地球/5e. 深海環流
密度 是指物質單位體積的質量，或者說是物質的緊密度或密集程度。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 的液體將在純水中浮起，而比重大於 1 的液體將在純水中沉底。海水，由於它包含鹽和溶解的顆粒，平均比重介於 1.020 到 1.029 之間。海水密度使用 比重計 測量，比重計是一種玻璃管，連線一個標準重量，並標明重量在液體中下沉的深度。如果你混合海水和淡水，兩者很可能會混合，難以判斷哪一個浮在上面。兩種流體之間密度差越大，它們越有可能堆疊在一起，密度較小的流體浮在密度較大的流體上。然而，如果你試圖將密度較大的流體堆疊在密度較小的流體上，兩種流體只會混合。密度不同的流體柱被稱為分層，strata 意思是層，所以分層海洋是指根據密度差異劃分為不同層的海洋。
水的密度不僅與水中溶解的鹽分含量有關，還與水的溫度有關。水越冷，密度越大，儘管在 4° C 到 0° C 接近冰點時，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被稱為 鹽躍層。在海洋的垂直剖面中，鹽度隨著深度增加，因為鹹水密度更大，會下沉。海水密度和溫度之間的梯度被稱為 溫躍層。在海洋的垂直剖面中，溫度隨著深度降低，因為較冷的水（高於 4°C）密度更大，會下沉。密度最大的海水又冷又鹹，而密度最小的海水又熱又淡。密度隨深度變化的梯度被稱為 密度躍層。Pycnos 在古希臘語中意思是密集。密度躍層是指顯示海水密度隨深度變化的圖形。如果海洋分層為不同密度的層，圖形將顯示一個斜坡，在每層密度增加處有臺階。然而，如果海洋混合良好，密度躍層將是一條垂直的直線，密度隨深度保持一致。
在前幾節中，表面洋流以及上升流和下降流受 地轉風 影響，以及導致海水淺層運動的表面過程。然而，埃克曼的研究 還表明，深層海水（深度超過 100 米）將保持流動性較小，不會受這些僅作用於海洋表面的力量的影響。深層海水的流動非常緩慢，緩慢到海洋學家們爭論這種深層海水的實際流動速度是多少，因為它在地球上流動。
地球上的深層海水環流是一個緩慢而溫和的過程，它涉及大部分海洋總量，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表層海水和深層海水的混合。
地球上的海洋或任何大型水體是如何分層為不同的密度層？
想象一個大型湖泊，它是一個淡水水庫，周圍有流入的河流。夏季晚期，從周圍河流流入湖泊的淡水流量減少，但在冬季晚期和春季早期，由於徑流或雨季，流量增加。夏季，炎熱的太陽加熱了湖泊的表層，導致 蒸發，底部的水層變得更鹹，但仍然保持溫暖。隨著時間的推移，這樣的湖泊將分層為不同的密度層。在夏季，表層水會變得鹹，但更溫暖，使其能夠漂浮在下方密度更大的水上，然而，隨著秋季氣溫下降，鹹水的密度會增加。春季，來自河流的密度較小的淡水湧入會漂浮在這層已經存在於湖泊中的鹹而冷的水之上。這會在上面增加一層密度較小的淡水，並將水堆疊在上面。隨著時間的推移，湖泊將變得高度分層，深層湖泊中將保留冷/鹹的密集層，而溫/淡的密度較小的水將保留在頂部，每次都有淡水輸入。
什麼過程會導致兩層混合？如果在冬季，湖泊表面覆蓋著 冰，表層水將變得又冷又鹹。鹽的來源是，當湖泊表面形成冰時，冰中不含鹽，使冰層下方的水層略微變鹹，並且非常冷。湖泊表面覆蓋著冰將導致這層鹹/冷的密集水沉積在溫/淡的密度較小的水上，這最終會導致表面的水下沉，而深層的水上升。與無冰水體相比，覆蓋著冰的水體包含更好的水混合物。因此，地球寒冷地區的陸地水體比溫暖的熱帶地區的水體分層程度低。另一種可能發生在湖泊中的情況是，如果深層水以某種方式被加熱。當火山或岩漿加熱底層水時，就會發生這種情況。當這些密集的深層水被加熱時，它們的密度變小並上升，這很可能發生在 喀麥隆非洲的尼奧斯湖事件 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。
對世界各地不同湖泊的密度躍層測量結果表明，冬季被冰覆蓋的較冷湖泊比保持無冰的較暖湖泊混合程度更高。將深層水與表層水混合的相同過程可以應用於整個海洋，但更為複雜，因為 世界海洋 更加相互連線，並跨越整個地球表面。海洋學家 繪製了年溫度和鹽度的差異，以幫助理解這個複雜過程。
對整個海洋進行的年度表面溫度測量表明，赤道附近的水域最溫暖，而極地附近的水域最冷。然而，對整個海洋進行的表面鹽度測量表明，最鹹的表面水域位於大型海洋環流中，例如北大西洋和南大西洋環流，它們是公海中最鹹的區域之一。這是因為這些海域更加停滯，並且位於降雨量較少的乾旱地區。赤道附近的ITCZ貢獻了大量來自降雨的淡水，並限制了赤道附近的蒸發。像地中海和紅海這樣被陸地包圍的大型封閉海域是海洋中最鹹的區域之一。海洋中一些鹽度最低的區域位於河流向海洋大量輸入淡水的地區，特別是在東南亞。極地附近的區域也從融水獲得淡水輸入。海冰在冬季在北冰洋和南冰洋的極地地區擴充套件，對於表面水和深層海水混合至關重要。如果這些水域已經因蒸發而變鹹，混合作用可能會增強。在北大西洋，被困在北大西洋環流中的鹹的表面海水隨著墨西哥灣流向北推動，朝格陵蘭島移動。如果這些鹹的溫暖水域隨後被冷卻並覆蓋著海冰，這些水域將下沉，導致北大西洋的表面水和深層海水混合。這驅動了所謂的熱鹽環流的深層海水。
深層海水的熱鹽環流
[edit | edit source]熱鹽環流是全球海洋的廣泛深層海水環流，儘管這種運動的確切過程在海洋學家之間存在很大爭議。北大西洋是下沉冷鹹水的區域，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在北大西洋攪動海洋，並有助於驅動墨西哥灣流，將更多的溫暖鹹水向北拉動，使其冷卻並隨後下沉。北大西洋是世界上海洋中分層程度最低的區域，導致海水混合良好，富含氧氣。
格陵蘭島的冰芯記錄了 12,000 年前的一段時間，當時熱鹽環流可能發生了巨大變化。這段時間被稱為全新世事件，因為湖泊中的沉積物記錄了耐寒的北極乾草屬植物的花粉迴歸，該植物更喜歡寒冷的氣候。這種花在最後一次冰河時期的約 14,000 年前，一直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，這種花的花粉在大約 12,000 年前的湖泊沉積物中重新出現，表明在幾個世紀的時間裡，寒冷氣候再次出現，然後再次從這些地區消失。這種北大西洋寒冷氣候的事件被認為是熱鹽環流因陸地淡水流入而改變的結果。這種觀點認為大量淡水湧入北大西洋，特別是來自拉布拉多海和聖勞倫斯海峽，它們排幹了覆蓋五大湖和大部分加拿大的大冰蓋。這種淡水流入導致北大西洋變得更加分層，導致墨西哥灣流減弱，到達北歐的溫暖海水減少。這導致寒冷氣候占主導地位，直到大冰蓋融化結束，此時熱鹽環流恢復，導致北歐再次出現溫暖氣候。
熱鹽環流通常被描繪成一條涉及全球海洋的流動帶，但海洋學家爭論這種環流模式在全球範圍內是如何運作的。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拉起來的。這些南大洋水域在 12 月/1 月最溫暖，隨著氣溫變暖而上升，被北大西洋吸引，而北大西洋在這些月份最冷和最鹹。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達到最冷的水平，並被海冰覆蓋。冰間湖在南極洲周圍的海冰中形成，它們是薄冰與開闊水域混合的區域，比給定溫度下的預期要薄，因為這些區域經常包含更鹹的水域。這導致冷/鹹水在 7 月/8 月下沉到南極洲海岸附近更深處。就像蹺蹺板一樣，環繞南極洲的深層海水在一年中隨著季節而升降。這些南極底層水混合良好，富含氧氣和氮。
海冰對於全球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每年的升降。當更深的海水上升到這些極地地區時，它們會帶來氮，這有利於在表層透光層中生長的浮游植物。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衍生息，併為遷徙的鬚鯨提供食物，鬚鯨利用須板從水中過濾磷蝦。地球上最大的動物，藍鯨 (Balaenoptera musculus) 進化出利用深層海水環流模式，而這些模式是由海洋中很大一部分被海冰覆蓋而形成的。
沒有海冰的深層海水混合
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地球的海洋曾經存在過一段時間，而這段時間沒有冰，特別是在大氣中二氧化碳含量豐富的時期。沒有海冰形成的深層海水混合是可能的，並且當來自溫暖海域的鹹水被限制並經歷強烈的蒸發，進入更冷的公海時就會發生。這種情況發生的一個例子是在直布羅陀海峽附近，地中海的鹹暖水進入較冷的大西洋。熱量比鹽擴散得更快，並且與鹽相比，熱量傳遞得更快，導致鹹水冷卻速度比鹽擴散速度更快，因此在海面附近變得不穩定。這種鹹/冷水密度更大，下沉，形成“鹽指”，這是深層水和表面水混合，垂直攪動海水。這些區域富含氮、磷，並且海水也相當充氧。在地球漫長的歷史中，這樣的區域對生物豐富的海洋生物負責，儘管在一段時間內，海洋全年沒有冰。這方面的一個例子是在猶他州東部的岩石中發現的。在賓夕法尼亞紀和二疊紀時期（大約 2.7 億年前），一個陸地限制的海域存在於現在的摩押，這個海域非常鹹，但向西北方向開放，通往更大的公海。來自這個海域的鹹水流入導致海洋混合良好，儘管當時的氣候要溫暖得多。在這個時期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厚沉積物。
如果地球的海洋全年保持無冰狀態，並且沒有來自陸地限制海域（如地中海）的含鹽表層水流入，那麼海洋會很快變得高度分層。高度分層海洋意味著深層海洋水和表層海洋水永不混合，氧氣水平僅限於海洋表面。地球上曾經發生過這樣的時期，特別是在中生代，當時恐龍漫遊在一個溫暖得多的地球上。這些海洋容易發生缺氧，即缺乏氧氣，導致“死亡區”，魚類和其他需要氧氣呼吸的動物在這些區域死亡。墨西哥灣是容易發生缺氧的海水的一個例子。在夏季炎熱的時候，墨西哥灣的表層海水蒸發，導致含鹽的表層海水，在冬季開始時下沉，但仍保持無冰狀態。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。墨西哥灣的深層海水通常缺氧，因為它們無法與表層海水（和氧氣大氣）混合，這些深層缺氧水被鎖定在墨西哥灣盆地深處，年復一年地受到春季淡水流入和夏季末溫暖氣溫蒸發的影響。
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景觀，執行著一項任務。他在尋找岩石。從孩提時代起，肯尼特就在紐西蘭惠靈頓長大，他從紐西蘭的海灘和山區收集岩石、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一切，但由於他的當地學校沒有開設這門課程，他渴望在大學裡學習更多。一旦入學，他就在18歲時開始在地質實驗室工作。與生物學或化學實驗室不同，地質實驗室是一個混亂骯髒的地方，岩石在鋸子上被切割和切片；裝滿重物的岩石箱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，這些化石是從切片或研磨岩石中研究的。有孔蟲是單細胞生物，它們生活在海底，以從透光區沉下來的有機碎屑為食。它們利用碳酸鈣形成其保護性的外骨骼或外殼（測試）。作為常見的化石，這些微小的化石在海底積累了厚厚的沉積物，形成了海洋石灰岩。像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。每個岩石樣本可以產生數千個這樣的微小化石，並揭示關於過去海洋的重要線索，例如溫度、鹽度、酸度和長時間的水深。當肯尼特沿著紐西蘭蜿蜒的道路飛馳時，他正在尋找收集海洋沉積岩石，這些岩石跨越了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）的影響的好地方。肯尼特還年輕，甚至還沒有研究生，但他在實驗室的經驗使他完全不同地看待世界。他渴望進行自己的研究，並花時間從不同的時期尋找新的岩石，記錄晚中新世期間南極海冰的擴張。他的熱情引起了他的導師和指導老師的注意，並邀請他加入惠靈頓維多利亞大學南極探險隊，時間為1962-1963年。探險隊的任務是繪製南極洲橫貫山脈（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，但他繼續記錄了數百萬年來海洋的變化是如何導致南極洲出現一個惡劣的寒冷氣候的，這是他親身經歷過的。1966年，肯尼特和他的妻子移居美國，成為一個新研究領域古海洋學的先驅，這是一個他為研究古代海洋創造的詞。肯尼特對從海底鑽取的沉積物巖芯中獲得的新研究成果感到興奮。這些巖芯包含了數百萬年來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1970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。他們都致力於更好地瞭解南極繞極流的形成，以及它如何在過去4000萬年裡導致南極洲大陸冰凍。與肯尼特一樣，沙克爾頓也研究了海底沉積物，測量了微小有孔蟲的氧同位素，以推斷過去的古代海底溫度，使用的是哈羅德·尤里在1940年代開發的科學方法。從南極洲海岸外獲取鑽取的樣本是一項艱鉅的任務，但與騎著摩托車在紐西蘭各地收集的單個岩石樣本不同，鑽取的巖芯揭示了數百萬年來海底沉積物的更完整的記錄。在1980年代，這兩位科學家都參與了由美國國家科學基金會資助的決心號鑽探計劃，該基金會也為美國政府資助的南極探險提供資金。該鑽探計劃成功地鑽穿了數百萬年來海底的沉積物，取回了巖芯，這些巖芯將揭示南極洲海岸外9000萬年來的海底沉積歷史。
該團隊的驅動力既是為了瞭解南極洲最近冰川作用的記錄，也是為了在海洋巖芯中找到代表大型恐龍滅絕時刻的深層地層。作為有孔蟲方面的專家，肯尼特和他的同事洛厄爾·斯托特在一個恢復的沉積物巖芯中發現了一個點，在那裡有孔蟲發生了巨大變化。大型健康的孔蟲突然在巖芯中消失，取而代之的是一種幾乎沒有孔蟲的紅色泥土。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。來自沉積物的氧同位素表明，在那個時候，海底變得非常溫暖。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5600萬年前在南極洲附近深層海水發生的這種災難性變暖事件，但很快，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，在地質學家用來建造金字塔的相同石灰岩中，觀察到同一滅絕事件發生在距今5600萬年前的岩石中，而在懷俄明州北部，地質學家描述了同一時期記錄在比格霍恩盆地的全球變暖事件，影響了哺乳動物和植物。5600萬年前，發生了某種事件，導致深層海水溫度急劇升高。這一事件被稱為PETM（古新世-始新世極熱事件）。在肯尼特和斯托特發表論文後的30年裡，海洋學家驚人地意識到，可能會出現深層海水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，處於黑暗中。河流會在春季流入北冰洋，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。淡水的年迴圈每年都會堆積在更冷的含鹽水中，導致一個高度分層的水體。黑海是當今這種高度分層水體的例子，但這要大得多。每年，北極都會經歷漫長的夏季白天，有充足的陽光用於光合作用的浮游植物，然後是極其短的冬季白天，幾乎沒有陽光。每年這些藻類和其他光合生物的繁殖都會在北冰洋分層深海海底積累。清除細菌會將這些有機物轉化為甲烷，甲烷會被困在寒冷的海底。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附近的海底以及向北至北冰洋爆發。溫暖的深海海水導致這些海水上升，因為溫水密度較低。甲烷在較溫暖的溫度下也會發生昇華。昇華是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泡上來，向大氣中釋放了大量的甲烷，這是一種強烈的溫室氣體。大氣中很快富含了二氧化碳，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微小的碳酸鹽殼動物。
這種海洋倒置，即深海海水上升到地表，似乎導致了廣泛的缺氧（死亡區）、甲烷釋放以及海洋酸化導致的海洋生物大規模滅絕。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造成的，通常是由大規模火山事件觸發的。深海水的加熱導致海水上升到地表，這會在短時間內深刻影響地球。當今世界海洋的熱鹽環流阻止了這種情況的發生（透過將地表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，這可能會導致又一次海洋倒置，深海海水上升到地表。類似於短篇恐怖故事克蘇魯的呼喚，作者是洛夫克拉夫特，深海是一個可怕的神秘地方，從某種意義上說，它如果願意，可以毀滅世界。
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