地球行星/5e. 深海環流
密度 是指物質每單位體積的質量，或者說物質的緊密度或密集程度。 比重是指物質相對於純水的浮力或沉力，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 的液體則會沉入杯底。 海水由於含有鹽類和溶解的顆粒，其平均比重在 1.020 到 1.029 之間。 海水的密度使用 比重計 測量，比重計是帶有一個標準重量的玻璃管，該標準重量連線到一個刻度，指示重量在液體中下沉的深度。 如果你混合海水和淡水，它們很可能會混合在一起，難以判斷哪一個浮在另一個上面。 液體之間密度差越大，越有可能將它們疊放在一起，將密度較小的液體浮在密度較大的液體上面。 但是，如果你試圖將密度較大的液體疊放在密度較小的液體上面，它們只會混合在一起。 一列不同密度液體的柱被稱為分層，地層是指層，所以分層海洋是指根據密度差異劃分的海洋。
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，密度越大，但介於 4°C 到 0°C 之間，接近冰點時，水會隨著結冰而變得密度更低。
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海水密度和鹽度之間的梯度稱為 鹽躍層。 在海洋的垂直剖面上，鹽度隨著深度增加而增加，因為鹹水密度更大，會沉入底部。 海水密度和溫度之間的梯度稱為 溫躍層。 在海洋的垂直剖面上，溫度隨著深度增加而降低，因為更冷的水（高於 4°C）密度更大，會沉入底部。 最密的海洋水是冷而鹹的，而最不密的海洋水是熱而淡的。 密度隨著深度的變化梯度被稱為 密度躍層。 Pycnos 在古希臘語中意為“濃密”。 密度躍層是顯示海水密度與深度關係的圖表。 如果海洋分層成不同密度的層，圖表將顯示一個斜坡，在每層密度增加處都有一個臺階。 但是，如果海洋充分混合，密度躍層將是一條垂直的直線，表示密度隨著深度保持一致。
在前面的部分中，表層洋流、上升流和下降流受 地轉風 以及導致淺層海水運動的表面過程的影響。 然而，埃克曼的研究 還表明，深層海水，深度超過 100 米的海水，將保持流動性較低，不會受到僅作用於海洋表面的這些力的影響。 深層海水運動非常緩慢，以至於海洋學家在爭論這種深層海水在地球上移動的真實速度。
地球上的深層海水環流是一個緩慢而溫和的過程，涉及到海洋大部分總量，是海水密度隨著深度變化而產生的動態變化的結果。 這些密度變化導致表層海水和深層海水混合。
地球上的海洋或任何大型水體是如何分層成不同密度的層的呢？
想象一個大型湖泊，它是一個淡水庫，周圍河流流入其中。 夏季晚些時候，流入湖泊的淡水流量從周圍河流減少，但在冬季晚些時候和春季早期，由於徑流或雨季，流量增加。 在夏季，炎熱的太陽加熱湖泊的頂層，導致 蒸發，而下面的水層變得更鹹，但仍然溫暖。 隨著時間的推移，這樣的湖泊將分層成不同的密度層。 在夏季，表層水將變得鹹，但更暖，使其能夠漂浮在下面的密度更大的水層之上，但是，隨著秋季氣溫下降，鹹水的密度會增加。 在春季，來自河流的密度較小的淡水流入將漂浮在這個已經存在於湖泊中的鹹而冷的水層之上。 這增加了密度較小的淡水的新一層，並將水疊加在上面。 隨著時間的推移，湖泊將嚴重分層成冷/鹹的密集層，仍然存在於湖泊的深處，而暖/淡的密度較小的水層仍然存在於頂部，每次有淡水輸入都會如此。
什麼過程會導致這兩層混合？ 如果在冬季，湖泊表面覆蓋著 冰，那麼表層水將變得又冷又鹹。 鹽的來源是，當湖泊表面結冰時，冰中不會含有鹽，使冰層下方的水層略微鹹，並且非常冷。 湖泊表面的冰層覆蓋會導致這種鹹/冷的密集水層覆蓋在暖/淡的密度較小的水層之上，這最終會導致表面的水沉入底部，而深層水上升。 覆蓋著冰的的水體與沒有冰覆蓋的水體相比，水體混合得更好。 結果是，地球寒冷地區的河流比溫暖的熱帶地區的河流分層程度低。 另一個可能發生在湖泊中的事件是，如果深層水以某種方式被加熱。 當火山或岩漿加熱底部水層時，就會發生這種情況。 當這些密集的深層水被加熱時，它們變得密度更低，並上升，這很可能發生在 喀麥隆非洲的尼奧斯湖災難 中，當時深層水冒泡，釋放出大量的二氧化碳氣體，導致許多人死亡。
對全世界不同湖泊密度躍層的測量表明，冬季被冰覆蓋的較冷湖泊比保持無冰的較暖湖泊混合得更好。 與表層海水混合的相同過程可以應用於整個海洋，但由於 世界海洋 更加互聯，並覆蓋整個地球表面，因此更加複雜。 海洋學家 繪製了年度溫度和鹽度的差異，以幫助理解這一複雜過程。
整個海洋的年平均表面溫度測量結果顯示，赤道附近的海水最暖，而兩極附近的海水最冷。然而，整個海洋的表面鹽度測量結果顯示，最鹹的表面海水位於大型海洋環流中，例如北大西洋和南大西洋環流，它們是公海中鹽度最高的地區之一。這是因為這些海洋區域比較平靜，而且位於降雨量較少的乾旱地區。赤道附近的ITCZ 會帶來大量的雨水，從而限制了赤道附近的蒸發。陸地包圍的大片封閉海域，例如地中海和紅海，是海洋中鹽度最高的地區之一。海洋中鹽度最低的地區位於河流向海洋大量注入淡水的地區，特別是東南亞。兩極附近的地區也會從融化的冰水中獲得淡水。海冰在冬季會擴充套件到北冰洋和南冰洋的極地地區，對錶層和深層海水混合至關重要。如果這些海水因蒸發而變得更鹹，則混合作用會增強。在北大西洋，被困在北大西洋環流中的鹹的表層海水會隨著墨西哥灣流向北推移，一直到格陵蘭島。如果這些鹹的暖海水隨後冷卻並被海冰覆蓋，這些海水就會下沉，導致北大西洋的表層和深層海水混合。這推動了所謂的溫鹽環流，它使深層海水流動。
深層海水的溫鹽環流
[edit | edit source]溫鹽環流是全球海洋的一種廣泛的深層海水迴圈，儘管海洋學家對這種運動的具體過程存在很大爭議。北大西洋是冷鹹海水下沉的區域，因為大西洋中的鹹水被推向北方，並被海冰覆蓋，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的海水，並有助於驅動墨西哥灣流，將更多溫暖的鹹水向北推移，使其冷卻並隨後下沉。北大西洋是世界上海水分層最少的地區，因此海水混合良好，富含氧氣。
來自格陵蘭島的冰芯記錄了1.2萬年前的一段時期，這段時期溫鹽環流可能發生了巨大的變化。這段時期被稱為新仙女木事件，因為湖泊沉積物中記錄了耐寒的北極山柳的花粉迴歸，這種植物更喜歡寒冷的氣候。在最後一次冰河時期，這種植物在整個北歐和格陵蘭島生長，直到大約1.4萬年前，隨著氣候變暖，這種植物從這些地區消失。然而，這種植物的花粉在大約1.2萬年前的湖泊沉積物中再次出現，表明在幾百年內出現了寒冷氣候的迴歸，然後再次從這些地區消失。據推測，北大西洋出現這種寒冷氣候可能是由於陸地淡水的湧入導致溫鹽環流發生了改變。這種觀點認為，大量的淡水湧入北大西洋，特別是來自拉布拉多海和聖勞倫斯灣，這些海域排洩了覆蓋五大湖和加拿大大部分地區的巨大冰蓋。這種淡水湧入導致北大西洋分層加劇，導致墨西哥灣流減弱，到達北歐的暖海水減少。這導致寒冷氣候盛行，直到巨大冰蓋融化結束，此時溫鹽環流恢復，導致北歐再次出現溫暖氣候。
溫鹽環流通常被描繪成一條流動的帶子，它涉及到整個世界海洋，但海洋學家們對這種迴圈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這種翻騰而被拉起來的。這些南大洋海水在12月/1月最溫暖，隨著氣溫變暖而上升，被北大西洋拉起，而北大西洋在這些月份是最冷、鹽度最高的。在7月/8月，北大西洋海水回到最溫暖的水平，而南極洲周圍的海水是最冷的，被海冰覆蓋。冰間湖形成於南極洲周圍的海冰中，這些區域是薄冰與開闊水域混合的區域，比給定溫度下的預期要薄，因為這些區域經常含有更鹹的海水。這導致冷/鹹海水在7月/8月沉入南極洲海岸附近的更深處。就像蹺蹺板一樣，環繞南極洲的深層海水隨著季節的變化每年都會上升和下降。這些南極底層水混合良好，富含氧氣和氮。
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季節性上升和下降。當深層海水在這些極地地區上升時，它們會向上輸送氮，這對在透光層上層生長的浮游植物有益。在夏季，浮游植物會大量繁殖，吸引以浮游植物為食的磷蝦和魚類。這些魚群和磷蝦在富含氧氣的冷水中繁衍生息，為遷徙的鬚鯨提供食物，鬚鯨利用鯨鬚過濾水中的磷蝦。地球上最大的動物——藍鯨（Balaenoptera musculus）進化出了利用深層海水環流模式的能力，這些模式源於海洋中大片區域被海冰覆蓋。
沒有海冰的深層海水混合
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地球的海洋曾經經歷過沒有冰的時期，尤其是在大氣中二氧化碳含量豐富的時期。沒有海冰形成的深層海水混合是可能的，發生在鹹的暖海水從受限的海洋進入更冷的開闊海域時，這些受限的海洋會經歷強烈的蒸發。例如，在直布羅陀海峽附近，地中海的鹹暖海水流入較冷的大西洋。熱量的擴散速度比鹽快，熱量相對於鹽的更快傳遞導致鹹水冷卻的速度快於鹽的擴散速度，因此在海面附近變得不穩定。這種鹹/冷海水密度更大，會下沉，形成“鹽指”，它混合了深層和表層海水，垂直攪動海水。這些區域富含氮、磷，而且海水氧氣含量也比較高。在地球漫長的歷史中，這些區域造就了生物豐富的海洋生物，儘管在某些時期海洋全年都沒有冰。一個例子可以在猶他州東部的岩石中找到。在大約2.7億年前的賓夕法尼亞紀和二疊紀，在現在的摩押存在著一片受限的海洋，它非常鹹，但向西北方向通向更大的開闊海洋。來自這片海洋的鹹水湧入導致海水混合良好，儘管當時的氣候要溫暖得多。在這個時代的海相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。
高度分層海洋的危險
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如果地球的海洋全年保持無冰狀態，並且沒有來自地中海等陸地封閉海域的含鹽地表水的流入，那麼海洋會很快變得高度分層。高度分層的海洋意味著深層海洋水和地表海洋水永遠不會混合，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，當時恐龍在比現在溫暖得多的地球上漫遊。這些海洋容易發生缺氧，即氧氣缺失，這會導致“死區”，在那裡需要氧氣呼吸的魚類和其他動物會死亡。易受缺氧影響的海洋水域的一個例子是墨西哥灣。在盛夏的炎熱時期，墨西哥灣的地表水蒸發，導致含鹽地表水沉降，在冬季開始時沉入海底，但仍然保持無冰狀態。春季，來自密西西比河的大量淡水流入，漂浮在密度更大的海水之上，導致海洋高度分層。墨西哥灣的深海海水通常缺乏氧氣，因為它們無法與地表海水（以及氧氣大氣）混合，這些深層缺氧海水被鎖定在墨西哥灣盆地深處，隨著春季淡水的年復一年流入和夏季末的蒸發，水溫升高。
深層海水和地表海水的災難性混合
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1961年，詹姆斯·P·肯尼特騎著摩托車穿越紐西蘭南島的山區地貌，執行一項任務。他正在尋找岩石。從孩提時代起，肯尼特就住在紐西蘭惠靈頓，他一直在收集紐西蘭海灘和山區的岩石、貝殼和化石。18歲時，他去上大學，從書本中學到了關於地質學的所有知識，但由於他所在學校沒有開設這門課程，因此他渴望在大學裡瞭解更多。在開始上大學課程後，他從18歲開始就在地質學實驗室工作。與生物學或化學實驗室不同，地質學實驗室是一個髒亂的地方，岩石會在鋸子上切割和切片；裝滿沉重岩石的箱子在箱子和抽屜裡積聚著灰塵；實驗服和燒杯被岩石研磨機、錘子、鑿子取代。
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來研究的。有孔蟲是單細胞生物，生活在海底，以從透光層沉下來的有機碎屑為食。它們從碳酸鈣中形成保護性的外骨骼或外殼（殼）。作為常見的化石，這些微小的化石在海底積累了厚厚的沉積物，形成了海洋石灰岩。用於建造吉薩金字塔的石灰岩實際上充滿了這些單細胞動物的化石。每個岩石樣本都可以產生數千個這種微小的化石，並揭示關於過去海洋的重要線索，例如溫度、鹽度、酸度和水深等，跨越很長的時間。當肯尼特在紐西蘭蜿蜒的道路上飛馳時，他正在尋找海洋沉積岩，這些岩石位於導致南極洲形成巨大冰蓋的主要氣候轉變時期。由於靠近南極洲，紐西蘭是研究這種氣候變化及其對古代海洋岩石（現在從山區侵蝕出來）的影響的理想之地。肯尼特還年輕，甚至還沒有研究生，但他在實驗室的經歷使他以完全不同的眼光看待世界。他渴望進行自己的研究，並且每天都在尋找來自不同時期的岩石，記錄南極海冰在中新世晚期擴張的情況。他的熱情引起了他的導師和教師的注意，並邀請他加入惠靈頓維多利亞大學南極探險隊，時間是1962-1963年。這次探險的目標是繪製南極橫貫山脈（位於羅斯海以南）的地圖，並收集岩石樣本。對於肯尼特來說，這次探險改變了他的生活，但他繼續記錄數百萬年來海洋的變化如何導致南極洲出現惡劣的寒冷氣候，他親身經歷了這一點。1966年，肯尼特和他的妻子搬到了美國，成為一個新興研究領域的先驅，即古海洋學，這個詞是他為研究古代海洋而創造的。肯尼特對來自正在進行的近海鑽探沉積物巖芯的新研究感到興奮。這些巖芯包含了跨越數百萬年的微小有孔蟲化石的詳細記錄，揭示了每個地點古代海洋的記錄。
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理解南極繞極流的發展及其在過去4000萬年裡如何導致南極大陸冰凍。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，以推斷過去的海底溫度，使用的科學方法是由哈羅德·尤里在20世紀40年代開發的。從南極洲海岸附近進行鑽探取樣是一件很困難的事情，但與在摩托車上繞紐西蘭旅行時收集的單個岩石樣本不同，鑽芯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“決心號”鑽井計劃，該計劃由美國國家科學基金會資助，該基金會也為美國政府資助南極探險。鑽井計劃成功地鑽穿了海底數百萬年的沉積物，取回了巖芯，這些巖芯將解開南極洲海岸外9000萬年海洋沉積的歷史。
該團隊既想要了解南極洲近期冰川作用的記錄，也想要找到海洋巖芯中的深層地層，該地層代表了大型恐龍滅絕的那一刻。作為有孔蟲方面的專家，肯尼特和他的同事洛厄爾·斯托特在一個回收的沉積物巖芯中發現了一個點，在那裡有孔蟲經歷了戲劇性的變化。大型健康的 有孔蟲突然從巖芯中消失，取而代之的是幾乎沒有有孔蟲的紅色泥土。這一層也不對應於導致恐龍滅絕的滅絕事件，而是發生在數百萬年後的古新世末期。沉積物中的氧同位素表明，海底在那個時期變得非常溫暖。肯尼特和斯托特在1991年快速發表了一篇論文，描述了大約5600萬年前在南極洲附近發生的深層海水災難性變暖事件，但不久後，其他科學家在世界各地的岩石和巖芯中觀察到了相同的特徵。在埃及盧克索，地質學家在用來建造金字塔的相同石灰岩中觀察到相同的滅絕事件，這些石灰岩的年代為5600萬年，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中的全球變暖事件，影響了哺乳動物和植物。5600萬年前發生了什麼，導致深層海水急劇變暖。該事件被稱為PETM（古新世-始新世熱極值）。在肯尼特和斯托特發表論文後的30年裡，海洋學家得出了一個驚人的認識，那就是可能存在深層海水和地表海水發生災難性混合的時期。
理論是這樣的：在 5600 萬年前，北冰洋 僅與北大西洋狹窄地相連。當時的氣候比現在溫暖得多，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，夜晚很長。河流在春季會流入北冰洋，帶來淡水。由於地理位置，氣候相對寒冷，蒸發量很小。每年，淡水迴圈會疊加在較冷的鹹水之上，形成高度分層的海洋水體。今天，黑海 就是這種高度分層水體的例子，但當時的規模要大得多。每年，北極都會經歷漫長的夏季，有充足的陽光供浮游植物進行光合作用，然後是短暫的冬季，幾乎沒有陽光。每年，這些藻類和其他光合生物的繁殖都會積累在北冰洋分層深海的海底。清除細菌會將這些有機物轉化為 甲烷，並將其儲存在寒冷的海底。這是一個定時炸彈。
大約 5600 萬年前，一組巨大的 海底火山噴發 在現今 冰島 周圍和向北延伸到 北冰洋 的海底爆發。深海暖水導致這些水上升，因為暖水密度較低。甲烷在較高溫度下也會發生昇華。昇華是指物質直接從固態轉變為氣態的過程。這種甲烷氣體從北冰洋深海海底冒出，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 二氧化碳 迅速增加，因為甲烷與大氣中的氧氣發生反應。全球氣候突然變得越來越熱，海洋也進一步變暖。這種失控的全球變暖事件開始使全球海洋酸化，殺死了肯尼特一生都在研究的大多數小型碳酸鹽貝殼動物。
這種海洋倒置現象，即深海水上升到海面，似乎導致了廣泛的缺氧（死亡區）、甲烷釋放和海洋生物因海洋酸化而大規模滅絕。這種深水倒置事件可能是失控的全球變暖和大量儲存在海底的固態甲烷不穩定的結果，通常由大規模火山事件觸發。深海水的加熱會導致水上升到海面，這會在短時間內對地球產生深遠的影響。目前世界海洋的熱鹽環流阻止了這種情況的發生（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，可能會導致另一場海洋倒置事件，即深海水上升到海面。就像恐怖小說 克蘇魯的呼喚 一樣，深海是一個可怕的神秘地方，它有可能毀滅世界。
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