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推迟全球变暖,你还能撑多久

媒体:中国科学报  作者:中国科学报
专业号:碳汇资讯
2016/12/29 9:47:36   

推迟全球变暖,你还能撑多久

10米高的海浪让Joellen Russell措手不及。在新西兰南部考察时,风浪重重击打着她的科考船。“我们被卷入了水山,船好像随时会粉碎。”美国亚利桑那大学海洋学家Russell回忆道。凶猛的波浪曾差点让她跌出船外。

但让她真正震惊的是海水分析传感器数据流。随着船身不停地倾斜,她意识到海洋表面正在缺氧,碳在增加且非常酸——这是深海富营养水上升到海面的标志。结果是,Russell的脚下是几个世纪未曾“露面”的古老海水。

尽管Russell在1994年的遭遇备受争议,但现在这种海水上涌被认为是南大洋的特点。而南极洲周围的这种神秘旋涡是由全球最大的持续风驱动的。南大洋能从大气中吸收大量的二氧化碳和热量,从而放缓全球变暖的速度。而且,其强大的洋流驱动了全球大部分海洋循环。

但严酷的自然条件数十年来让海洋学家对这里“望而却步”,不过,现在有了变化。全世界研究人员利用浮标、系泊系统、船只、滑翔机、卫星、计算机模型,甚至传感器,对这里进行研究。他们计划填补庞大的数据空白,并弄清南大洋的功能,这将有助于提高预测全球变暖、南极冰架融化和海平面上升速度的能力。

“信息爆炸令人惊讶。”曾于上世纪60年代领导过南大洋科考的哥伦比亚大学拉蒙特—多尔蒂地球观测所海洋学家Arnold Gordon说,“新技术让我们能接近这里。”

海洋浮标获取的原始数据显示,不断上升的海水可能限制南大洋每年的二氧化碳吸收量。这提出了一个新问题:这些海水能在多大程度上阻止未来全球变暖的到来。“南大洋是研究气候变暖的重要地区。”英国南极调查局海洋学家Michael Meredith说。

追踪碳排放

数个世纪以来,南大洋的秘密吸引了无数探索者,但这里独特的环境让船只难以进入。

上世纪80年代,科学家才意识到这里对控制全球气候变暖的重要性。研究人员一直在试图解释,为何冰川时代末期大气二氧化碳浓度降低约1/3以及稍后浓度升高。一直以来,科学家推测,海洋吸收了由全球变暖产生的约93%的额外热量,以及约26%由人类排放的二氧化碳,但并不清楚这些热量和碳到底去了海洋的哪个地方。

美国普林斯顿大学海洋学家Jorge Sarmiento意识到,南大洋洋流和生物可能有助于降低或提高地球温度。

南极周围水域似乎是地球上不受全球变暖影响的少数区域之一。美国宇航局(NASA)2015年发布研究报告称,南极洲增加的冰比融化的冰更多。报告称,南极冰盖正在增厚,比冰川融化损失的冰更多。

Sarmiento和同事首次收集了南大洋控制碳量的化学和生物过程的实时数据。利用新数据,该团队检验了自己的模型,并改进了对二氧化碳如何在空气和海洋中移动的估计。间接证据显示,南大洋是一个碳汇网,吸收了自工业革命以来人为二氧化碳排放量的15%。但在一年中的某些时间,在某些海域,富碳的表层水会数次将二氧化碳释放到空气中。

目前,海洋学家能借助多个国际检测网络展开南大洋研究。例如,斥资2100万美元的南大洋碳和气候观测及建模项目(SOCCOM)已经布放了51个机器人浮标,监测南极洲周围海域中海水化学及生物活性的若干个指标,追踪流入南大洋的大量二氧化碳气体。于2014年发起的SOCCOM由美国国家科学基金会提供资助,将在南大洋运行6年。项目科学家的最终目标是扩大到全世界的海洋。

另外,海洋学家还在使用国际Argo阵列3900多个浮标提供的数据。这些自动探测器能够定期下潜至水下2000米的深度,并在重新升到海面之前测量温度与盐度数据,之后将它们的观测结果发送至一颗人造卫星。

现在,研究人员能近乎实时地观测南大洋变化,在冬季尤其如此。“我们立刻能看到二氧化碳流入空气中,这比我们之前预想的要多。”Sarmiento说,“这是一个大变革。”

仅基于13个浮标的尚未出版的研究显示了在至少1年中南大洋海水发生了何种变化。研究人员提出,现在的问题是,冬季二氧化碳释放量升高是否代表了整个南大洋的更大趋势?

“这让人十分好奇。”普林斯顿大学博士后研究员Alison Gray说,“这也暗示着南大洋的碳汇能力比预想的弱。”

英国丁铎尔中心主任Corinne Le Qur在2007年发表于《科学》杂志的研究显示,南大洋的碳吸收率在1981年至2004年间下降。作者将这归咎于南极季风的变化。

如果这一趋势持续下去,未来大气中的二氧化碳水平将快速上升。不过,去年刊登在《科学》杂志的研究指出,该大洋的碳汇能力从21世纪初期开始提高。无论如何,SOCCOM将帮助研究人员回答这些问题。

变暖的海水

碳只是南大洋故事的一部分。

南大洋是洋流网络的起始点,洋流能从洋底带来水、热量和营养物质。在南极洲附近,表层海水变冷且密度升高,于是逐渐下降,形成深海流。2010年,研究人员分析数据发现,深海海水出现显著的变暖趋势,这里吸收了全球变暖导致的多余热量的约10%。

海洋深处的变暖令人惊讶,研究人员提出了围绕南大洋的数种解释。一个因素可能是,南极洲附近的表层海水盐度下降,部分原因是夏季降水的增多。新鲜的表层水密度低,这是因为为海床提供的维持底部洋流的冷水减少。“没有足够的冷水供给,因此底部海水变热。”美国海洋和大气管理局(NOAA)海洋学家Gregory Johnson说。

一个基于第三轮船只考察初步数据的未发表研究也发现了类似趋势。但研究人员计划进行更频繁的测量,以便描绘更全面图景。如果计划中的国际项目能更进一步,这就有可能实现。最新的“Deep Argo”项目将布设大量测量深度远高于标准的浮游设备,这为科学家研究深水热量打开了全新的视角。

也有科学家正在使用系泊设备研究深海水流。自1999年起,Gordon就在维护威德尔海的一系列系泊设备。该海域也是研究表层冷水下降形成海底洋流的主要海域。他表示,在一些区域,深水在逐渐变“淡”,但长期趋势尚不明显。

“我们对底部海水如何变化及其对全球洋流的影响只知皮毛。”他说。

崖边漫步

2015年1月,海洋学家乘坐澳大利亚破冰船“南极光号”奔赴南极,他们拥有一个独特的机会。随着冰层的破裂,他们抵达了托滕冰川的边缘。卫星观测资料显示,该冰川在过去15年间出现变薄迹象。

研究人员使用了浮标和滑翔机研究托滕冰川附近和下部的海水,让他们惊讶的是,冰川前部的海水比底部冰点的水热3℃。

科学家已经发现温暖海水将西南极洲部分冰架切割开来。不过,澳大利亚南极气候和生态合作研究中心海洋学家Steve Rintoul表示,托滕冰川考察能提供第一手资料,从而研究同样影响东南极洲的相同过程,并提出该大陆巨大冰原寿命的新问题。

目前仍不清楚何种因素加热了表层洋流。有科学家认为是南大洋季风变化和温暖海水上涌所致。也有人聚焦新的表层水和一些区域的海冰变化。“包括我在内的所有科学家都有自己偏向的理论。”Gordon说,“但科学是:你观测的越多就越复杂。”

要找出答案可能需要更多的南极洲“原住民”的帮助。Meredith团队计划为韦德尔氏海豹装上传感器,以便在它们潜入冰架下觅食时收集海水数据。“这些海域十分重要但却难以测量,而海豹突击队能够穿越障碍。”Meredith说。

获得数据只克服了一半障碍,最终科学家还需要改进洋流在全球范围内传播热量、二氧化碳和营养物方式的模型。但无论如何,就像Russell所说的,“对海洋学家而言,现在正是好时期。”

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