地球/5d. 海洋環流（表層和深層）。
被困在冰中，美國船隻珍妮特正在被擠壓，它的木製船體在刺骨的寒冷中開裂斷裂。過去一個月，這艘船一直被困在北極冰中。船員們在混亂中將船隻從平坦的白色荒涼景觀上卸下。他們拖著船隻，驚恐地看著船隻的殘骸沉入冰冷的北冰洋的冰洞中。這次探險由他們的船長喬治·W·德朗率領，他是一名美國海軍軍官，正在尋找通往開放的北極海的通道。他的船沉入冰層，使他的船員在冰凍的海洋上孤立無援。德朗打開了他的船長日誌，記錄了沉船的位置，北緯 77°15′ 東經 155°0′，然後命令船員們拖著船隻和他們剩下的任何補給穿越廣闊的冰層。
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到達開闊水域後，他們將船隻駛入未結冰的水域，向南划槳。首席工程師喬治·梅爾維爾，一個沉默寡言的人物，留著長長的預言般的鬍鬚，帶領著一組倖存者。梅爾維爾在海軍中不斷提升，幫助建立了美國海軍學院，是一位參加過此類危險北極探險的資深人士。1873 年，他自願幫助營救不幸的北極星探險隊的倖存者，這是一次試圖到達北極的探險。現在，再次陷入類似的困境，喬治·梅爾維爾看著各種船隻在開闊的水域上顛簸，很快就在夜間分散開來。這是他最後一次看到德朗船長活著。他的小船上的船員在登陸西伯利亞北部海岸的勒拿三角洲後倖存下來。在接下來的一年中，梅爾維爾一直在尋找德朗，最後發現了他的屍體以及 11 名船員的屍體。他還發現了船長的日誌，記錄了他們到達北極的最遠距離。梅爾維爾在 1884 年出版的一本書中寫下了這次不幸的探險經歷以及尋找船長的過程。
同年，1884 年，他們的船隻殘骸在格陵蘭海岸被發現。儘管這艘船在西伯利亞北部沉入冰層，但它卻不知何故被極地洋流帶到了數千英里外的南格陵蘭。這艘船殘骸的長途航行，引發了挪威探險家弗裡蒂奧夫·南森另一個試圖到達北極的想法，他故意駕駛一艘汽船駛入冰層，讓冰層將這艘船儘可能地帶到北極。一旦被困的船隻在冰層中到達最北端，一支狗拉雪橇隊就可以從冰層中被困的船隻上 disembark，並在冰凍的海冰上走完剩下的幾英里，到達地球最北端。這是一個大膽的計劃，需要了解高北極地區的洋流和海冰運動。
汽船“弗拉姆”號從挪威出發，沿著西伯利亞北部海岸航行，然後轉向北方，直到遇到冰層。這艘船被困在冰層中，在北方和西方航行了三年，於 1895 年 3 月 14 日到達最北端，弗裡蒂奧夫·南森和希亞爾瑪·約翰森從冰層中被困的船隻上 disembark，乘坐狗拉雪橇向更北的地方進發。南森在他的 sextant 上記錄了北緯 86°13.6′，然後折返，無法到達北緯 90° 的北極。在接下來的一年中，這兩名男子沿著海冰向南旅行，奇蹟般地都倖存了下來。被困在冰層中的汽船及其船員從冰層中脫困，成功地航行回挪威。這次嘗試中沒有船員死亡，儘管沒有到達北極，但這次探險被認為是一次巨大的成功。南森是一名受過海洋動物學訓練的海洋學家，他回到家後致力於研究海洋。
弗裡蒂奧夫·南森仍然對海洋洋流如何在地球上移動感到困惑。他對冰山和擱淺的船隻如何被海洋帶走特別感興趣。在這次探險中，南森利用了跨極漂流，這是一種從西伯利亞海岸向西流向格陵蘭的洋流，它是由一個叫做博福特環流的大型圓形洋流驅動的，這個洋流環繞著北極。在海洋學中，環流是一個大型的環繞海洋表面的洋流。博福特環流圍繞著北極順時針旋轉，而地球則圍繞著極軸逆時針旋轉。南森推斷，海洋表面與地球旋轉方向相反的原因是，與固態地球不同，液態海洋（以及上方的氣態大氣）只是鬆散地附著在地球表面，地球旋轉的慣性和阻力導致液體落後於固態地球的運動。當南森的船被困在海冰中時，地球在其下方旋轉，而攜帶冰凍海冰和被困船隻的液態海洋似乎抵抗了這種運動，因此格陵蘭海岸被帶向船隻，因為固態地球在其下方旋轉。然而，南森意識到這不是真的，因為海洋和固態地球幾乎以相同的恆定速度和相同的慣性圍繞著軸線旋轉。冰和洋流應該與旋轉的地球同步旋轉。在這次探險中，南森注意到冰漂移的角度在盛行風向的右側 20° 到 40° 之間，他懷疑洋流受到盛行風向的影響。
南森聯絡了維爾赫姆·比約克內斯教授，他在烏普薩拉大學研究流體動力學。比約克內斯認為，洋流主要受地球運動產生的科里奧利力控制，但他建議他最優秀的學生，瓦格恩·瓦爾弗裡德·埃克曼進行博士研究。埃克曼與強壯的北極探險家南森截然相反。埃克曼是一位勤奮的學生，戴著厚厚的眼睛，身材矮小，性格溫和。他更喜歡數學方程式，並在當地合唱團演奏鋼琴和唱歌。
在以恆定速度旋轉的水碗中進行的流體動力學實驗表明，當從上方將彩色染料滴入水中時，旋轉碗（無加速度）會產生穩定效果。這是因為染料滴入旋轉水碗的點或位置與下方旋轉的碗具有相同的速度和慣性。事實上，觀察到染料的顏色形成了一個狹窄的柱狀，而不是相對於下方旋轉的碗旋轉。這似乎表明南森的北極探險壯舉是不可能的。然而，如果從側面將染料新增到旋轉的水碗中，由於科里奧利效應，染料會迅速螺旋形，因為染料在不同的半徑上移動，因此其速度由於這種水平運動而發生變化。
埃克曼懷疑在開闊的海洋中，各種力量正在作用於改變海水速度，這會使海水不穩定並導致其運動。埃克曼定義了兩個邊界，被稱為埃克曼層，第一個是海底。海底並不平坦，而是具有複雜的起伏地形，這個邊界是最堅固的，因為它承受著上方水的最大壓力。第二個埃克曼層是海面。這裡，海洋受到吹拂的風的影響，並且承受著最小的壓力。盛行風將受地轉流控制，地轉流受大氣壓梯度和科里奧利力的平衡影響；這些地轉風傾向於平行於氣壓梯度流動。風只會影響海洋最上層，也許只有10米深。這兩個埃克曼層之間的壓力梯度導致各層之間的速度變化，導致液體海洋的剪下，因為上層受風向影響，下層受旋轉地球影響。使用數學公式，埃克曼證明這種運動將導致海洋內部的旋轉或螺旋運動，被稱為埃克曼螺旋。
在海面，由於地轉風對海面的影響，水平運動的方向將最大。地轉風將驅動它們下面的海水垂直於科里奧利力的方向流動，然而，由於海水不受氣壓梯度的影響，它們將受到科里奧利力的更大影響，從而導致水流與盛行風向之間的角度在20°到40°之間（在北半球）。埃克曼螺旋和埃克曼開發的數學模型使我們能夠深刻地理解洋流的運動。
埃克曼螺旋有幾個重要的意義。首先，海面或近海面的海水流動最快，而深海海水流動性要小得多，並且更持久地固定在海底。海洋學家將海水迴圈在地球上的運動描述為兩種截然不同的模式。表層洋流的流動性要大得多，表層海水在地球上快速迴圈（幾個月到幾年），而深層洋流則要慢得多，深層水迴圈的長期模式持續數百年或數千年。埃克曼螺旋還證明了南森的大膽探險為何能夠成功，因為這艘船被困在海面的海冰中，它受到穿越跨極漂流的盛行地轉東風的影響，再加上科里奧利效應使博福特環流順時針旋轉。這導致表層海水和海冰以20°到40°的角度相對於盛行風向流動，導致南森幾乎成功地到達北極。
上升流和下降流
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埃克曼螺旋有助於理解海水如何垂直穿過水柱運動，尤其是在沿大陸邊緣的海岸線附近的海水中。當風向驅動洋流朝向或遠離海岸線時，就會發生這種上升流和下降流。如果盛行風吹拂並導致表層洋流從海洋朝陸地運動，並且這些表層洋流垂直於海岸線，那麼表層海水將導致海水下降，因為海水在到達海岸時被推向更深處。然而，當盛行風從陸地吹向海洋，表層洋流垂直於海岸線朝相反方向運動時，就會發生上升流，因為表層海水將被推離海岸線，將更深處的海水帶到海面。然而，通常情況下，盛行表層洋流並不僅僅垂直於海岸線，導致水流稱為沿岸流。沿岸流取決於盛行的傾斜風向，該風向輸送水和沉積物，例如沿著海岸平行於海岸線的沙灘沙。當沿岸流在相反的方向匯聚，或者海浪出現斷裂時，就會形成離岸流，將表層海水從岸邊帶走並流向海洋。離岸流對游泳者來說非常危險，因為強大的水流會將毫無戒心的游泳者帶離岸邊。重要的是要注意，由埃克曼研究導致的海水上升流和下降流在整個海洋中都相對較淺，主要發生在島嶼和大陸的淺水海岸線附近。深淵帶最深的海水需要一種不同的機制來將這些深海海水升到海面或降到海面，這將在後面討論。然而，埃克曼的發現和數學模型對於理解全球表層洋流非常重要。
表層洋流
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北半球的表層洋流將順時針方向向右旋轉，而南半球的表層洋流將逆時針方向向左旋轉。最著名的表層洋流之一是墨西哥灣流，它從西印度群島延伸到加勒比海，沿著美國和加拿大東海岸向北，並將溫暖的赤道海水帶到不列顛群島和歐洲。墨西哥灣流是更大的北大西洋環流的一部分，該環流在北大西洋以順時針方向旋轉。墨西哥灣流將溫暖的海水帶到西歐的海岸，導致這些地區的氣候變得溫暖。加那利寒流從西班牙沿著非洲海岸向南流動，導致較冷的表層海水流向赤道，在那裡，洋流與北赤道洋流相遇，完成了北大西洋環流的完整迴路。在南大西洋，表層洋流以逆時針方向旋轉。沿著南赤道洋流向西流動，然後沿著巴西海岸向南流動，穿過南大西洋向東流動，然後沿著奈米比亞海岸向北流動，以逆時針迴路，作為南大西洋環流。在北大西洋環流和南大西洋環流的中心，表層洋流保持相當停滯。早期的水手將北大西洋環流的中心稱為馬尾藻海，之所以得名是因為大量生長在相對停滯的海水中、屬於馬尾藻屬的棕色海藻。如今，這些北大西洋和南大西洋海域被一個更加不祥的名字所知，即垃圾帶。傾倒在海洋中的塑膠和其他垃圾在這些海域中積累，在那裡它們形成了由微塑膠聚乙烯和聚丙烯組成的巨大漂浮物，這些塑膠和聚丙烯構成通常被傾倒並被帶入海洋的家用物品。
在北大西洋環流和南大西洋環流之間有一個區域，水手們在歷史上將其稱為赤道無風帶，它位於大西洋的赤道緯度。這裡，表層海水受到科里奧利力的影響並不大，因為海水與地球自轉方向相同。這導致了被稱為赤道逆流的現象。赤道逆流將表層海水從西向東輸送，與將水手從東向西帶到赤道附近的東信風方向相反。赤道逆流是熱帶輻合帶（ITCZ）風的結果，這些風形成一個低壓匯聚帶，因為大氣中的空氣由於這些溫暖水域中太陽熱量的增加而上升。
帆船會避開這些區域，因為這些區域會顯著減緩依賴洋麵洋流和盛行風的帆船航行速度。從歐洲前往北美的水手會沿著該區域北部的東風帶航行，而返回歐洲的水手則會沿著灣流的西風帶航行，在返回歐洲的航程中，他們會比前往北美的航程更北地穿越北大西洋。這導致了早期跨大西洋貿易路線沿著從西印度群島向北至紐約的海岸線航行，從而導致貨物從南部沿著北美東部港口運往北部。雖然加勒比海島嶼是歐洲和非洲商人穿越大西洋後在北半球到達的第一批地方。如今的船隻受洋麵洋流和盛行風的影響較小，因為它們擁有驅動船體下方螺旋槳的發動機。然而，洋麵洋流確實決定了船舶貨物丟失的流向，並且對拯救處於海洋和洋流擺佈的遇難水手很有幫助。
太平洋的洋麵洋流與大西洋類似，但規模更大。同樣，也有兩個大型環流。在北太平洋，**北太平洋環流**是一個順時針方向的洋麵洋流。暖赤道水沿著亞洲海岸向北移動，進入朝鮮和日本，形成**日本暖流**。該洋流與灣流一樣，是一股向北移動的暖流，它穿過北太平洋，然後沿著北美西太平洋海岸向南流動，被稱為**加利福尼亞洋流**。暖赤道水流經北太平洋的運動導致北美北部海岸線也出現類似的升溫。它還會將漂浮的垃圾從日本海岸帶到加拿大和美國太平洋西北部的海岸。儘管太平洋比大西洋更大，但海水溫度略有下降。然而，太平洋西北部的洋麵海水比在如此高緯度地區通常預期的溫度要高。例如，加拿大溫哥華（北緯 49.30°）的年平均氣溫為 11.0 °C，而加拿大哈利法克斯（沿北大西洋海岸）（北緯 44.65°）僅為 6.5 °C，儘管其緯度更南。這些溫暖的洋麵洋流可能在過去的冰河時期使北美太平洋海岸的大部分地區免受冰雪覆蓋，當時大型冰蓋覆蓋了加拿大內陸。現在正在冷卻的海水沿著美國太平洋海岸向南流動，導致南加州的氣候變得更涼爽，更溫帶，這比洛杉磯等城市更南的緯度所預期的氣候要涼爽。
**南太平洋環流**的旋轉方向與北方相反，為逆時針方向。這導致暖赤道海水流入南澳大利亞和紐西蘭海岸，為這些地區帶來暖水。**東澳大利亞洋流**與日本暖流和灣流一樣，為這些地區（包括大堡礁）一直到悉尼港的南部帶來暖水。然後，洋麵環流橫跨南太平洋，但在被推向南極繞極流的過程中，水溫會下降，秘魯洋流沿著南美洲西海岸帶來冷水，一直延伸到加拉帕戈斯群島。儘管緯度位於赤道，但由於秘魯洋流較冷，加拉帕戈斯群島附近的海水與其他赤道海水相比，相對較冷。企鵝在島嶼的岩石海岸線上繁衍生息，這是它們最北的範圍。與大西洋一樣，**赤道逆流**在 ITCZ 地帶向東流動，也導致太平洋出現無風帶。
印度洋與大西洋和太平洋不同，大部分位於赤道以南，因此只有一個大的洋麵環流，它以逆時針方向旋轉。由於 ITCZ 地帶的存在，印度南部海岸附近有一條赤道逆流向東流動。該區域每年都會向印度次大陸北部移動，導致每年出現印度季風雨。東非和馬達加斯加享受著類似於灣流、日本暖流和東澳大利亞洋流的溫暖熱帶洋流，使這些地區也容易受到颱風和颶風的襲擊。
最後一個洋麵洋流是迄今為止最重要的一個：**南極繞極流**，也稱為**西風漂流**，環繞著南極洲海岸。我們討論的大多數洋流都是地球自轉以及大陸排列的結果，大陸阻擋了海水向東流動，導致了上述許多環流。南極繞極流向東流動，由於其路徑上沒有主要的陸地，因此這種流動會永久持續下去，永遠環繞著南極洲海岸。這些海水保持寒冷，與其他洋流相比，溫度非常低，因為洋麵洋流不會迴圈到地球較溫暖的赤道地區。
南極繞極流的出現發生在漸新世時期開始時，即 3390 萬年前，當時將南美洲和南極洲隔開的德雷克海峽開放，使洋流能夠在兩大陸之間流動，並阻止了寒冷的南極海水向北流動。相反，從那時起，南極繞極流顯著冷卻了南極洲，導致大陸上形成了巨大的冰蓋，並使其成為今天不適宜居住的寒冷之地。南極繞極流對地球產生了全球性的影響，導致全球氣溫下降，最終導致了大冰河時代的開始。在此事件發生前的數百萬年，曾經存在一個不再存在的**全球赤道流**，它穿過北美和南美，並延伸到古代海路（被稱為特提斯海），該海路將非洲和歐洲分開，並覆蓋了中東。這種赤道洋流導致地球在始新世時期（大約 5000 萬年前）出現了一些最溫暖的全球氣候。洋麵洋流對區域和全球氣候有重大影響，因為它們透過對流，將溫暖和寒冷的海水帶到地球表面的不同地方。
海洋的密度、鹽度和溫度
[edit | edit source]密度是指物質單位體積的質量，或者是指物質的緊密度。比重是指物質相對於純水的浮沉程度，純水的比重為 1。比重小於 1 的液體會在純水杯中漂浮，而比重大於 1 的液體則會沉入純水杯中。海水由於含有鹽和溶解顆粒的混合物，平均比重在 1.020 到 1.029 之間。海水的密度使用比重計測量，比重計是一個玻璃管，在管子上連線著一個標準重量，並連線一個刻度，用來指示重量在液體中下沉的深度。如果你將海水和淡水混合，兩者很可能會混合在一起，因此很難判斷哪種液體漂浮在另一種液體之上。液體之間密度差越大，越有可能將它們疊加在一起，方法是將密度較小的液體漂浮在密度較大的液體之上。但是，如果你嘗試將密度較大的液體疊加在密度較小的液體之上，這兩種液體只會混合在一起。不同密度液體的柱狀體被稱為分層，地層表示層，因此分層海洋是指根據密度差異劃分為獨特層級的海洋。
水的密度不僅與水中溶解的鹽量有關，還與水的溫度有關。水越冷，密度就越大，雖然在 4°C 到 0°C 之間（接近冰點），水在結冰時密度會變小。
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海水密度和鹽度之間的梯度稱為**鹽躍層**。在海洋的垂直剖面圖中，鹽度隨著深度增加而增加，因為鹹水密度更大，會下沉。海水密度和溫度之間的梯度稱為**溫躍層**。在海洋的垂直剖面圖中，溫度隨著深度增加而降低，因為較冷的水（高於 4°C）密度更大，會下沉。最密集的海水既冷又鹹，而密度最小的海水既熱又淡。密度隨深度的梯度被稱為**密躍層**。pycnos 在古希臘語中表示稠密。密躍層是顯示海水密度隨深度變化的圖表。如果海洋分層成不同密度的層級，則圖表將顯示斜率，並且在每個密度增加的層級處都有臺階。但是，如果海洋混合均勻，密躍層將是一條垂直的直線，表示密度隨深度均勻。在前面的章節中，洋麵洋流以及上升流和下降流受地轉風的影響，以及導致海水淺層運動的表面過程。但是，埃克曼的研究還表明，深度大於 100 米的深層海水流動性會降低，並且不會受到僅作用於海洋表面的這些力量的影響。深層海水移動非常緩慢，以至於海洋學家正在爭論這種深層海水的實際流動速度，因為它在繞地球運動。
地球深層海水的迴圈是一個緩慢而溫和的過程，它涉及大部分海洋的總量，並且是海水密度隨深度變化的動態變化的結果。這種密度變化導致了洋麵和深層海水的混合。
海洋，或者說地球上任何大型水體，是如何分層成不同密度的？想象一個大型湖泊，它充當一個水庫，周圍有注入新鮮無鹽水的河流。在夏季末，注入湖泊的淡水流量會減少，但在冬季末和春季初，由於徑流或雨季，流量會增加。在夏季，炎熱的太陽會加熱湖泊表層，導致蒸發，而下層水變得更鹹，但仍然保持溫暖。隨著時間的推移，這樣的湖泊會分層成不同密度的層。在夏季，表層水會變得更鹹，但更溫暖，使其漂浮在下面密度更大的水之上。然而，隨著秋季氣溫下降，鹹水密度會增加。在春季，河流中注入的密度較低的淡水會漂浮在這已經在湖中的鹹冷水上。這增加了一層新的密度較低的淡水，並將水堆疊在上面。隨著時間的推移，湖泊會嚴重分層，冷/鹹的密實層會保持在湖泊深處，而暖/淡的密度較低的水會保持在頂部，每次注入淡水都會增加一層。
什麼過程會導致這兩層混合？如果在冬季，湖泊被冰覆蓋，表層水會變得又冷又鹹。鹽來自冰在湖泊頂部形成時，冰中不含鹽，使冰層下方的層略微更鹹，而且非常冷。湖泊上的冰層會導致這種鹹/冷的密實水疊加在暖/淡的密度較低的水之上，最終導致表層水下沉，深層水上湧。與無冰水體相比，冰覆蓋的水體包含更好的水體混合物。因此，地球寒冷地區的水體比溫暖的熱帶地區的水體分層程度更低。湖泊中可能發生的另一件事是深層水以某種方式被加熱。這可能發生在火山或岩漿加熱底部水時。當這些密實的深層水被加熱時，它們密度會降低並上升。這很可能是喀麥隆非洲尼奧斯湖災難發生的原因，當時深層水冒泡，釋放出大量的二氧化碳氣體，導致許多人喪生。
對世界各地不同湖泊中的躍層進行的測量表明，冬季被冰覆蓋的較冷湖泊比保持無冰的較溫暖湖泊混合得更好。相同的深層水與表層水混合過程可以應用於整個海洋，這更復雜，因為世界海洋更相互連線，並跨越整個地球表面。海洋學家已經繪製了年度溫度和鹽度的差異，以幫助理解這一複雜過程。
對整個海洋測量的年度表層溫度表明，最溫暖的水域位於赤道附近，最冷的水域位於兩極附近。然而，對整個海洋測量的表層鹽度表明，最鹹的表層水域位於大型海洋環流中，例如北大西洋和南大西洋環流，這些是開放海洋中最鹹的區域。這是因為這些海域更靜止，並且位於降雨較少的乾旱地區。赤道附近的 ITCZ 區域貢獻了大量的淡水雨水，並限制了赤道附近的蒸發。被陸地包圍的大型封閉海洋水體，如地中海和紅海，是海洋中鹽度最高的區域。海洋中一些鹽度最低的區域位於河流向海洋大量注入淡水的地區附近，特別是在東南亞。兩極附近的區域也從融水注入淡水。在冬季，北極和南極海洋極地地區擴充套件的海洋冰對於表層水和深層水混合非常重要。如果這些水域已經因蒸發而變得鹹，混合可以增強。在北大西洋，被困在北大西洋環流中的鹹表層海水隨著墨西哥灣流被推向格陵蘭島北部。如果這些鹹的暖水隨後被冷卻並覆蓋上海冰，這些水就會下沉，導致北大西洋的表層水和深層水混合。這推動了所謂的深層海水熱鹽環流。熱鹽環流是全球海洋的廣泛深層水迴圈，儘管這一運動的具體過程在海洋學家之間存在爭議。北大西洋是冷鹹水下沉的區域，這是由於大西洋中的鹹水被推向北部，並受到海冰覆蓋的影響，尤其是在北半球的冬季。這種下沉的冷鹹海水攪動了北大西洋，並有助於驅動墨西哥灣流，將更多溫暖的鹹水向北拉，以冷卻並隨後下沉。北大西洋是世界上海洋分層程度最低的區域，導致水體混合良好，富含氧氣。
來自格陵蘭島的冰芯記錄了一個時期，即 12,000 年前，熱鹽環流可能發生了戲劇性的變化。這段時期被稱為新仙女木事件，因為湖泊中的沉積物記錄了適應寒冷的仙女木北極花的孢粉迴歸，這種花更喜歡較冷的氣候。在最後一個冰河時代，這種花生長在整個北歐和格陵蘭島，直到大約 14,000 年前，隨著氣候變暖，這種花從這些地區消失。然而，這種花的孢粉在大約 12,000 年前的湖泊沉積物中再次出現，表明在再次從這些地區消失之前，寒冷氣候持續了幾百年。據推測，北大西洋的這段寒冷氣候時期是由來自陸地的淡水大量湧入導致熱鹽環流發生改變所致。這一理論認為，大量的淡水湧入了北大西洋，特別是來自拉布拉多海和聖勞倫斯海峽，這些水域排幹了覆蓋五大湖和加拿大大部分地區的巨大冰蓋。這種淡水的湧入導致北大西洋變得更加分層，並導致墨西哥灣流減弱，到達北歐的暖海水減少。這導致較冷的氣候持續，直到巨大冰蓋的融化結束，這時熱鹽環流恢復，導致北歐再次出現較溫暖的氣候。熱鹽環流通常被描繪成一條涉及整個世界海洋的流動帶，但海洋學家們對這種環流模式在全球範圍內的實際運作方式存在爭議。最近的研究表明，環繞南極洲的深層海水是由於北大西洋的攪動而被向上拉起的。這些南大洋的水在 12 月/1 月最溫暖，隨著氣溫升高而上升，被北大西洋拉起，而北大西洋在這幾個月是最冷和最鹹的。在 7 月/8 月，北大西洋恢復到最溫暖的水平，而南極洲周圍的海水處於最冷的水平，並被海冰覆蓋。南極洲周圍的海冰中形成了冰間湖，這些區域是薄冰與開闊水域混合在一起的區域，比給定溫度下的預期更薄，因為這些區域經常包含更鹹的水。這導致冷/鹹的水在 7 月/8 月沿著南極洲海岸下沉。就像蹺蹺板一樣，環繞南極洲的深層海水每年隨著季節而上下波動。這些南極底層水混合良好，富含氧氣和氮氣。海冰對於世界海洋的混合至關重要，生命已經適應了這些極地地區深層海水的年度上升和下降。當更深的海洋水在這些極地地區上升時，它們會帶上氮氣，這有利於在表層透光層生長的浮游植物。在夏季，浮游植物大量繁殖，吸引了以浮游植物為食的磷蝦和魚類。這些魚群和磷蝦在富氧的冷水中繁盛，併為遷徙的鬚鯨提供食物，鬚鯨使用鬚鯨過濾掉水中的磷蝦。地球上最大的動物藍鯨 (Balaenoptera musculus) 進化出來，利用了由海洋大部分割槽域被海冰覆蓋而產生的深層海洋環流模式。
地球海洋曾經存在過一段時間，沒有被冰覆蓋，特別是在大氣中二氧化碳含量豐富的時期。沒有海冰形成的情況下，深層海水混合是可能的，並且發生在來自受限於陸地並受到增強蒸發影響的溫暖海域的鹹水進入較冷的開放海洋水域時。這種現象發生的一個例子是直布羅陀海峽附近，地中海的溫暖鹹水進入較冷的大西洋。熱量比鹽擴散得更快，熱量比鹽的相對更快傳遞導致鹹水比鹽擴散得更快地冷卻，因此在海洋表面附近變得不穩定。這種鹹/冷的水密度更大，會下沉，形成“鹽指”，這是一種混合了深層水和表層水的垂直攪動水體。這些區域富含氮氣、磷，並且是相當充氧的海洋水體。在地球漫長的歷史中，這些區域是生物豐富海洋生命的責任所在，儘管存在一段時間海洋全年沒有被冰覆蓋。這在猶他州東部的岩石中可以找到一個例子。大約 2.7 億年前的賓夕法尼亞紀和二疊紀時期，一個陸地受限的海域存在於現在的摩押，這個海域非常鹹，但向西北方向通往更大的開放海洋。來自這個海域的鹹水的湧入導致了海洋混合良好，儘管當時的氣候要溫暖得多。這個時代的海洋岩石中發現了大量的化石，以及用於農業肥料的磷的厚層沉積物。
如果地球海洋全年沒有被冰覆蓋，並且沒有來自像地中海這樣的陸地受限海域的鹹表層水的湧入，那麼海洋會迅速變得高度分層。高度分層的海洋意味著深層海水和表層海水永遠不會混合，氧氣含量僅限於海洋表面。地球上曾經發生過這樣的時期，特別是在中生代，恐龍在比現在溫暖得多的地球上漫遊。這些海洋容易出現缺氧，即氧氣的缺乏，導致“死亡區域”，魚類和其他需要氧氣呼吸的動物在那裡死亡。墨西哥灣是容易出現缺氧的海洋水域的一個例子。在夏季末的炎熱天氣裡，墨西哥灣的表層水會蒸發，導致鹹表層水，這些水會在冬季開始時下沉，但仍然保持無冰。春季，來自密西西比河的大量淡水會漂浮在密度更大的海水之上，導致海洋高度分層。墨西哥灣的深層海水往往缺乏氧氣，因為它們無法與表層海水（以及氧氣大氣）混合，這些深層缺氧水被鎖定在墨西哥灣盆地的深處，隨著春季淡水的年年湧入以及夏季末溫暖的氣溫下的蒸發而持續存在。
深層海水和表層海水災難性混合
[edit | edit source]1961 年，詹姆斯·P·肯尼特騎著摩托車，穿越紐西蘭南島崎嶇的山地，執行著一項特殊的任務——尋找岩石。從小在紐西蘭惠靈頓長大的肯尼特，就熱衷於收集來自紐西蘭海灘和山脈的岩石、貝殼和化石。18 歲時，他前往大學深造，雖然他在書本中學習了地質學的全部知識，但由於當地學校沒有開設這門課程，他渴望在大學裡學習更多。大學入學後，18 歲的他開始在地質實驗室工作。與生物或化學實驗室不同，地質實驗室是一個混亂骯髒的地方，岩石在鋸子上被切片和切割；裝滿沉重岩石的箱子在箱子和抽屜裡積滿了灰塵；實驗服和燒杯被岩石研磨機、錘子和鑿子所取代。肯尼特對被稱為有孔蟲的微小海洋化石產生了興趣，這些化石是透過切片或研磨岩石進行研究的。有孔蟲是單細胞生物，它們生活在海底，以從透光層沉下來的有機碎屑為食。它們利用碳酸鈣形成保護性外骨骼或外殼（測試）。作為常見的化石，這些微小的化石在海底積累形成厚厚的沉積物，最終形成海洋石灰岩。用於建造吉薩金字塔的石灰岩，實際上就充滿了這些單細胞動物的化石。每個岩石樣本可以產生數千個這些微小的化石，並揭示關於過去海洋的重要線索，例如溫度、鹽度、酸度和長期水深。當肯尼特在紐西蘭蜿蜒的公路上飛馳時，他正在尋找一種任務：收集海洋沉積的岩石，這些岩石跨越了導致南極洲巨大冰蓋形成的主要氣候轉變時期。由於其與南極洲的臨近，紐西蘭成為研究這種氣候變化及其對古代海洋岩石的影響的絕佳地點，這些岩石如今已從山脈中侵蝕出來。肯尼特還很年輕，甚至還沒有成為研究生，但他在實驗室的經歷讓他以完全不同的視角看待世界。他渴望進行自己的研究，並將時間花在尋找來自不同時期的岩石上，記錄中新世晚期南極海冰的擴張。他的熱情引起了導師和指導老師的注意，並於 1962-1963 年受邀加入惠靈頓維多利亞大學南極考察隊。這次考察的目的是繪製羅斯海以南的冰凍南極洲橫斷山脈，並收集岩石樣本。對於肯尼特來說，這次考察改變了他的生活，但他繼續記錄著數百萬年來海洋的變化是如何導致了南極洲不適宜居住的寒冷氣候的，而這種氣候是他親身經歷的。1966 年，肯尼特和他的妻子搬到了美國，成為一個新研究領域的先驅——古海洋學，這是一個他為古代海洋研究創造的詞語。肯尼特對來自正在進行的近海鑽探沉積物岩心的新研究感到興奮。這些岩石岩心包含了數百萬年來微小的有孔蟲化石的詳細記錄，揭開了每個地點海洋的古代記錄。
在 20 世紀 70 年代，肯尼特開始與尼古拉斯·沙克爾頓爵士合作，他是南極探險家歐內斯特·沙克爾頓的侄孫。兩人都專注於更好地瞭解南極環極流的發展及其在過去 4000 萬年中如何導致南極大陸的冰凍。與肯尼特一樣，沙克爾頓也研究了海底沉積物，測量微小有孔蟲的氧同位素，以利用哈羅德·尤里在 20 世紀 40 年代開發的科學方法推斷過去的海底溫度。從南極洲海岸附近獲取鑽探樣本是一項艱鉅的任務，但與騎著摩托車環遊紐西蘭時收集的單個岩石樣本不同，鑽取的岩心揭示了數百萬年來沉積在海底的沉積物的更完整記錄。在 20 世紀 80 年代，兩人都參與了由美國國家科學基金會資助的 JOIDES Resolution 鑽探計劃，該基金會也為美國政府的南極洲探險提供資金。該鑽探計劃成功地穿透了數百萬年的海底沉積物，提取了岩心，這些岩心揭示了南極洲海岸附近 9000 萬年海洋底部沉積的歷史。
該團隊既渴望瞭解最近南極洲冰川化的記錄，也渴望在海洋岩心中找到代表大型恐龍滅絕時刻的深層。作為有孔蟲方面的專家，肯尼特及其同事洛厄爾·斯托特在回收的沉積物岩心中發現了一個有孔蟲發生劇烈變化的點。大型健康的有孔蟲突然在岩心中消失，取而代之的是幾乎沒有有孔蟲的紅色泥土。這一層也不對應於殺死恐龍的滅絕事件，而是發生在數百萬年後的古新世末期。沉積物的氧同位素表明，海底在這個時期變得非常溫暖。肯尼特和斯托特在 1991 年發表了一篇簡短的論文，描述了大約 5600 萬年前南極洲附近深海水的災難性變暖，但很快其他科學家在世界各地的岩石和岩心中觀察到相同的特徵。在埃及盧克索，從用於建造金字塔的同一塊石灰岩中，地質學家觀察到岩石中記錄的同一滅絕事件，這些岩石的年代為 5600 萬年，而在懷俄明州北部，地質學家描述了在同一時期記錄在比格霍恩盆地的全球變暖事件，該事件影響了哺乳動物和植物。5600 萬年前發生了什麼，導致深海水域急劇變暖？這一事件被命名為 PETM（古新世-始新世熱最大值）。在肯尼特和斯托特發表論文後的 30 年裡，海洋學家已經意識到，存在著深層和表層海水災難性混合的時期。
理論是這樣的：5600 萬年前，北冰洋與北大西洋僅有狹窄的連線。氣候比今天溫暖得多，溫暖到北冰洋全年都保持無冰狀態，儘管冬季由於北極的高緯度，白天很短，但仍處於黑暗狀態。河流會在春季排放到北冰洋，帶來淡水。由於氣候相對寒冷，考慮到其地理位置，蒸發量很小。每年淡水迴圈會疊加在較冷的鹹水中，導致水體高度分層。今天這種高度分層水體的例子是黑海，但規模要大得多。每年北極都會經歷漫長的夏季白天，有充足的陽光供浮游植物進行光合作用，然後是極短的冬季白天，幾乎沒有陽光。每年這些藻類和其他光合生物的繁殖會在北冰洋分層的深海海底積累。清道夫細菌會將這些有機物轉化為甲烷，這些甲烷會被困在冰冷的海底。這是一顆定時炸彈。
大約 5600 萬年前，一系列巨大的海底火山爆發在現在的冰島及其北部北冰洋附近的海底爆發。變暖的深海水域導致這些水域上升，因為暖水密度較低。甲烷在較高溫度下也會發生昇華。昇華是物質從固態直接轉變為氣態的過程。這種甲烷氣體從北冰洋的深海海底冒泡，釋放出大量的甲烷進入大氣，甲烷是一種強效的溫室氣體。大氣中很快富含二氧化碳，因為甲烷與大氣中的氧氣發生反應。突然之間，全球氣候變得越來越熱，海洋進一步變暖。這種失控的全球變暖事件開始使全球海洋酸化，殺死了肯尼特一生研究的大多數小型碳酸鹽外殼動物。這種海洋倒置，即深海水域上升到地表，似乎導致了廣泛的缺氧（死亡區）、甲烷釋放以及海洋生物因海洋酸化而大量滅絕。這種深水倒置事件可能是失控的全球變暖和儲存在海底的大量固體甲烷不穩定的結果，通常由大規模火山事件引發。深海水的升溫會導致水上升到地表，這會對地球產生深遠的影響，時間跨度很短。當今世界海洋的熱鹽環流阻止了這種情況發生（透過將表層海水向下移動到北大西洋），但許多海洋學家擔心最近的人為全球變暖，這會導致另一次海洋倒置，即深層海水上升到地表。就像洛夫克拉夫特的短篇恐怖小說《克蘇魯的呼喚》一樣，深海是一個可怕而神秘的地方，在某種意義上，它可以摧毀世界，如果它願意的話。