更好地理解大气和海洋之间的气体交换可以改进全球气候模型

马萨诸塞州伍兹霍尔（2023年3月7日）——在公海湍流和寒冷的高纬度地区，从海浪中注入气泡是一种被低估的大气气体输送到内海的方式。改进对高纬度地区气体交换的机制理解很重要，原因有几个，包括更好地约束用于预测氧气和二氧化碳等关键气体海洋存量变化的气候模型。
一项由WHOI领导的新研究，“北大西洋深处的溶解气体追踪海洋通风过程”，本周发布于美国国家科学院院刊s、 结合新的地球化学示踪剂和海洋环流模型，研究大气气体进入深海的物理过程。这项研究使用了一种新技术来精确测量溶解在北大西洋4.5公里深的海水样本中的惰性气体同位素。惰性气体——元素周期表最右边的元素——是不活泼的，没有被生物利用过，这使得它们成为有用的物理示踪剂。
在海面与大气交换后，惰性气体既不添加也不从水中去除。因此，在百慕大群岛海岸外的北大西洋深处测量溶解的惰性气体，向科学家们揭示了在诸如伊尔明格海等特殊区域发生的气体交换的物理过程。在伊尔明格海，表层海洋在暴风雪的冬季条件下变得足够稠密，从而下沉并形成深水，慢慢向南流动。

                               
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2022年5月，伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）科学家艾伦·塞尔策在百慕大海岸附近的北大西洋采集水样。通过使用WHOI开发的技术，Seltzer及其同事对溶解气体同位素进行了超精密测量，以揭示气体从大气向深海转移的物理过程。（资料来源：Rebecca Tyne©Woods Hole海洋学研究所）
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艾伦·塞尔策该论文的主要作者表示，这些新发现表明，高纬度海洋中气泡的溶解“可能是所有稀有气体、氧气和氮气进入深海的主要途径”，伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）海洋化学和地球化学系助理科学家。
他说：“我们能做的任何事情都有助于提高模型代表我们世界的方式的准确性，特别是当它与气体有关时。”。“我们关心全球生态系统的氧气，我们关心二氧化碳2.因为海洋在吸收我们的排放量方面发挥着巨大的作用。因此，如果我们能够改进模型表示物理过程（如气体交换）的方式，我们就可以对未来使用模型进行模拟更有信心，从而预测在一个二氧化碳含量更高的更温暖的世界中，情况将如何变化2..”
该期刊文章的合著者说：“了解海洋如何吸收气体并将其释放到大气中，是预测它们对气候变化的反应的一个具有挑战性但至关重要的步骤。惰性气体在化学和生物上都是惰性的，是探索所涉及的物理过程的有力工具。”威廉·詹金斯，WHOI海洋化学和地球化学系荣誉退休研究学者。“Seltzer等人的论文是这一旅程中向前迈出的重要一步，因为它结合了新的高精度惰性气体浓度和同位素比率测量，这是解开对这些重要过程的理解的关键。他们的结果还揭示了海洋氮循环，这对气候变化问题非常重要，而且也是我们对海洋如何变化的基本理解。”支持食物网。”
这项研究的测量数据来自百慕大大西洋时间序列（BATS）站点（北纬31°40，西经64°10），自1988年以来，该站点的重复巡航几乎每个月都会对海洋进行一次自上而下的调查。BATS现场是采集样本的理想地点，因为它位于深水地层区域的下游。BATS现场的深海惰性气体浓度使科学家能够研究冬季事件期间的气体交换，在冬季事件中，深海是随着地表水冷却和变得更加稠密而形成的。在这些恶劣的条件下，直接观测是具有挑战性和稀缺性的，这就是为什么在更温暖、更南部地区的深海测量如此有价值。
& u+ v" F8 _4 n% Y5 XSeltzer说，要理解为什么气泡在将惰性气体、氧气和氮气输送到深海中发挥如此巨大的作用，一种方法是认识到“每次海浪破裂，都会大大增加大气和海洋之间气体交换的可用表面积”
# z9 ^/ P, b6 Y5 i$ a2 Y* O“在冬季，特别是在风暴期间，约占海洋总体积75%的深海与大气之间的二氧化碳和其他温室气体交换发生在高纬度地区。对北大西洋深处惰性惰性气体浓度的测量记录了在大风风暴期间形成的大气泡的重要性增加了我们对深水气体交换率的理解。”威廉·斯梅蒂，哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球天文台特别研究科学家和退休研究教授。“这提高了我们量化海洋和大气之间二氧化碳和温室气体交换的能力，并预测其大气浓度将如何影响地球气候，这对于制定缓解全球变暖的政策至关重要。”
4 Y; T& B! `+ L7 \这项研究的资金由美国国家科学基金会（NSF）和英国自然环境研究委员会提供。计算资源由美国国家科学基金会和其他机构赞助的国家大气研究中心计算和信息系统实验室气候模拟实验室以及牛津大学高级研究计算设施提供。
" ]; j+ D* P6 p作者：艾伦·M·塞尔策*1，大卫·P·尼科尔森1.威廉·斯梅蒂2.丽贝卡·L·泰恩1.，埃米莉·勒罗伊1.，Rachel H.R.Stanley1, 3，马丁·斯图特2, 4，Peter H.Barry1.，凯特琳·麦克保罗1.，佩林·W·戴维森1.，Bonnie X.Chang5.Patrick A.Rafter6.，保罗·莱塔比7.，罗德·J·约翰逊7.，萨马尔·卡蒂瓦拉8.威廉·詹金斯1.
从属关系：
1.美国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所海洋化学和地球化学系
  _0 J6 n& d( X' Z! r  {2.美国纽约帕利塞德斯拉蒙特-多尔蒂地球观测站地球化学部
" f4 y; p/ V* @+ s# W' \: Y' @0 B3.美国马萨诸塞州韦尔斯利韦尔斯利学院化学系
  V9 W0 o2 S5 `# u" m' s4.美国纽约州巴纳德学院环境科学系
9 A6 k( G+ ?5 j8 P9 D3 l1 w5.气候、海洋和海洋合作研究所；美国华盛顿大学西雅图分校生态系统研究
. U, s: T  b7 b  _6.美国加州大学欧文分校地球系统科学系
! I& g! F0 j6 f# _! ~+ Y4 @; ~7.百慕大海洋科学研究所，英国百慕大圣乔治
# s3 F: O. Z3 c! l9 f8 p! V8.英国牛津大学地球科学系
+ w* q$ w) Y' m! C+ M关于伍兹霍尔海洋研究所
! E+ R6 v9 D+ A' N: @伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）是马萨诸塞州科德角的一家私营非营利组织，致力于海洋研究、工程和高等教育。成立于1930年，其主要任务是了解海洋及其与整个地球的相互作用，并传达对海洋在不断变化的全球环境中的作用的理解。WHOI的开创性发现源于科学和工程的完美结合，使其成为世界上基础和应用海洋研究和勘探领域最值得信赖和技术最先进的领导者之一。WHOI以其多学科方法、卓越的船舶操作和无与伦比的深海机器人能力而闻名。我们在海洋观测方面发挥着主导作用，运营着世界上最广泛的一套数据收集平台。顶尖的科学家、工程师和学生在全球范围内合作开展了800多个并行项目，跨越了知识和可能性的界限。有关更多信息，请访问www.52ocean.cn