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作者：高抒
天气、气候和气候变化都涉及气温、降水等要素，其中天气的时间尺度往往只有几天，气候是关于天气要素的季节和年际变化，而气候变化则涉及十年、百年、千年、万年甚至更长的时间。 2022年夏季发生全球范围的持续高温，同样升温的是人们对气候变化的关注。在历史长河中，气候变化对人类社会的影响很大。我国科学家竺可桢等学者发现，在生产力较为低下的古代中国，在寒冷严重影响农牧业生产的时候，容易发生社会动荡。地处英国北方的苏格兰，如今气候温和，适合人类居住，但当地地表出露冰川的泥砾堆积物[1]表明其曾经被冰川所覆盖[2]。更早些时候，学者研究阿尔卑斯山，也发现地质历史上的冰川堆积物是周期性产生的[3]。一时间，气候变化成为时尚问题，不仅仅是地质学家，物理学家、化学家、生物学家，几乎所有学科的都卷了进来，至今已经研究了约200年。这项研究传到我国，也吸引了不少学者，其中李四光因此发现了庐山的冰川遗迹[4]，此后，更多学者参与其中，研究西部地区的现代冰川、调查地球的南北两极等。本文试图回顾海洋影响气候变化的学术思想发展路径，重点探讨目前一些主导性理论或观点的源头，并阐述其中所蕴含的科学问题。 CCTC®01   研究者们很早就意识到，影响长期气候变化有三个重要因素：天文周期、海陆分布和海洋过程[1]。 天文周期方面的例子很多，比如，地球自转一周24小时，产生昼夜周期;地球围绕太阳一周，需要365天，所以有年周期、季节变化。气候变化受到多种天文周期的影响。地球表面接受的太阳热能，与太阳的远近和阳光入射角度有关，因此可以说天文周期提供了气候变化的能量条件。 海陆分布影响海洋和大气的状态。海洋在南北半球的分布很不同：南半球陆地面积较小，海洋东西连通性好;北半球分布着地球上的主要陆地，太平洋、大西洋东西向互不连通，但各自南北向连通。因此南北半球的气候有所不同，南半球温和一些。假如把北半球的大洋改成东西向连通，南北不连通，那么气候就会大不相同。可以想象海陆分布影响气候的一种极端情形：如果两极地区没有陆地，只有海洋，那么冰雪就难以积累，这是因为海水是流动的，冰雪不能固定在同一个地方，也就无法增厚。目前的地球，南极是大陆，北极虽然是海洋(北冰洋)，但周边有大片陆地，是可以形成冰盖的。要注意的是，尽管在地质历史上，百万、千万乃至亿年的时间尺度上，海陆分布经常发生变化，但在10万年以内，海陆的位置变化不太明显，可以看成是固定的。 海洋过程有物理、化学和生物过程。洋流将热能和水体输往高纬和极地海区，使得热能在全球海洋分布相对比较均匀。伴随着海水运动，相对较热的水体所到之处，大气中的水汽含量随之上升，从而增大降水量。此外，海洋中有大量生物生长，不断进行太阳热能、水汽和CO2的传输、转换，而这些能量和物质都与气候变化密切相关。 以上三个因素中，天文因素是周期性的，海陆分布也是一个比较稳定的因素，而海洋过程则是一个常态化的活跃因素，因此，气候变化与海洋密切相关，用英国科学家克罗尔(J. Croll)的话来说，大洋环流提供了气候变化所需的物理机制[1]。 CCTC®02 大洋环流与热能、水汽输送 海洋对于天气的影响，是不难感受到的。夏天，陆地比海洋升温快，于是陆地气流上升，海洋气流从低空进入，形成从海到陆的风，让沿海地方的人们感受到凉爽。 海洋对于气候的影响要稍复杂些。通过大气媒介，海洋使得气温、降水在各地分布得均匀一些。太阳辐射提供了海水长距离运动的主要动能。大洋环流有两种方式：一是热带海域水温升高、水位抬升，于是，水往低处流，低纬地区的水体向高纬地区运动;二是被阳光晒热和未晒热的海洋，造成两边大气密度的差异，引发大气运动，就产生了风，而风吹在海面上，也能使海水流动。 平面环流的方向在南北半球有别，这是地球自转造成的。大致以赤道为界，北半球的环流是顺时针方向的，而南半球的环流是逆时针方向的。在太平洋，赤道附近水流向西运动，我国东面的西太平洋水流向北运动(称为黑潮)，然后经由日本海岸、加拿大和美国东海岸返回赤道水域。大西洋也有类似的水流，其西部沿美国东海岸北上的水流称为墨西哥湾流(或简称湾流)。受黑潮和湾流影响的地方，其气候要比同纬度的地方暖和一些，比如日本海岸有着相对湿润温和的气候，英国南部虽地处北纬51度，却以常绿树为特征。降水方面，黑潮和湾流携带的水汽在沿程逐渐释放，到达大洋东边时，自北向南降水逐渐减少，因此在北半球的大陆西岸，从北到南逐渐变得干旱，从温哥华到西雅图、旧金山、洛杉矶，或者从英国到法国、西班牙、葡萄牙，都可看到这种现象。 大洋环流对气候变化的影响体现在热能、水体输送与大气的关系上，与前述的情况有所不同，此处针对的是靠近极地的区域[7]。极地区域最大的特点是接受的太阳能和向太空辐射损失的能量很不平衡，若无海洋的补偿，地表气温会很低。 海洋的影响是有多样性的。在“全球变暖”状态下，仅从热量输送的角度看，海洋给极地区域带来了额外的热能，似乎会进一步加剧变暖趋势，但深入的分析需要考虑以下两点。 首先是这部分热能对极地增暖起多大作用。假如这里的地面是裸露的土壤，地面增温将比较显著，而如果地面为冰雪，则阳光将被大量反射到太空。此外，冰雪地面还有一个作用，就是加大向太空的辐射，冰面温度虽然较低，但相对于外太空却是很高的，因而造成辐射损失。海洋传入额外的热能，是否会破坏冰雪覆盖的地面?要回答这个问题，还必须考虑海洋输入的水汽。纬度稍低处，水汽转化为降雨，但在极地区域，水汽转化的是降雪。在气候变暖的背景下，新降落的雪会在夏季全部融化，不过它却产生了一个新的作用，即减缓原有冰盖的融化。可以想象，如果没有新的降雪补充，原有冰盖的融化会快得多。
海洋输送的热能和水汽在中纬度（左）和极地区域（右）的不同效应
冰盖融水对经向翻转流影响机制 (a)冰盖融水层规模小，向极地输运的海水温度降低至4℃时，发生下沉，产生经向翻转流（箭头指示垂向环流流向）；(b)冰盖融水层占据垂向环流水体下沉区，向极地输运的海水不能到达下沉位置，经向翻转流被遏制。（海水等温线数字单位为℃） 因此，海洋的热能和水汽输往极地，虽然热能有所增加，但降雪也增加了，其综合的结果是有利于保持或减缓冰盖损失，而冰盖的存在则使海洋新输入热能的增温效果大打折扣。这就是说，海洋的作用是减缓全球变暖。全球变暖加剧海洋输送，但加剧的输送又反过来不利于继续变暖，这是一种负反馈机制。 其次，海洋作用的另一个效果是垂向环流对气候变暖的响应。海洋平均水深约4000米，暖水在表层流向高纬和极地区域，并在流动中逐渐降温，最终下沉，从底层返回低纬地区。由于海水中含有3.5%的盐分，因此海水最高密度所对应的温度是4℃，在极地附近，这个温度高于周边水温，但由于密度最大，仍然发生沉降，这就是垂向环流产生的原因。海洋向极地的持续输送依赖于垂向环流。然而，极地区域的变暖可导致冰盖融化加剧，而融化的淡水是低密度的，如果大量覆盖在海洋表层，则会占据原本环流可以到达的地方;海水不能到达周边水体密度较低的地方，那么下沉就不会发生，从而阻断垂向环流[8]，极地区域重回热能入不敷出的状态，变暖趋势得到遏制。过去，此类现象是基于理论分析推论的[1,7]，但近年来随着观测技术和模拟水平的提高，重新变为研究热点[9]。 在“全球变冷”状态下，海洋的影响又会如何?一方面，此时海洋输运仍然发生，只是强度可能稍有减弱，所提供的热能难以逆转极地区域的热能亏损;另一方面，海水所携带的水汽转化为冰雪，即便在夏季也不会全部融化，冰雪的体积因此逐年增大。冰雪层逐渐变厚的后果是在重力作用下向外扩展，覆盖面积越来越大，整个地球也就越来越冷，冰期就此来临。可以说，海洋输来的水汽对全球变冷起了推波助澜的作用。 不过，地球的神奇之处是，负反馈机制无处不在，冰盖的增厚也是如此。如前所述，冰盖在重力的作用下向纬度较低的方向运动，最后覆盖了整个大陆的大部分地区，地球进入冰期。在1.8万年之前，北美大陆就曾经被冰雪所覆盖，东亚地区的冰盖最大时有多大，研究者们还有不同看法，但可以肯定的是覆盖的范围不小。那么，冰盖能够达到的最大规模究竟是多少?冰盖的厚度越大，扩张速度越快，当厚度不再增加时，扩张范围达到最大。什么时候冰盖厚度不再增加?冰雪补充量与冰盖边缘冰块融化脱落到大海的冰量相等的时候。物理学家在100多年前就已经研究过这个问题了，现在的观测和计算更加精细;研究表明，陆地上冰盖的最大厚度能达到3500米左右。因此，冰盖范围要受到这一厚度的制约。当间冰期到来的时候，冰盖融化，留下的冰碛物指示了曾经达到的范围。 CCTC®03 海洋生物固碳作用 地球大气层是天气和气候的直接载体，气候变化与大气成分变化有关，目前科学家争论的问题之一是，人类通过燃烧煤、石油、天然气，把大量CO2排到大气之中，这是否是气候变暖的主要原因?换言之，除了上文提到的三个因素之外，还有另外一条独立的通路可能导向气候变化，这个想法也可追溯到19世纪后期[10]。当然，两条通路同时存在，也是可能的。 CO2是一种高效率的温室气体，能将太阳能截留在大气层中，自20世纪后半叶以来大气中CO2浓度持续上升。与此同时，全球气候呈现变暖趋势。这使得研究者猜测两者之间的关联性。尽管CO2浓度上升所引发的效应还难以准确定量计算，但不少人相信，相关性很可能意味着因果关系，因而将20世纪以来的气候变暖归因于人类排放过多的CO2。不同意这个观点的学者则认为，气候变化主要是自然过程，CO2只是其中一个插曲，不能起决定性的作用。谁对谁错，尚未有定论，但对国际政治已经产生了很大影响;应对气候变化已经成为热点话题，而应对的措施与气候变化的原因有关，原因不同，措施也不同[11]。在争论尚未尘埃落定的情况下，为了保险起见，主流的看法是要降低CO2排放，要在不远的将来，达到化石燃料使用的最大值，进而使大气CO2浓度不再提高。要达到此目标，不能忽视海洋的调节作用。海洋作用的结果是减缓大气CO2上升，其途径是通过生物活动和沉积过程。 CO2能穿越海水表面而进入水体内部，故海水中有一定量的溶解CO2，可供植物生长。海洋藻类植物通过光合作用，产生碳水化合物。在此过程中，所需营养物质碳氮磷的比例大致为106:16:1，也就是说，生物生长需要106份碳、16份氮，再加1份磷。从大气进入海洋的CO2就这样被海洋生物生长所消耗了。海洋植物除了部分被动物所食之外，在死亡之后，有许多植物颗粒在水层中被微生物所分解，还有一部分有机质随着沉积物一起堆积在海底。事实上，我们现在所用的化石燃料，就是堆积在沉积物里的有机质变成的。石油、天然气和煤炭被使用后变成CO2，CO2被海洋生物使用，最后重回沉积物，这就完成了一个大循环[11]。如果大气CO2增加，则进入海洋的溶解CO2也相应增加，生物活动因此更加旺盛，最后回归海底的有机质也增加。以此种方式，海洋可以调节大气CO2浓度。 海洋生物的作用还不止于此。海水中钙离子与CO2结合成碳酸钙，许多动植物以合成碳酸钙的方式形成自己身体的一部分，如珊瑚用它构建自己的骨骼，贝类用它长成介壳，大部分有孔虫的外壳、许多藻类的骨架部分也是碳酸钙。作为无机物颗粒的碳酸钙堆积到海底，像生物有机物一样脱离大气CO2系统。地质历史上，进入沉积物的有机碳有5000万BMT(1 BMT=10亿吨)，无机碳有1000万BMT，比当前大气中的碳总量748 BMT高出5个数量级[12]。 所以，海洋物理机制调节极地冰雪，而海洋生物机制调节大气CO2浓度。如果CO2成为气候变化的主导作用，那么海洋生物机制就将带来一个挑战性的问题：地质历史上，大气CO2浓度较高的时期，气候也应比较温暖，那么海洋生物生长旺盛也应与此相关;然后，旺盛的海洋生物活动可能消耗掉全部大气CO2，使得生物活动难以为继，这可能导致生物灭绝;大气CO2缺失导致温室效应丧失，造成气候变冷。在温室气体效应假设之下，人们试图脱离天文周期和海陆分布因素来解释地球历史上的气候变化。据研究[12]，目前大气CO2总量为748 BMT，每年火山等CO2供给为0.048—0.18 BMT，若每年净收支为0.001 BMT，则大气CO2浓度可在百万年内发生很大变化，这表明温室气体引发气候变化的可能性。需注意的是，气候变化和生物大灭绝孰为因、孰为果，其解释需要与CO2收支因素相匹配。例如，说生物活动耗尽大气CO2，导致气候变冷，然后造成生物死亡，这一解释就有些可疑，因为不等到大气CO2耗尽，生态系统可能早就崩溃了，此时气候变冷的条件就成为非必要的。
大气CO2收支造成的时间变化 (a)大气补充量>沉积作用移除量，大气CO2总量上升；(b)大气补充量<沉积作用移除量，大气CO2总量下降。（假设每年大气CO2净收支为±0.001BMT） CCTC®04  长期气候变化的海洋记录 如前所述，海洋会影响气候变化，反过来海洋也受气候变化影响。在全球变暖的情况下，海面会上升，使得许多地势低的地方处于危急状态，如太平洋、印度洋和大西洋的珊瑚礁岛海拔很低，通常都在5米以下，岛上居民可能丧失生存条件;海洋风暴也会加剧，人们不得不面对未来风暴的防范问题。此外，海洋软体动物也受到全球变暖的影响，海水CO2含量上升造成海水酸化，影响其钙质骨骼和壳体发育。 还有一个相关的问题：关于全球气候变化，我们是怎么知道的?人类使用仪器做观测，只有100多年的历史，如果要考察海洋与全球气候变化相互关系的更长历史，就要依赖其他资料，特别是地层记录资料。10万年尺度的冰期、间冰期变化，其确切的历史数据就是从海洋沉积中获得的[13]。在这一点上，海洋不仅是全球气候变化的参与者，也是其见证者。从海洋中所见，不仅有海洋对气候变化的影响，也有后者对海洋自身的影响，关键是要能够提取沉积记录所含的信息[14]。 回到本文主题，海洋如何影响全球气候变化?以上论述中提出的看法是：海洋通过能量和物质向极地区域传输转换，对全球气候变暖起到遏制作用，而对全球气候变冷则有放大作用。此外，海洋还通过生物活动调节大气CO2浓度，进而影响气候变暖或变冷。全球气候变化是一个异常复杂的科学问题，涉及的科学问题很多，可以预见，在今后较长的一段时间里，海洋对气候变化的影响仍将是一个热门议题。 致谢：感谢江苏省地质学会邀请笔者参与2022年4月23日世界地球日科普活动，本文基于当日科普讲座并作了适当调整。高建华、舒卓对插图绘制提供了帮助，谨此致谢。 高抒：教授，南京大学地理与海洋科学学院，南京，210023。 Gao Shu: Professor, School of Geography and Ocean Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023. [1]Croll J. Discussions on climate and cosmology. London: Edward Stanford, 1889: 327. [2]Geikie J. The great ice age and its relation to the antiquity of man. London: W. Isbister, 1874: 575. [3]Agassiz L. Upon glaciers, moraines, and erratic blocks: Address delivered at the opening of the Helvetic Natural History Society at Neuchatel. The Edinburgh New Philosophical Journal, 1838, 24: 864-883. [4]李四光. 冰期之庐山//李四光全集(第2卷).武汉: 湖北人民出版社, 1937: 395-486. [5]Cvijanovic I, Lukovic J, Begg J D. One hundred years of Milankovićcycles. Nature Geoscience,2020,13: 524-525. [6]Sverdrup K A, Duxbury A C, Duxbury A B. Introduction to the world’s oceans .8th edition. New York: McGraw-Hill, 2005: 514. [7]Stommel H M. The Gulf Stream: a physical and dynamical description. Berkeley: University of California Press, 1958: 202. [8]Caesar L, Rahmstorf S, Robinson A, et al. Observed fingerprint of a weakening Atlantic Ocean overturning circulation. Nature, 2018, 556: 191-196. [9]Devilliers M, Swingedouw D, Mignot J, et al. A realistic Greenland ice sheet and surrounding glaciers and ice caps melting in a coupled climate model. Climate Dynamics, 2021, 57: 2467-2489. [10]Arrhenius S. On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground. Philosophical Magazine, 1896, 41: 237-276. [11]杰夫·古德尔. 巨浪来袭: 海面上升和文明世界的重建. 高抒,译. 上海:上海科学技术出版社, 2021: 289. [12]Libes S M. An introduction to marine biogeochemistry .2nd edition. Amsterdam: Academic Press, 2009: 909. [13]Hays J D, Imbrie J, Shackleton N J. Variations in the earth’s orbit: pacemaker of the ice ages. Science, 1976, 194: 1121-1132. [14]Yang Y, Maselli V, Normandeau A, et al. Latitudinal response of storm activity to abrupt climate change during the last 6500 years. Geophysical Research Letters, 2020, 47: GRL61250. 关键词：海洋 气候变化 热能和水汽输送 CO2 沉积记录■ END 让世界多一分爱
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