觀測與預測

王治鈞 孫啟振

12世紀，英國巴斯的自然哲學家阿德拉德（Adelard）著書立說，整理出了一系列自己想要得到答案的問題。如今，許多海洋學家依然在研究其中一些有關海洋領域的提問，例如，海陸冰川持續融化，航道會如何改變？海洋生態系統如何適應變暖的海水？氣候變化是否會引起海洋翻轉、環流的崩潰？……

2024年TED年度大會邀請美國物理海洋學家蘇珊·洛齊爾（Susan Lozier，現任佐治亞理工學院科學學院院長）解答這些問題。她長期致力于大規模海洋環流、海洋在氣候變化中的作用以及熱量和淡水在海洋中的轉移的相關研究。

物理海洋學家蘇珊·洛齊爾

跨越地球的海洋翻轉環流

洋流，指海洋中具有相對穩定流速和流向的海水，從一個海區向另一個海區，沿一定路徑的非周期性運動。大部分洋流都是區域性的，不會橫跨大洋，但海洋中也存在著大規模的洋流，它們從一個洋盆（廣義上指地球上承載全部海洋水體的洼地，狹義上指大洋底部的深邃洼地）流動到另一個洋盆，流動的距離通常能達到幾千公里。

其中，最大的洋流被稱為“海洋翻轉環流”。它發源于高緯度地區。冬季，溫暖的表層海水溫度降低、密度變大，它們不斷下沉，在海洋深處擴散，最終再次上升，回到溫暖的海洋表面——它們出發的地方。

海洋翻轉環流，藍色路徑為深海流動，橙色路徑為淺海流動

海洋翻轉環流不僅可以將深海營養物質帶到淺海，還能夠重新分配地球的熱量。它與大氣環流共同作用，保持著地球赤道和兩極間30攝氏度左右的溫度差。如果沒有它，這一溫差將擴大，內陸地區也會發生巨變——極地被完全冰封，熱帶地區更加酷熱難當。

海洋翻轉環流對氣候的影響不只在氣溫。海水下沉時，會攜帶著與大氣交換而來的二氧化碳。隨著人類社會不斷發展，大氣中二氧化碳的濃度升高，流入或被吸收進海洋的碳含量也在增加。

目前，海洋中存儲的二氧化碳總量約占人類自工業革命以來排放的二氧化碳總量的30%。雖然大氣中的二氧化碳水平會因此降低，但海水的酸度會不斷增加，海洋生物的生存和整個海洋生態系統都會受到影響。

海洋的危機

如今，隨著全球變暖、冰川融化，海洋也在持續升溫，影響著表層海水的密度。到達某個時間節點后，海洋表層海水密度將達不到在冬季下沉的標準。到那時，海洋翻轉環流流速變慢，吸碳量隨之減少，地球氣候和天氣模式將遭到更大的破壞，未來人類可能會經歷更多極端天氣。

通過氣候建模技術制作的圖表，黑色和灰色的線條為海洋翻轉環流過去相對穩定的變化，彩色的線條是基于不同氣候模型和不同氣候條件，對未來海洋翻轉環流變化的預測

曾經，許多海洋學家認為，海洋翻轉環流的變化會非常緩慢，時間尺度可參照地球冰期的周期變化，以幾萬年計。但在20世紀90年代，一項關于冰蓋的研究指出，海洋翻轉環流或許會在數十年、甚至幾年內發生變化——后續出現的嚴重影響也會隨之而來。

OSNAP項目示意圖。紅線為表層洋流，藍線為深層洋流。垂直向下的黑線為錨固裝置，從海面延伸至海底。紅點代表安裝在錨固裝置上的監測儀器，可以監測洋流、海水溫度和鹽度

值得慶幸的是，計算機技術的進步能夠幫助我們更好地預測這一風險。經過計算、分析、建立模型我們得知，海洋翻轉環流的崩潰或許會在2100年前后發生。為了我們的子孫后代，為了地球的未來，我們必須繼續觀測海洋，才能更準確地預測海洋變化。

更好地觀測未來

全球的海洋學家正致力于搭建一個國際海洋觀測系統，這個項目名為北大西洋近極地海洋翻轉環流項目（下文簡稱OSNAP）。自2014年開始，每隔一年的夏天，研究船都會沿OSNAP的航線航行，安放儀器、進行測量。航線分為幾條，從拉布拉多海岸一直延伸到格陵蘭島的一側，又從格陵蘭島的另一側開始，一直到蘇格蘭海岸，數十位來自不同國家的海洋學家都參與了航行。

用來測量海洋和大氣間碳交換的浮標，是龐大的全球測量系統中的一小部分

蘇珊的學生在格陵蘭島近海回收采集了深海海水樣品的采水器

自動駕駛滑航儀。它會按照預先設置的路線在深海進行測量，每隔一段時間躍出海面一次，將信息上傳給上方經過的衛星

海洋觀測的時間跨度非常長，我們無法通過短期的數據變化推斷海洋翻轉環流是在增強還是減弱。我們也不能孤立地研究它，海洋是緊密聯系在一起的，我們需要在全球范圍測量海水是否升溫、變淡、變酸，以便更好地理解和評估海洋翻轉環流的變化。

如今，在各個國家海洋學家的通力合作下，地圖上已經密密麻麻地布滿了代表測量裝置的點。為了地球的未來，我們正在不斷努力。

阿德拉德的許多問題，我們花了幾個世紀來找答案。但想要解決我們的問題，卻不再有幾個世紀的時間，或許只有幾十年，甚至幾年。想要阻止海平面上升，降低海洋翻轉環流變慢或者停止的風險，必須有更多的人關注，需要所有人齊心協力，為減少大氣中的二氧化碳而努力。

（責任編輯 / 牛一名? 美術編輯 / 周游）