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南极绕极流
# M" y" n" m7 i" |( W1 b% w. I1 `0 Y01 长期以来，人类对南大洋的认识源自一个赚钱的行业：捕鲸。 从19世纪末开始，在环境适宜的大西洋和太平洋水域中，鲸鱼的数量因过度捕捞而减少，捕鲸船航行至南极。随着时间推移，过度捕捞继而成为南大洋的一个问题。英国政府认为需要了解那里的环境，希望能维持鲸鱼的数量。 20世纪20年代末，年轻的伦敦大学毕业生George Deacon，怀着对化学的热情和对海洋的渴望，收到了一份有趣的工作：对南大洋的水域进行采样，以试图帮助保护捕鲸业。 在1927年圣诞节前夕，年仅21岁的他乘坐一艘小小的研究船--William Scoresby号，向南极洲出发。 ( n" G' A: k: _( E4 }0 O3 U
在接下来的十年里，他大部分时间都在船上，分析来自不同深度的水样。南极的自然条件常常让滑轮和缆绳结上厚厚的冰层，以至于不得不用火把来融化它们。样品瓶一旦从水中拉出，在被带到甲板下之前就经常被冻结，破坏了他的实验。 但Deacon克服了这些障碍，最终对海洋进行了足够的取样，对其机制有了广泛的了解。在1937年出版的《南大洋水文》一书中，他将自己的想法与其他人的想法相结合，成为描述南极洲周围水域的标准教科书。 对Deacon来说，这是他传奇的海洋学生涯的开始。他后来帮助开发了二战时期的秘密潜艇探测装置，领导了英国国家海洋学研究所，获得了骑士勋章。 Deacon和他的同伴们并不是第一个体验到南大洋艰辛的人。考古发现表明，早在12或13世纪，原住民波利尼西亚人就对南大洋进行了探索，比欧洲人首次航行到那里大约早了500年。当时游客很少--现在也是如此。即使是乘坐现代船舶，在南大洋的航行也可能是令人痛苦的。 由于多年来很少有船只涉足那里，因此，即使在今天研究人员也很难获取数据。 但数据可能出现在意想不到的地方。 就在几年前，Praveen Teleti在剑桥大学攻读关于南极海冰历史变迁的博士学位时，意识到英国捕鲸公司的船只日志中包含了1930年代和1950年代的气候测量数据--气温和水温、气压、风力。 虽然很难说是一个全面的调查，但Teleti博士发现的9000个左右的数据点是在对南大洋进行大量研究之前记录的相对较少的。它们对于帮助科学家更好地了解该地区随着世界变暖已经发生的变化是非常宝贵的。 然而，大约在20世纪50年代，研究工作扩大了。探险活动变得更加普遍、系统和复杂。仪器被开发出来，可以从底部到表面进行测量。到1970年代末，极地轨道卫星也开始收集数据。
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02 但是，南大洋科学的真正革命始于2000年代中期使用的漂流浮标，这些漂浮物可以像鱼一样调整自己的浮力，在水中上下移动，以获取数据。它们只是偶尔浮出水面，向卫星传送数据，然后再一次沉入海面之下。
' i3 T$ X m. @0 P& a; L/ a漂浮物从表面开始，下潜到1000米的停泊深度，在那里停留大约9天之后下潜到2000米深处，打开采样装置，在上升到表面的过程中测量海洋属性。然后在海表停留，将收集到的数据传输到卫星系统，然后开始另一个周期。图源@nature
: `( S4 }* h; _' E+ j- c2 F这些浮标是一个名为Argo的全球项目的一部分，改变了海洋学家对南大洋的理解。 例如，我们现在知道，Deacon在其1937年的书中对海洋的描述在某些方面是不正确的。他把水的运动描述成一个循环回路，后来为了纪念他而命名为Deacon cell，其中深层水在绕极流的南部上升，穿过洋流向北移动，下沉，然后被吸引到南部再次上升。
南大洋环流示意图 海洋学家们现在对全世界洋流的复杂循环有了更多的了解，南极洲的上升流只是其中的一部分。绕着南极洲的水正在完成从大西洋、太平洋和印度洋的史诗般的旅程，向南流动并缓慢地向上循环，就像爬上一个海洋大小的环形楼梯。海洋学家知道，尽管南大洋地处偏远，但它与世界其他地区的关系是多么密切。围绕南极洲的环形水流实际上是一个旋转的气候引擎，它将大西洋、太平洋和印度洋埋藏数百年的深层水抽取到海面，如果没有这种上升流机制，世界将更热。
南大洋与全球洋流的联系 有了这些新知识，研究人员现在对地球持续变暖时海洋可能发生的变化越来越感到震惊。 亚利桑那州的海洋学家Russell博士将她的一生都奉献给了这项工作，她在阿拉斯加的楚科奇海海岸长大。她说：“作为一个孩子，我想知道海冰去了哪里。" "你永远不会完全放弃你年轻时爱上的东西。”她说。 还是一名研究生的她就曾参与过南大洋考察，在一艘90米长的船上工作时被巨浪抛来抛去。她说："你沿着波浪的一侧前进，然后沿着另一侧前进，直到你把船头插入下一个波浪，然后一座水山就会落在你身上。” 在她的第一次航行中，她正在测量水中的溶解氧，并不断得到读数，表明有一个惊人的上升速度。她说："它来自如此之深，如此之快。那就是我对南大洋的痴迷开始的时候。” 从那时起，她和其他海洋学家一样，专注于在南极洲周围浮出水面的深海水域中大量溶解的二氧化碳。
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03 发生在南大洋的最重要的过程之一是海洋和大气之间的二氧化碳交换。而这一过程如何随着全球变暖而改变，对应对气候变化有着巨大的影响。 全球变暖主要是由燃烧化石燃料而排入大气中的二氧化碳造成的。海洋吸收了大量的排放物，同时也吸收了大气中的热量，成为应对气候变化的重要缓冲区，使世界不至于成为一个几乎无法居住的温室。 据估计，自19世纪以来，由于燃烧化石燃料和其他人类活动，海洋已经吸收了大约25%的过量二氧化碳和90%以上的过剩热量。但是南极洲周围涌出的深层海水含有更多的二氧化碳--不是来自目前的排放，而是来自有机物的溶解，包括腐烂的海洋生物。 当这些古老的水到达地表时，其中一些二氧化碳被释放出来，或者像科学家所说的那样 "放气"（outgassing）。 长期以来，研究人员一直认为南大洋吸收的二氧化碳多于释放的二氧化碳，对气候有好处。但是，如果更多的水上涌，更多的二氧化碳可能被排出，改变这一关键的平衡。这将使对抗气候变化变得更加困难。 上升流是由南大洋风驱动的，这些风把表层水向北推，把后面的深层水拉上来。而风受到变暖的影响，最近几十年来已经加强。 最近的一项研究表明，南大洋吸收的二氧化碳仍然多于其释放的二氧化碳。但是许多研究人员认为，海洋可能已经在排放比以前想象的更多的二氧化碳。他们说，如果风向随着世界变暖而不断加强，上升流和放气就会不断增加。
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04 然而，碳并不是唯一的担忧。南大洋上涌出的水也是相对温暖的，这给地球带来了海平面上升的隐患。 其中一些暖水到达南极洲的大陆架，流到冰架下面，即冰川末端的冰舌。这些冰川支撑起覆盖大陆的巨大冰盖，阻止冰盖缓慢地向海洋移动。 但是，科学家们在几十年前发现，这种上涌的水正在从下面融化冰架。随着冰层变薄，冰架失去了一些控制冰盖的能力。 , Y1 A1 ?7 O' r- S
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沿着大陆架，来自世界海洋深处埋藏几个世纪的水向南极洲涌起。这些变暖的水与冰架底部的冰相遇，融化了冰架的底部。南极洲的冰架不仅在消缩，而且越来越薄。 这种融化大多发生在南极洲的西侧，那里的环极流最接近海岸。在那里，有两个大冰架，即思韦茨（Thwaites）和松岛（Pine Island），支撑起该地区的大部分冰盖。 到目前为止，它们的融化和变薄对海平面的上升只起到了相对较小的作用。但是，人们担心的是，如果冰架融化得太多，它们可能会崩溃，加速冰川的移动，并最终使南极洲西部的大部分冰盖进入海洋。新的研究表明，在未来十年内，可能会发生思韦茨冰架部分崩塌的情况，并导致那里的水流加速。如果南极洲西部的冰盖流入海洋，那么在几个世纪里，海水可能会上升3.6米。 “目前，这些冰川的融化速度正在加快。而且，风再次发挥了关键作用。在冰架融化的情况下，重要的风是那些靠近大陆的风”，纽约大学的数学家和气候科学家David Holland说。研究表明，在过去，这些近距离的风将较冷的水保持在表面，阻止较暖的水上升到足够高的位置，以到达大陆架和冰架。
冰不断流向大海。位于巨大冰川末端的冰架作为一个重要的制动器，减缓了这些流动。它们巨大的质量阻止了陆地上的冰块更快地到达海洋。随着冰架的融化，陆地上的冰可以更快地到达海洋，最终导致海面上升。 "但是这些风已经改变了,风正在把冷水推走，因此暖水正在来填补这个空白。"Holland博士说，他是钻过思韦茨冰架以测量下面水温的先驱科学家，"而且根据计算机模型，这样的情况看起来会更加普遍。" ; Z! c4 B f: K# K( }
05 在不到一个世纪的时间里，技术水平已经从Deacon的捕鲸研究船，发展到环绕世界的自主远洋科考船队，再到复杂的计算机模型。今天，科学家们正获得更多的数据。Argo项目即将在全球范围内部署新一代更复杂的浮标，能够测量更多的数据。 Russell博士和其他人特别感兴趣的是酸度读数，因为它们可以用来确定水的二氧化碳含量。这可能有助于进一步阐明深层的、古老的、含碳的水对世界的未来的深远重要性。尽管已经了解了所有这些，Russell博士说："与任何其他探索领域不同，我们在这里处于绝对的前沿。"
1 A# h# y# D1 m7 W/ d+ X. R) N. Q#参考来源： 1. Rising From the Antarctic, a Climate Alarm www.52ocean.cn 2. 南极从哪里来？星球研究所 www.52ocean.cn 3. Riser, S., Freeland, H., Roemmich, D. et al.Fifteen years of ocean observations with the global Argo array. Nature Clim Change6, 145–153 (2016). https://doi.org/10.1038/nclimate2872 4. Dynamics of the Southern Ocean Circulation https://doi.org/10.1016/B978-0-12-391851-2.00018-0 ( P6 a+ r: G. E5 {) u5 ?
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