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轻松读懂海洋(4)海水的垂向运动 精选

已有 3684 次阅读 2021-12-3 17:56 |系统分类:科普集锦

海水除了具有大规模水平运动的特征以外,在垂向上也会发生运动。大洋深处的海水,在一定的时间尺度上会重新翻转上来,参与大洋循环。否则,海底就会成为死水一潭,其年龄也会非常老,这与观测事实不符合。

我们先考虑一种较为复杂的海水上涌机制艾克曼抽吸。一看名字就知道这肯定是一名叫做艾克曼的教授做的深入研究。早期人们在北冰洋发现,浮冰的运动方向与风的方向不一致,而是向右偏几十度。我们知道,浮冰的运动方向指示的是水流的方向。这个现象也可以用科里奥利力来解释。在北半球,运动的物体会逐渐向右偏转。

假设海水层状分布,层与层之间有摩擦力作用,从而上层水会对下层水有摩擦牵引作用。在南半球西风带,风从西向东吹,吹动海面水向前运动,同时受到科里奥利力作用,南半球运动的海水会向左偏转。第二层海水在第一层海水摩擦力的作用下,继续向前向左运动,我们会发现,随着海水加深,其运动方向会逐渐向左偏转,在一定深度,海水的运动方甚至完全相反,出现从东向西反向流动的想象。这些层海水运动的效果很奇特,整体上会把海水沿着垂直风向向左运移(北半球向右)。

在南半球,如果海水从南向北运动,整体上,洋流左侧的上层海水就会向西运动。水是连续的,表层缺的海水必须被补偿,那么这些补偿的海水来自那里呢?

答案是洋流的东侧深层的海水上涌。比如南美洲西侧的秘鲁寒流,就形成了这样的效果。寒流东侧的深水被翻涌上来,补偿其西侧离开的水量。这些深水富含营养物质,使得海水表面生物生产力发育,可以养活沿路的很多动物。这里其实是一个大渔场。

如果我们再来考察一下绕南极环流。绕南极环流从西向东流动,其北侧的海水垂直向北输送,其南部的水体则从深部上涌补偿。如果绕南极环流偏北,海洋比较深,那么真正的底层海水就不容易被翻涌上来。可是,如果绕南极环流向南移动,海水变浅,深部的海水就更容易被搅动上涌,带来海洋底部的有机质和营养物质,海洋生产力增加,会把空气中的CO2变成有机质和CaCO3沉淀下来,达到固碳的作用,于是,会引起全球空气中CO2含量降低,温室效应减弱,全球温度进一步下降。同时,我们还可以预测,由于上述过程,海表的冷水逐渐往北输送,会使得西风环流北部的水温也会逐渐变冷。

深部海水除了能够通过上升流直接到达海洋表面外,还可以通过不同层之间的混合逐步抬升到浅表。不过这种过程的速度的很慢。如果我们考察一下中层水的年龄,会发现通过和深层水的混合,其年龄会逐渐偏老。如果中层水和深层水的年龄逐渐靠近,说明二者之间发生了充分的混合。

海水在垂向上大体分为表层水、中层水、以及深层水。在北大西洋区,其蒸发作用大于淡水注入,所以总体上表层海水的盐度很高。当表层大西洋水团向北流经北纬中纬度时,从地中海溢流而出的咸水进一步使其盐度增加。在高纬度地区,温度降低进一步加大了海水的密度,于是向下沉形成了北大西洋深层水NADW

在南极洲的大陆架某些区域,也形成了密度很大的水团,沉下去形成了南极深层水(AABW)。这个水团比NADW还要重。AABW会向北流入大西洋、印度洋和太平洋,占据大部分的海底。NADW在和AABW相遇时,屈居第二,只能上覆于AABWNADWAABW迎面而相撞,NADW被抬起,NADW上面有会被来自南极洲的中层水AAIW覆盖。整体上从南极来的水就像一个张开的鳄鱼嘴巴,上颚是AAIW,下颚是AABW,中间咬住的是NADW

这就像一个中和游戏。当NADW很强时,会把AABW往南挤。当NADW减弱时,AABW会持续向北运动,甚至把北大西洋的底层全占据。在这种情况下,NADW就锐减为北大西洋中层水NAIW

再进一步概述之,北大西洋存在着两个大的循环水团,来自南极的深水AABW占据南边与下部,而来自北边的NADWAAIW占据北边和上部。形成两个一级的垂向环流。和水平环流类似,在这个环流路径的不同部位,其名字也不一样。我们这种大型环流叫做子午向翻转环流MOC)。在大西洋的叫AMOC,在太平洋的叫做PMOC。这两个MOC之间存在着千丝万缕的联系。

北大西洋目前还在生成NADW,而被太平洋则没有任何的深层水形成。这是因为在这一地区淡水输入大于蒸发,北太平洋表层水盐度偏低,密度小,所以无法沉下去形成深层水。但是,在鄂霍茨克海和白令海,温度低,可以形成海冰,这这一过程中,盐分留给了上层海水,使得其盐度增加,于是可以下沉形成太平洋中层水(NPIW)。NPIW向南扩散,占据了几乎整个北太平洋的中层。

可见,在高纬地区能不能形成密度大的水团,淡水输入和与蒸发的平衡度很重要。如果目前全球温度持续增加,在高纬地区的降水也会增加,并超过蒸发量。这时候,北大西洋水的盐度会下降,持续下去,其密度减少,慢慢就不会沉下去形成NADW。这层盐度偏小的表层水会阻挡南部来的洋流,同时也会阻挡南部热量传输。于是,在全球变暖的情况下,欧洲有可能会突然又变得局部冷,天气从此难以捉摸。

不过,当温度很低,北半球冰盖发育,如果大块的冰从冰架上裂开,融化成淡水,也会阻挡住AMOC循环,使得NADW减弱甚至消失。冰筏携带着很多碎屑物,冰融化后,这些粗颗粒的冰筏碎屑物就会沉积在海洋沉积物中,这种事件叫做Henrich事件。

上面有很多的符号,下面我们把他们罗列一下,便于阅读查询。如果不习惯,可替换方法自动替换。

NADWNorth Atlantic Deep Water, 大西洋深层水

NAIWNorth Atlantic Intermediate Water, 大西洋中层水

AABWAntarctic Bottom Water, 南极底层水

AAIWAntarctic Intermediate Water,南极中层水

NPDWNorth Pacific Deep Water,北太平洋深层水

NPIWNorth Pacific Intermediate Water,北太平洋中层水

MOC: Meridional Overturning Circulation, 子午向翻转环流

AMOCAtlantic MOC,大西洋子午向翻转环流

PMOCPacific MOC,太平洋子午向翻转环流




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