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    全球气候变暖下的海洋

    作者:admin 更新时间:2019年03月20日 14:51:48

      我们赖以生存的地球在过去的46亿年里慢慢演化着,并且日益受到人类的影响。由于人类活动,大气中的温室气体(二氧化碳、甲烷等)在不断增加,致使全球气温升高。全球气候变暖及其对人类社会与生态系统的影响已成为人类面临的最重要问题之一。


      由于全球气候变化与人类的生存发展息息相关,全球气候变暖也因此成为全人类共同关注的焦点之一。由于海洋与气候变化密切相关,关于海洋对全球气候变暖响应的研究也是当今海洋学研究的核心内容之一。


      海洋在全球气候变化中的作用


      海洋面积约占地球表面面积的71%,最大垂向深度超过1万米,海洋中蕴藏着丰富的矿产资源和能源,其容纳量和覆盖范围都非常之大。


      其实,幽深而富?#32435;?#31192;的海洋也是分层的:在上层海洋中存在明显的层结,自上而下可分为混合层、季节性温跃层与永久温跃层;永久温跃层及其以下更多以水团划分,包括中层水、下层水和底层水。


      海洋的上边界层直接与大气底边界层接触,可以为大气提供充足的水汽。而且,海洋环流携带的巨大热量能在全球范围内进行分配,进而调节着海洋大气之间的能量交换,如黑潮、湾流以及赤道上升流区,?#38469;?#28023;水,气能量交换最强的海区。海洋环流的演变能够通过改变海洋与大气之间的能量交换,进而影响到气候的长期变化。如果海洋发生异常,如洋流流动路径等改变,其携带的惊人能量会对气候产生巨大影响。众多科学研究结果已经证实了这一点。


      那么,海洋到底是如何影响全球气候的呢?以近年来大家?#38469;?#30693;的“厄尔尼诺”为例,它是指赤道中东太平洋海水大范围?#20013;?#24322;常增温现象。海水温差越大,厄尔尼诺的强度越强。厄尔尼?#30340;?#22815;影响大气中的辐散环流


      沃克(Walker)环流和哈德莱(Hadley)环流,导致降雨带的分布发生变化,进而对气候产生影响。每当厄尔尼诺出现?#20445;?#20840;球大气环流和气候均显现出异常变化,洪灾、干旱、?#23376;?#22823;风、龙卷风、冰雹等灾害频繁发生。而且随着全球气候变暖趋势的日益增加,厄尔尼诺事件发生的?#24503;室?#36234;来越高。作为一种全球性灾害,厄尔尼诺对于我国的区域大气环流、降水、气温、台风活动等都存在重要影响。当然,厄尔尼诺事件只是众多海洋影响气候事件中的一例。


      事实上,不仅海洋会影响气候变化,全球气候变暖所引发的气候变化同样也在改变着海洋。


      全球气候变暖下海洋的响应


      在我国北方,十几年前孩子们冬季在冰面上行走玩耍的场景,出现的时间越来越晚了,如今在雪地里和小伙伴一起打雪仗嬉戏的场面,也很少见到了。我们不时会看到新闻报道中提到一些地?#39057;?#27964;的沿海地区和国?#33402;?#36973;受着被海水淹没的威胁。人们的切身感受及众多研究表明,当前,全球气候变暖已是不争的事实。在这样的大背景下,海洋会?#24615;?#26679;的响应呢?


      对于全球气候变暖,两极海域和其他大洋产生的响应主要表现在温盐的变化、海平面的升降、热含量变化等几个方面。


      海冰是气候变化的指示器,气候的扰动情况,人们最容易从海冰的变化中?#19994;?#23545;应信号。在两极海域,观测研究表明,20世纪北极的气候发生了重大变化,1970~2000年间,海冰表面的大气温度显著升高,北冰洋东部、巴伦支海及日耳曼海夏季冰急剧减少。次表层海洋(大约位于表层数十米以下至250米以浅的深度)资料揭示,自20世纪50年代以来,北极的海冰变薄了很多。在南大洋,自20世纪90年代以来,人们获得了大量有关700~1000米深度的海水温度数据。这些数据比相同区域先前观测到的温度要高,南大洋中层温度在20世纪80年代比30年前升高了0.17℃,升温幅度大于全球其他海域,并且主要集中在南极绕极流海域。南大洋与南极气温的增暖量?#23548;?#20046;相?#20445;?#20854;中增暖最快的区域在南纬45。到南纬60。间的南极绕极流纬度范围内。


      在印度洋和太平洋深海也出现了温度升高现象。研究人员对印度洋深海进行的测定表明,900米深的海水温度在1962~1987年间升高了0.5℃。在南太平洋深海进行的测定也得到了类似结果。印度洋和南太平洋深处的海水主要来自南极附近海域的海洋表面,所以印度洋和南太平洋深海水温的升高说明南极附近海洋表面的水温是在升高的。据此人们推测,海水温度升高必然会引起海平面上升和海水盐度下降。这?#19988;?#20026;海水的热膨胀会引起海平面上升。至于海水盐度的下降,则是由于气温升高后空气中所含水蒸气增多,降水量增大,从而使海水得到稀释所致。研究人员?#23548;?#27979;定的结果也证明了前面提到的猜测,印度洋海平面在1962~1987年间升高了3.5厘米,印度洋500~1500米深的海水盐度比过去也有所下降。通过1930~1980年间的历史水文数据与1985~1994年间来?#34164;?#24179;洋和印度洋中层水横跨大洋的6个水道截面在不同时段所对应的水文特征比较,人们发现,北太平洋中层水(中层水主要指在高盐次表层水以下的低盐水层,源自西风漂流辐聚区表层海水下沉而形成的水层)和南极附近海洋中层水都随时间表现出一致的海盆尺度(海盆尺度在此海域指数千公里至上万公里范围)的盐度降低,这可能是由于表层海水的淡化所致。观测表明,在过去的几十年里,北太平洋和南大洋高纬地区的降水增加了很多。


      在已经过去的20世纪,海平面的变化也较为显著,全球平均海平面变化主要有两方面的原因:第一,由海水温盐的变化所导致的海水密度变化,从而引起海水体积发生变化;第二,由于冰川和冰盖的溶化或凝结、降水、蒸发、河流径流和融冰等作用造成的海水质量(重量)的增减。这些过程是导致海平面变化的主要因素,而且跟海水与大气和陆地间的水交换有密切关系。研究人员计算后发现:1993~1998年,热膨胀海平面上升率为(3.1±0.4)毫米/年,与同一时期通过卫星测量得到的上升率(3.2±0.2)毫米/年相近。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2001和2007年发表的评估报告,在20世纪全球海平面因气候增暖导致的平均上升率,约为1~2毫米/年,但不同地区的差异相当大。这主要?#19988;?#20026;全球气候增暖影响了海洋环流,从而导致区域性的海平面变化情况不一。


      全球气候增暖也直接导致了海温的变化,与海温最直接相关的是海洋热含量的变化。由于海洋具有巨大的热容量,在气候系统的热量储存和输送方面起着非常重要的作用。根据观测,海洋热含量在过去50年里增加了大约18.2×1022焦耳。引起这种变化的根本原因在于全球气候变暖。


      全球气候变暖还可能会对海洋环流产生影响。在全球海洋环流中,除了海表受风吹动产生“风生洋流”外,深层还存在因海水密度梯度而形成的深海环流,由于海水密度是由温度和盐度决定的,所以这种环流被称为“温?#20301;?#27969;?#34180;?#20840;球大洋温?#20301;?#27969;大致如图1所示,其在北大西洋的部分,和海洋表层的墨西哥湾流一起,被称为“北大西洋输送带环流?#34180;?#35813;输送带的源动力,是位于北大西洋的两个巨大的海洋“水泵?#20445;?#19968;个在格陵兰以东,一个在南拉布拉多海,它们对海表的水会施加一种额外的拉力,就像浴盆里的水被地漏口吸下去一样,这两个“水泵”把海水从表层拉到海洋深处,然后在离洋面2-3千米的地方,向南流去,抵达南大西洋,这部分自北而南流动的海水,被称为“北大西洋深层水?#34180;?#36825;种很强的深层经向海流,只存在于大西洋,在太平洋和印度洋则不存在。在海表,“水泵”的作用?#21069;?#28201;暖的墨西哥湾流向北拉到高纬度地区,直至抵达格陵兰东部和南拉布拉多海,随后海水因密度变大而下沉。墨西哥湾流的流速为亚马逊河的100多倍,它携带着来自热带的温暖海水,以1万亿千瓦的功率(相当于全世界能耗的100倍),把大量的热量释放到北部的大气中,将?#20998;?#30340;空气加热了大约5℃,使得?#20998;?#27604;与其地理纬度差不多的北美温暖许多。


      不过,全球气候变暖会导致冰川融化,流入格陵兰海和拉布拉多海的淡水也因此增多,从而在海表形成淡水层,导致表层海水密度减小,原来在此能下沉到数千米深的表层海水可能由于海水变轻而下沉深度变?#24120;?#36827;而使得“水泵”停止工作,热量输送关闭,北欧将会因得不到巨大的热输送而骤然变冷,西欧甚至会突然进入小冰川期。


      虽然温?#20301;?#27969;对全球气候变暖的响应目前在研究中还存在不?#33539;?#24615;,但该输送带或多或少总会受到全球气候变化的影响。这一点毋庸置疑。像刚刚发生的?#20998;?#22823;雪,这一突发的严寒事件与海洋环流的变化可能存在着很大关系。因为北欧地区的气候与墨西哥湾流存在着密切联系,由于气候变暖,该洋流可能发生了一定程度的减速或阶段性中断,导致温暖的墨西哥湾流无法到达北欧地区,从而使得北欧因得不到巨大的热输送而发生暴雪等极端严寒天气。


      《地球物理学研究杂志》在2010年11月5日刊发了关于北极冰盖和?#20998;?#21271;方大陆冬季极端冷冬间关系的研究结果。该研究称,目前?#20998;?#20005;寒的“罪魁祸首”正是由全球气候变暖导致的北极冰盖融化。该文作者表示,他们发?#30452;?#26497;巴伦支海和喀拉海地区的洋面冰层正在消失,失去冰层覆盖的海洋会向空气中散发暖气,导致极地?#26893;?#22320;区的大气底层变暖,从而影响整个大气循环。其结果是极地冷空气在高压系统推动下,以逆时针方向旋转着向?#20998;?#22823;陆进发,造成该地区雨雪增多,气温下降。同样的严寒天气在2005-2006年的?#20998;?#20063;曾出现过。利用气候模式的模拟,他们发?#30452;?#26497;洋面冰层的减少会令严寒天气在?#20998;?#21644;亚洲北部出现的几率增加3倍。除此之外,今冬太阳活动的减少以及墨西哥湾暖流的变化也加大了?#20998;?#22320;区的降温幅度。?#27426;分?#30340;严冬和全球变暖并不矛盾,例如德国波茨坦气候影响研究所专家斯特凡?拉姆斯多夫表示,目前格陵兰岛12月份的气温已攀升到0℃以上,大大异于常年。


      在过去几十年里,日本海深层海洋环流也发生了很大的变化。研究表明,日本海在过去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过去30年里增暖了0.01℃,500米深度以下海水的热含量,在以0.54瓦/平方米的速率增加。通过溶解氧及其他化学示踪剂的剖面分析,人们发现,日本海深层底水的形成自20世纪80年代几乎停滞了,中层水的生成深度则有所?#30001;睢?#26085;本海的经圈翻转环流出现了上移的趋势,这可能与温度升高导致的表层水变淡,致使表层水不能下沉到底层有关。


      海中二氧化碳怎么办


      工业革命以来,由于人为因素引起了二氧化碳等温室气体的大量排放,目前,空气中的二氧化碳含量已比工业革命之前增加了30%,达到了380ppm(百万分之380),全球气温也因此呈现加速上升趋势,而二氧化碳等温室气体引起的全球气候变暖?#25351;?#28023;洋带来了极大影响,海水的温度、盐度、海水中二氧化碳的含量以及海洋环流等都发生了变化。由于二氧化碳的不断累积,全球海洋已经发生了酸化,海水pH值变低,而这又会给海洋生态系统带来潜在的威胁。


      众所周知,海洋是一个巨大的碳储藏库,海洋容纳的碳比大气容纳的碳多出50多倍,海洋中的冷深水是二氧化碳的主要储藏库。冷深水的形成主要在大西洋,因为大西洋的盐度较高。当化石燃料燃烧?#20445;?#20108;氧化碳被释放到大气中,大?#21152;?#19968;半的二氧化碳能够溶解在海水里,并被带入深海。


      我们对未来气候变化的预估,则强烈依赖于海洋中二氧化碳的储存量和储存时间。如果海洋储存的二氧化碳很少,或者被储存以后又很快被释放到大气中,那么大气中的二氧化碳浓度将会迅速增加。


      而有多少二氧化碳能被海洋储存,储存的时间又可以?#20013;?#22810;久,这主要取决于温?#20301;?#27969;的变化。二氧化碳的溶解量则取决于深层海水的温度,储存时间取决于深层海水的补充速率。


      当前的研究表明,北大西洋输送带呈现出变暖趋势,深层冷水的补充速?#35270;?#25152;减?#28023;?#36825;可能会导致深层与上层间海水交换的增加以及深层海水变暖,大量的二氧化碳气体因此会被释放到大气中,从而导致大气中二氧化碳浓度的增加,温室效应增强,进一步加剧全球气候变暖的趋势。


      人类何去何从


      从以上描述可以看出,由二氧化碳等温室气体引起的全球气候变暖已经给海洋带来了很大影响,而且海洋和大气之间的影响是相互的,这会导致一系列的连锁反应,情况也许会变得越来越糟,对人类?#27492;到?#20250;产生越来越多的不利影响,如各种极端天气的发生,给人类的生命和财产安全带来难以估量的损失。


      目前,人们正在寻求方法解决二氧化碳不断增加带来的危险及其对气候带来的影响。


      一个使大气中二氧化碳浓度稳定的可行方法是将过量的二氧化碳进行捕获并将这些二氧化碳储存在植物体内、地质蓄水层中或深海。要将大气中的二氧化碳更多地掩埋在海洋中就必须增强海洋吸收和储存二氧化碳的能力,或者通过诱导并增强固碳植物在表层海洋中的生长的方法来实现。由于海洋垂向上的水体交换,特别是表层与深层水之间的交?#29615;?#24120;缓慢,因此上层水体吸收的二氧化碳要被带至海洋深层是一个十分缓慢的过程,因此,通过科学手段将二氧化碳液化后直接注入到深海,不失为一个更快速的办法。?#27426;?#36825;样做会在很大程度上增加海洋中二氧化碳的含量,而关于海洋中二氧化碳浓度的增加又会给海洋生物等带来什么样影响,有关这方面的研究还很少。


      拯救地球环境,拯救人类共同的?#20197;皚D―地球,已经到了刻不容缓的时刻,我们所能采用的方法究竟能有多少呢?作者?#27627;?#38271;建,杜岩

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