上升和海水鹽度下降。這是因為海水的熱膨脹會引起海平面上升。至于海水鹽度的下降,則是由于氣溫升高后空氣中所含水蒸氣增多,降水量增大,從而使海水得到稀釋所致。研究人員實際測定的結果也證明了前面提到的猜測,印度洋海平面在1962~1987年間升高了3.5厘米,印度洋500~1500米深的海水鹽度比過去也有所下降。通過1930~1980年間的歷史水文數據與1985~1994年間來自太平洋和印度洋中層水橫跨大洋的6個水道截面在不同時段所對應的水文特征比較,人們發現,北太平洋中層水(中層水主要指在高鹽次表層水以下的低鹽水層,源自西風漂流輻聚區表層海水下沉而形成的水層)和南極附近海洋中層水都隨時間表現出一致的海盆尺度(海盆尺度在此海域指數千公里至上萬公里范圍)的鹽度降低,這可能是由于表層海水的淡化所致。觀測表明,在過去的幾十年里,北太平洋和南大洋高緯地區的降水增加了很多。


  在已經過去的20世紀,海平面的變化也較為顯著,全球平均海平面變化主要有兩方面的原因:第一,由海水溫鹽的變化所導致的海水密度變化,從而引起海水體積發生變化;第二,由于冰川和冰蓋的溶化或凝結、降水、蒸發、河流徑流和融冰等作用造成的海水質量(重量)的增減。這些過程是導致海平面變化的主要因素,而且跟海水與大氣和陸地間的水交換有密切關系。研究人員計算后發現:1993~1998年,熱膨脹海平面上升率為(3.1±0.4)毫米/年,與同一時期通過衛星測量得到的上升率(3.2±0.2)毫米/年相近。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在2001和2007年發表的評估報告,在20世紀全球海平面因氣候增暖導致的平均上升率,約為1~2毫米/年,但不同地區的差異相當大。這主要是因為全球氣候增暖影響了海洋環流,從而導致區域性的海平面變化情況不一。


  全球氣候增暖也直接導致了海溫的變化,與海溫最直接相關的是海洋熱含量的變化。由于海洋具有巨大的熱容量,在氣候系統的熱量儲存和輸送方面起著非常重要的作用。根據觀測,海洋熱含量在過去50年里增加了大約18.2×1022焦耳。引起這種變化的根本原因在于全球氣候變暖。


  全球氣候變暖還可能會對海洋環流產生影響。在全球海洋環流中,除了海表受風吹動產生“風生洋流”外,深層還存在因海水密度梯度而形成的深海環流,由于海水密度是由溫度和鹽度決定的,所以這種環流被稱為“溫鹽環流”。全球大洋溫鹽環流大致如圖1所示,其在北大西洋的部分,和海洋表層的墨西哥灣流一起,被稱為“北大西洋輸送帶環流”。該輸送帶的源動力,是位于北大西洋的兩個巨大的海洋“水泵”:一個在格陵蘭以東,一個在南拉布拉多海,它們對海表的水會施加一種額外的拉力,就像浴盆里的水被地漏口吸下去一樣,這兩個“水泵”把海水從表層拉到海洋深處,然后在離洋面2-3千米的地方,向南流去,抵達南大西洋,這部分自北而南流動的海水,被稱為“北大西洋深層水”。這種很強的深層經向海流,只存在于大西洋,在太平洋和印度洋則不存在。在海表,“水泵”的作用是把溫暖的墨西哥灣流向北拉到高緯度地區,直至抵達格陵蘭東部和南拉布拉多海,隨后海水因密度變大而下沉。墨西哥灣流的流速為亞馬遜河的100多倍,它攜帶著來自熱帶的溫暖海水,以1萬億千瓦的功率(相當于全世界能耗的100倍),把大量的熱量釋放到北部的大氣中,將歐洲的空氣加熱了大約5℃,使得歐洲比與其地理緯度差不多的北美溫暖許多。


  不過,全球氣候變暖會導致冰川融化,流入格陵蘭海和拉布拉多海的淡水也因此增多,從而在海表形成淡水層,導致表層海水密度減小,原來在此能下沉到數千米深的表層海水可能由于海水變輕而下沉深度變淺,進而使得“水泵”停止工作,熱量輸送關閉,北歐將會因得不到巨大的熱輸送而驟然變冷,西歐甚至會突然進入小冰川期。


  雖然溫鹽環流對全球氣候變暖的響應目前在研究中還存在不確定性,但該輸送帶或多或少總會受到全球氣候變化的影響。這一點毋庸置疑。像剛剛發生的歐洲大雪,這一突發的嚴寒事件與海洋環流的變化可能存在著很大關系。因為北歐地區的氣候與墨西哥灣流存在著密切聯系,由于氣候變暖,該洋流可能發生了一定程度的減速或階段性中斷,導致溫暖的墨西哥灣流無法到達北歐地區,從而使得北歐因得不到巨大的熱輸送而發生暴雪等極端嚴寒天氣。


  《地球物理學研究雜志》在2010年11月5日刊發了關于北極冰蓋和歐洲北方大陸冬季極端冷冬間關系的研究結果。該研究稱,目前歐洲嚴寒的“罪魁禍首”正是由全球氣候變暖導致的北極冰蓋融化。該文作者表示,他們發現北極巴倫支海和喀拉海地區的洋面冰層正在消失,失去冰層覆蓋的海洋會向空氣中散發暖氣,導致極地局部地區的大氣底層變暖,從而影響整個大氣循環。其結果是極地冷空氣在高壓系統推動下,以逆時針方向旋轉著向歐洲大陸進發,造成該地區雨雪增多,氣溫下降。同樣的嚴寒天氣在2005-2006年的歐洲也曾出現過。利用氣候模式的模擬,他們發現北極洋面冰層的減少會令嚴寒天氣在歐洲和亞洲北部出現的幾率增加3倍。除此之外,今冬太陽活動的減少以及墨西哥灣暖流的變化也加大了歐洲地區的降溫幅度。然而,歐洲的嚴冬和全球變暖并不矛盾,例如德國波茨坦氣候影響研究所專家斯特凡?拉姆斯多夫表示,目前格陵蘭島12月份的氣溫已攀升到0℃以上,大大異于常年。


  在過去幾十年里,日本海深層海洋環流也發生了很大的變化。研究表明,日本海在過去40多年里,1000米深度以上的海水增暖了0.1-0.5℃,2000米深度以下的海水在過去30年里增暖了0.01℃,500米深度以下海水的熱含量,在以0.54瓦/平方米的速率增加。通過溶解氧及其他化學示蹤劑的剖面分析,人們發現,日本海深層底水的形成自20世紀80年代幾乎停滯了,中層水的生成深度則有所加深。日本海的經圈翻轉環流出現了上移的趨勢,這可能與溫度升高導致的表層水變淡,致使表層水不能下沉到底層有關。


  海中二氧化碳怎么辦


  工業革命以來,由于人為因素引起了二氧化碳等溫室氣體的大量排放,目前,空氣中的二氧化碳含量已比工業革命之前增加了30%,達到了380ppm(百萬分之380),全球氣溫也因此呈現加速上升趨勢,而二氧化碳等溫室氣體引起的全球氣候變暖又給海洋帶來了極大影響,海水的溫度、鹽度、海水中二氧化碳的含量以及海洋環流等都發生了變化。由于二氧化碳的不斷累積,全球海洋已經發生了酸化,海水pH值變低,而這又會給海洋生態系統帶來潛在的威脅。


  眾所周知,海洋是一個巨大的碳儲藏庫,海洋容納的碳比大氣容納的碳多出50多倍,海洋中的冷深水是二氧化碳的主要儲藏庫。冷深水的形成主要在大西洋,因為大西洋的鹽度較高。當化石燃料燃燒時,二氧化碳被釋放到大氣中,大約有一半的二氧化碳能夠溶解在海水里,并被帶入深海。


  我們對未來氣候變化的預估,則強烈依賴于海洋中二氧化碳的儲存量和儲存時間。如果海洋儲存的二氧化碳很少,或者被儲存以后又很快被釋放到大氣中,那么大氣中的二氧化碳濃度將會迅速增加。


  而有多少二氧化碳能被海洋儲存,儲存的時間又可以持續多久,這主要取決于溫鹽環流的變化。二氧化碳的溶解量則取決于深層海水的溫度,儲存時間取決于深層海水的補充速率。


  當前的研究表明,北大西洋輸送帶呈現出變暖趨勢,深層冷水的補充速率有所減緩,這可能會導致深層與上層間海水交換的增加以及深層海水變暖,大量的二氧化碳氣體因此會被釋放到大氣中,從而導致大氣中二氧化碳濃度的增加,溫室效應增強,進一步加劇全球氣候變暖的趨勢。


  人類何去何從


  從以上描述可以看出,由二氧化碳等溫室氣體引起的全球氣候變暖已經給海洋帶來了很大影響,而且海洋和大氣之間的影響是相互的,這會導致一系列的連鎖反應,情況也許會變得越來越糟,對人類來說將會產生越來越多的不利影響,如各種極端天氣的發生,給人類的生命和財產安全帶來難以估量的損失。


  目前,人們正在尋求方法解決二氧化碳不斷增加帶來的危險及其對氣候帶來的影響。


  一個使大氣中二氧化碳濃度穩定的可行方法是將過量的二氧化碳進行捕獲并將這些二氧化碳儲存在植物體內、地質蓄水層中或深海。要將大氣中的二氧化碳更多地掩埋在海洋中就必須增強海洋吸收和儲存二氧化碳的能力,或者通過誘導并增強固碳植物在表層海洋中的生長的方法來實現。由于海洋垂向上的水體交換,特別是表層與深層水之間的交換非常緩慢,因此上層水體吸收的二氧化碳要被帶至海洋深層是一個十分緩慢的過程,因此,通過科學手段將二氧化碳液化后直接注入到深海,不失為一個更快速的辦法。然而,這樣做會在很大程度上增加海洋中二氧化碳的含量,而關于海洋中二氧化碳濃度的增加又會給海洋生物等帶來什么樣影響,有關這方面的研究還很少。


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