南极海域混合及上升流在冰河及间冰河时期对于大气中二氧化碳变化中起到的作用

南极海域混合及上升流在冰河及间冰河时期对于大气中二氧化碳变化中起到的作用摘要在冰河时期南太平洋空气流动的减少是二氧化碳大气中的含量在冰河时期比较少的原因。现在，南极的深海（2000米以下的海域）的水流则以很快的速度流上海洋表面，深海的水流与海底地形互相作用形成了这一个局面。从一个数据表中显示在所有的南极深海海域中水流的混合速率都是很高的。在海洋表面至2000米之间，水由海底残余的涌升流带动，直接带动海水浮至水面。由于深层海水的快速搅拌，表层海水又在很短的时间内被海流带至深海。我们提出两种新的机制，在冰川时期，南极深海可能更多的是与表层海水隔绝的。首先，深海海水似乎被分成了更多层因为南极海冰的形成导致了底部海水更致密。由于分层更多，导致了海水的混合减少。其次，考虑到当时大气的温度可能意味着当时从海面到海底海水的浮力与今天正好相反。这样的话就会减少或者消除海洋的上升流。我们可以观察到南极的温度和大气中二氧化碳的含量的关系可以由南极海域的浮力通量和上升流的关系决定，如果海流较慢则导致二氧化碳含量较低。在这里我们用一个和以前研究者相似的数据模型来揭示，如果深海海水混合较弱将导致上升流减弱从而引发在冰河时期大气中的二氧化碳含量较少的原因。1.简介深海海流速度的变化导致大气中二氧化碳的变化是在1984年首次提出的，当时的几篇学术论文指出，可能高纬度地区的深海控制着大气中的二氧化碳的浓度。这些论文上的数据模型是主要依赖于在一个稳定的生物活性和海洋洋流而产生的大气二氧化碳平衡上的。今天，在南极海域表层水中含有丰富的硝酸盐和磷酸盐，相对的，更高的二氧化碳浓度也使得这些营养被更充分得利用。大部分的深海海水随着涌升流流动的时候会带动二氧化碳和养分一起到海洋的表面。在这种模型中，无论是增加生物生产力或者是减少深海与表层水的交换都会导致大气中二氧化碳的降低。这些论文最初被解释为把增加的生物输出作为冰河时期特殊的二氧化碳环境的一种解释。但是新的证据都表明这一观点不可靠。这个观点有很多疑点，因为很多地域并不是都发生一样的状况，不过最近有一个新的观点就是：在冰河时期，亚南极地区尤其是靠近大西洋的部分，生物生产率上升明显，但在目前的极地地区生物生产率则下降。另一种可能的解释就是，在冰河时期，深海海流的速度比较低。最近Toggweiler认为这种情况是造成当时大气中二氧化碳含量较低的一种重要机制。大量实质性的证据表明，冰河时期二氧化碳问题能以这些证据来解释，而且在任何一种解释中深海和大气机制的隔离都是合理的。从琐碎的数据了解什么导致了这样的循环变化并不是微不足道的。因此，这篇论文就是从观察现在海洋中得到的数据从而来证实这个理论。随后我们提出为何在冰河时期洋流与今日不同。我们用数据模型表明我们提出的机制结合其他现象，可以改变二氧化碳在大气中的浓度。我们不是第一个提出改变海洋洋流机制的人，因此最后我们将其他近日提出的机制进行测试，来分辨互相冲突的理论。虽然研究了超过二十年，我们对冰河时期二氧化碳的变化的原因任然不是很确定，因为我们对于整个地球系统的过程依然很无知。虽然和其他的论文有很多细节上的区别但和其他论文在关键的理论上还是大体相似的。似乎有的论文指出二氧化碳浓度降低很大程度上依靠的是深海与大气的隔绝，要达到以上的情况必须要做到：提高海冰的覆盖，或者增加海洋表层的涌升流。这样使生物固定的碳远离大气层，降低大气中的二氧化碳。碳浓度增高可能会导致增加海洋的碱度，深海海水变得更加具有腐蚀性，对深海的碳酸岩沉积物进行腐蚀导致二氧化碳增加，这样海洋的酸碱性又恢复了平衡。这两种增加大气中二氧化碳浓度的方法都不需要增加生物生产力。2.全球海洋循环图一显示了一个全球性的海洋循环，南北的循环都比较平均。最深，密度最大的水形成于靠近南极大陆的地方，当海冰形成依附于大陆架上时含盐的冷水就形成了。这些将在向下斜坡重力流深海和对流毗邻大陆转移。这样，他们与温暖的极地深水组合，以不同的南极地层水混合形成几种不同类型的程度和结果。正如下文将进行的进一步讨论，一部分密度大的水从底部穿过南极大洋，一小部分返回水面。而另一部分则进入大西洋，由于太平洋和印度洋有碰地，导致了底部水域的出现。北大西洋深水层密度较小，是由北大西洋北部海域对流下沉，渗透南下而形成的。南极中层水，是由南极的地表水和海水融化形成的，南极的中层水向北渗透，形成了世界上许多海洋温跃层的水域。现在有两种对立的机制。比较经典的是这种稳定的循环是由垂直向下的平流和湍流扩散平衡互相制约形成的，垂直混合率由湍流扩散系数kz表示，这个在海洋科学中占有重要的位置。测试结果表明，温度低的温跃层和远离海洋内陆粗糙地形的kz比较低。但是，与洋流相互作用的湍流可以将这一现象延长好几公里。这些比较热的观点主宰着整个垂直混合流的深海学科中。另一种观点则是，它是由风的差异来驱动的，特别是在南太平洋中，其主要还是与西风有关。根据这种观点，表面的水速和深层的水速呈梯状关系，这又使得在其他地方的水有着补偿性下沉，也就是在北大西洋。风驱动是不依赖diapycnal混合的，且kz在海底内陆趋向于0。几乎可以肯定的是，真正的海洋洋流的状况肯定是由这两种模式所结合起来的。鉴于平流过程中风吹的作用，这样很可能会影响表面几公里海洋海水的垂直运输。一小部分北大西洋深水形成可能是由风驱动的，另一方面，在密度高的水域里，世界海洋的流动必须在很大程度上有diapycnally来驱动。但不知道有没有这样一种机制，使其返回到海水表面之后又由海气互相的作用使他们返回时减低深层海水的浓度。自从追踪南极这个水体的路径之后，它就变的清楚了，在深海中，由于远离水面，使得要进行大量的diapycnal转换。因此，如果最深的海水流动比冰河时期流动得更为缓慢，这可能至少有一部分是由于diapycnal改变的问题。这在理论上形成了一个挑战，为什么在冰河时期时深海混合会更弱？事实上，至少有一个证据证实潮汐是提供深海深层混合的主要能源。最近，芒克和文施指出，需要深海环流和风能共同作用才能产生用六。因此，从规模上来分析，其潜在的能量必须被添加到地层水中形成一个体积流量为Q的W〜QΔρgh，其中Δρ是水与水之间的密度比，g为重力加速度，h是高度。如果能量是恒定的，那么在其他条件相同的情况下，Δρ肯定是负相关的，总的浮力通量不变，QΔρ不变，同样的，在稳态对流和扩散平衡的分析中，我们可以知道当该地区发生上升流的时候，垂直混合率和H升高。这表明，如果总能量确实是恒定的，则垂直混合率与密度差呈反比。在这里我们可以注意到，混合率下降则密度增加。假如当时冰川之间最深的水和表层水的密度之比比现在的更大，这就能够解释为什么那时的深海海流要更弱。我们知道为何要对冰河时期的深海分层，从2002年Adkins重新绘制的图中我们可以看到，温度和盐度在冰河时期的数值，与今日的条件相比，其中分层的差距是惊人的，盐度大的海水在那个时期是无处不在的，这是在冰川时期有盐度更大的海水的结果。然而，尽管现在海洋深海的温度差异主要是由于分层导致，而在冰河时期深海海洋的密度差异则取决于盐度。在气温接近于冰河时期的海洋形成冰冻，南极洲大洋的海水盐度更高，，这个盐度表明，如果对于冰河时期海洋平均含盐量的计算是正确的，那么大量的如今的中层和上层水一定处于更深的水域。现代南极海海水的混合和流动深层diapycnal混合近几年，又有关于diapycnal在南大洋混合率的新的信息，有好几次都是用跟踪版本直接测量的，在斯科舍海域，声学多普勒流速剖面仪的使用时效率普遍提高，其显示混合率在较大的深度中也普遍较高。这些数据有着相当广泛的价值，特别是在深海，更反映的地形对其的影响。然而，在上层水流的交叉处，密度跃层混合夏季更低(虽然有可能是暴风雨的影响)，而在深层水域中则要高好几倍（可能是地形的影响），但是这些估算的不确定性还是比较大的。如图所示，二氧化碳浓度对于弄清楚南大洋内部海水流动能起到很大的作用。图3显示了大西洋和印度洋的氟氯化碳的平均浓度分布，超过南纬50°的地区其浓度分别沿不同的断面逐步深化，利用它与平均深度的关系，氟氯化碳很容易在整个水流中被发现。氟氯化碳在南极底层流（2000米以下的深度）混合程度非常大。如果我们假设底部的中层氟氯化碳是一个来分析垂直混合率的重要尺度。氟氯化碳在20年中大气浓度有增加很多。如表1所示，这是典型的10倍以下的平均数。但也有一种可能就是，并非所有的中层海水中的氟氯化碳浓度都是如此，一些有可能来自底部混合流。出于这个原因，上述的diapycnal混合可能产生于底部1000~2000米的海底。我们现在对南大洋深层水的混合做一个更详细的预估，利用这个事实，最密集的水域仅限于海底盆地处，且我们认为整个表面的等密度面都符合F公式。这里我们用z和w以及kz表示距离，流速和涡流扩散，这些其实在垂直涌升流中非常明显。我们估计在深海的恒定密度面中这些动量是此消彼长的。在等密度表面为界，其与海底崖口，形成了一个靠近底层的水域。在一个稳定状态，这个积分等于大规模注射底水的形成，Vσi，其中V是形成的σI容积率和密度，在形成的可能性率。等同的水的体积被注入，通过从表面上看，这是流动的，这里我们定义为潜在的在其表面密度梯度加权平均扩散率。对右侧积分可以使用气候水文数据。的形成过程和潜在的密度容积率估计在四个类型的底层水的形成可能是获得了奥西等工作的帮助。这些作者采用的方法是基于对氟氯化碳的详细清单，从中推导出一个整体的AABW产率，作为界定的速度在哪些新的底层水穿越等深线从大陆移动距离2500米。约有60％进入大西洋流域和40％到印度洋和太平洋流域综合。从他们的使用表4中的数据来评估式子的左边。以评估对右边的积分，我们估计平均在大西洋，印度洋和太平洋部门作为一个σ4或σ2功能与图显示的结果。我们排除地区浅于2500米的计算，因为这些也是在奥西等人排除在外后得出的结果。'S为正的底层水的形成区域的分析。对于大西洋威德尔海-恩德比盆地的形成容积率的来源是非常肯定的。对于其他两个盆地（澳大利亚南极南极和太平洋）的底层水的形成率分区是不是奥西等定义。我们选择的分区为60％到澳大利亚南极盆地和形成率40％的南极到太平洋盆地的基础上，由林图（1998年）推断，高达25％的产量极地AABW发生。由分析可以证实，在全流域中，即时混合率很高，在南大洋深处，10-3平方米的S-1，增加值，远高于10-4低于〜1000平方米的S-1米世界海洋的平均水平。由于南大洋包括约10％的全球海洋，计算表明，该地区仅是一个全球深层混合比例较高的地区。这种快速混合对新成立的南极底层流的影响是巨大的，底层水的密度较小。因此，在其形成的底层地区以外的过程中，南极底层流上涌为密度较轻的水。例如，根据海恩等人的测量的数据结果（1998年），威德尔海南极底层流具有对只〜40岁克罗泽-凯尔盖朗区域的过境时间，但这是因为它长时间温度从低于-0.4°C间上升至约0.5℃因此，南极底层流填补了世界上大多数海洋深渊密度小于水。这种状况显然是对这种快速混合流必须是在一定深度的地转边界流与海底地形相互作用的主要能量来源。因此，南大洋混合主要风吹而动荡diapycnal在深海盆地北部有可能进一步混合动力的潮流较大程度上与洋中脊混合的过程有关。模型研究表明，冰河时期的潮汐驱动深海中的海水混合可能比目前更强烈，可能提高全球diapycnal冰河时期混合率。尽管如此，在diapycnal在南大洋深海冰川混合削弱，导致了一定的混合削弱，其中在南大洋上涌的水密度较轻，返回到海洋上层时间延长。在海底，高密度的南大洋水就不得不流到在遥远的大洋盆地的混合中心，而不是被卡在南大洋。我们的结论是diapycnal混合底层水的流动而迅速达到了2000米的深度。在接近地表处，观察表明，diapycnal混合，就处于每平方米〜10-5s-1的值。然而，在这个深度范围内有一个垂直循环，这样海洋表面的水完成了较快的向深海水域流通的时间。这就是我们现在对这个流动简要总结的想法。现代的南极海域翻转水流南极海洋中层深度水域由风驱动而流通