我们的世界离不开大尺度的海洋环流，深海的海水甚至影响着地球气候千年尺度的变化。
从全球尺度上看，海水在两极附近变冷，密度变大，它们沉入海洋深处，然后进入太平洋、印度洋等处。随后，它们逐渐与上层海水混合，密度变小。它们会向上移动到大约2千米的深度，然后返回形成一个闭环（风力驱动的上升流最终会将海水带回海面），就这样往复循环。
这种模式被形象地称作传送带，因为它维持着全球热量、盐分、养分和碳的周转，影响着海洋与大气的热量和碳的交换，从而支撑着地球气候和海洋生态系统。
全球海洋环流简化示意图。（图/NASA/JPL）
尽管传送带环流非常重要，但对它的观测却相对有限，尤其是冷水通过上升流从深海回到海面的现象。这一直只是一种理论上的推断，但从未被直接测量过。
近日，一组国际研究团队通过大西洋海底峡谷斜坡上的混合湍流，首次直接测量了冷深水的上升流。研究观测到的上升流速度是在20世纪60年代预测的全球平均速度的10,000多倍。这些发现开始揭开海洋学中一个令人困扰的谜团，并最终有助于提高人类预测气候变化的能力。研究已发表在《自然》上。
令人困扰的上升流
1966年，著名海洋学家沃尔特·蒙克（Walter Munk）利用南极洲附近深层冷水的形成速率，计算出了上升流的全球平均速度。蒙克估计，上升流的速度大概是每天一厘米。这个过程输送的水量其实非常大，但如果将它分布到全球海洋，这种速度就太显得慢了，很难进行直接测量。
蒙克还提出，这种上升流是通过海面下的内波破碎引起的湍流混合作用而产生的。海底的地形非常复杂，潮汐和深层洋流流过海底山脉、峡谷和海脊，会产生内波。内波破碎再混合，就会产生湍流。
但大约25年前，测量结果却显示，海底附近的湍流更为强烈，这给海洋学家带来了一个悖论：如果湍流在水温最低的海底附近最强，这里的水团将经历更强的混合。这会让底层的水更冷、密度更大。换句话说，这应该是把水“向下压”，而不是“往上抬”。那么这些水是如何向上移动的呢？
2016年，研究人员提出了一种新理论，有可能解决这一悖论。这种新的想法认为，海底峡谷壁等地方陡峭的斜坡，可能会产生适当的湍流，从而导致上升流。在这里，海水只能与上方的海水混合，从而降低密度，迫使上涌发生。
为了直接观察到这种现象，验证这样的想法，研究人员计划利用一种名为荧光素的无毒荧光绿色染料在海上进行实验。几年前，他们访问了位于爱尔兰西北约370千米的罗卡尔海槽（Rockall Trough）中一个约2000米深的海底峡谷。就深海峡谷而言，这个地方其实非常不起眼，但这恰恰是它能从已知的大约9500处海洋峡谷中“脱颖而出”的原因，因为科学家希望实验的地点尽可能具有典型性，这样就能让研究结果更具普遍性。
研究使用的无毒荧光染料。（图/San Nguyen）
团队乘船到海底峡谷上方，将一个装有无毒荧光素的55加仑大桶降到离海底10米处，然后遥控触发释放染料。他们利用几种改装仪器对染料进行了高分辨率的追踪。关键的测量数据来自一种名为荧光计的设备，这种设备能检测到微量荧光染料的存在，但还有其他一些仪器也能测量水温和湍流的变化。
研究人员首次通过直接观测证实了峡谷斜坡上湍流驱动的上升流。他们不仅测量到了沿着峡谷斜坡的上升流，而且上升流的速度比蒙克的计算结果预测的要快得多。罗科尔海槽的上升流速度可以达到每天100米，差不多是蒙克预估的10000倍，证明海底附近的上升流可能非常活跃。
染料沿峡谷的扩散观测。（图/Wynne-Cattanach et al，Nature）
此外，研究人员还观察到了一些染料离开斜坡向海槽内部移动的过程，这说明，上升流的物理学原理应该比最初认为的更复杂。
全球性的测试
下一步团队希望测试全球其他海底峡谷是否存在类似的上升流。他们已经在美国加州附近的拉荷亚海底峡谷开启了新实验。虽然罗科尔海槽的特征并不显著，似乎有理由认为这种现象应该相对常见。但测量结果和其他一些间接测量的结果差距比较大。由于海底的湍流非常复杂，还有更多信息有待确认。
一种特殊的高速绞盘，它可以快速升降仪器，追踪水下的染料运动。（图/San Nguyen）
研究人员认为，如果能证明类似的结论在其他地方也能成立，那么全球气候模拟就需要开始考虑到这些湍流驱动的上升流。这项研究或许是在气候模型中加入缺失的海洋物理学的第一步。这最终可以帮助提高我们预测气候变化的能力。
#创作团队：
撰文：Takeko
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.eurekalert.org/news-releases/1049256
https://www.nature.com/articles/d41586-024-01647-8
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07411-2
#图片来源：
封面图&首图：Rawpixel
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