南极海域混合及上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.doc

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