巨大的水下波浪影响海洋储存碳的能力

一项新的研究表明，在海洋表面深处的水下波浪(有些高达 500 米)在海洋储存热量和碳的方式中发挥着重要作用。

由剑桥大学、牛津大学和加州大学圣地亚哥分校领导的一个国际研究小组量化了大西洋中这些波浪和其他形式的水下湍流的影响，发现它们的重要性并不在于准确地反映在为政府政策提供信息的气候模型中。

人类活动排放的大部分热量和碳都被海洋吸收，但它能吸收多少取决于海洋内部的湍流，因为热量和碳要么被推入海洋深处，要么被拉向海面。

虽然这些水下波浪已经众所周知，但它们在热量和碳传输中的重要性尚不完全清楚。

发表在AGU Advances杂志上的研究结果表明，海洋内部的湍流对于全球范围内碳和热量的传输比之前想象的更为重要。

海洋环流将温暖的海水从热带带到北大西洋，在那里它们冷却、下沉，然后像一条巨大的传送带一样向南返回深海。这种环流模式的大西洋分支称为大西洋经向翻转环流 (AMOC)，在调节全球热量和碳收支方面发挥着关键作用。海洋环流将热量重新分配到极地地区，在那里融化冰，将碳重新分配到深海，在那里可以储存数千年。

“如果你要拍一张海洋内部的照片，你会看到很多复杂的动力学在起作用，”来自剑桥应用数学和理论物理系的第一作者 Laura Cimoli 博士说。“在水面之下，有急流、水流和波浪——在深海中，这些波浪可以高达500米，但它们就像海滩上的波浪一样破碎。”

“大西洋在影响全球气候方面很特别，”来自剑桥大学地球科学系的合著者 Ali Mashayek 博士说。“从上游到深海，它有强大的极地环流。水在海面的移动速度也比在深海中的移动速度快。”

在过去的几十年里，研究人员一直在调查 AMOC 是否可能是北极失去如此多冰盖而南极冰盖正在增长的一个因素。对这种现象的一种可能解释是，北大西洋海洋吸收的热量需要数百年才能到达南极。

现在，剑桥大学领导的研究人员结合遥感、基于船舶的测量和来自自动浮标的数据发现，来自北大西洋的热量到达南极的速度比以前想象的要快得多。此外，海洋内部的湍流——尤其是巨大的水下波浪——在气候中起着重要作用。

海洋就像一个巨大的蛋糕，由不同的层组成，底部是较冷、密度较大的水，顶部是较暖、较轻的水。海洋中的大部分热量和碳传输发生在特定层内，但热量和碳也可以在密度层之间移动，将深水带回表面。

研究人员发现，小规模湍流促进了层间热量和碳的移动，这种现象在气候模型中并未得到充分体现。

来自不同观测平台的混合估计显示环流上部分支存在小规模湍流的证据，这与海洋内波的理论预测一致。不同的估计表明，湍流主要影响与从北大西洋向南移动到南大洋的深水核心相关的密度层类别。这意味着这些水团携带的热量和碳很有可能在不同的密度水平上移动。

“气候模型确实解释了湍流，但主要是它如何影响海洋环流，”Cimoli 说。“但我们发现湍流本身就至关重要，并且在海洋吸收多少碳和热量以及将其储存在哪里方面起着关键作用。”

“许多气候模型对微尺度湍流作用的描述过于简单，但我们已经证明它很重要，应该更加小心对待，”Mashayek 说。“例如，湍流及其在海洋环流中的作用控制着有多少人为热量到达南极冰盖，以及发生这种情况的时间尺度。”

该研究表明，迫切需要在全球观测阵列上安装湍流传感器，并在气候模型中更准确地表示小规模湍流，以使科学家能够更准确地预测气候变化的未来影响。

该研究部分得到了自然环境研究委员会 (NERC) 的支持，该委员会是英国研究与创新 (UKRI) 的一部分。

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