“海洋熱機(jī)”的氣候變化故事

　　
　　圖1意大利羅馬，俯瞰被積雪覆蓋的科洛西姆圓形競(jìng)技場(chǎng)
　　2012年初，嚴(yán)寒和大雪持續(xù)襲擊歐洲。截至2月4日，歐洲各國(guó)共計(jì)確認(rèn)凍死超過(guò)260人。在意大利，冬季溫暖的陽(yáng)光是許多人對(duì)羅馬的記憶。而首都羅馬這次卻迎來(lái)近30年間的首場(chǎng)大雪，城區(qū)的一些地區(qū)積雪厚度達(dá)20厘米，包括科洛西姆圓形競(jìng)技場(chǎng)在內(nèi)的多處旅游景點(diǎn)都因被大雪覆蓋不得不暫停開放（圖1）。對(duì)本世紀(jì)以來(lái)的冬季（12月、1月、2月）地面氣溫變化的衛(wèi)星觀測(cè)表明，歐洲地區(qū)（圖2黑框區(qū)）普遍降溫0.2~0.5攝氏度。那么，對(duì)全球氣候而言，歐洲地區(qū)的降溫有什么重要的科學(xué)指示意義呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，首先還要從海洋說(shuō)起。
　　
　　圖2美國(guó)宇航局衛(wèi)星觀測(cè)到的本世紀(jì)全球地面溫度變化?
　　
　　圖3全球溫鹽環(huán)流活動(dòng)示意圖（紅色表示上升、藍(lán)色表示下沉）
　　在目前天文科學(xué)家能夠觀測(cè)到的宇宙億萬(wàn)顆星球中，地球是唯一的一顆“藍(lán)色星球”。全球海洋，包括大西洋、太平洋、印度洋、北冰洋和南大洋覆蓋了地球表面的71%。其中，最大的太平洋就占地球表面的一半以上，比所有陸地面積總和還大。巨大的海洋容納了近13.7億立方千米的水（雖然這些都是無(wú)法為人類所直接利用的鹽水），占全球總水量的97%以上。海洋是地球所有生物的發(fā)源地，今天，它仍然為地球90%以上的生物提供生存空間。對(duì)人類社會(huì)的生存和發(fā)展而言，海洋更是由于它在調(diào)節(jié)地球氣候系統(tǒng)中所起的關(guān)鍵作用，引起科學(xué)家的高度關(guān)注。
　　早在18世紀(jì)，蘇格蘭科學(xué)家布萊克發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量相同的不同物質(zhì)，上升到相同溫度所需的熱量不同。與空氣相比，水的質(zhì)量熱容量（即單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度上升1℃需要的熱量）要大3倍多、容積熱容量（即單位容積的物質(zhì)溫度上升1℃需要的熱量）更要大3000多倍，因此，在同樣受熱或冷卻的情況下，水的溫度變化要小。海洋這個(gè)巨大的“水庫(kù)”在吸收太陽(yáng)輻射能后，以海水升溫方式將太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)。然后，在日夜和季節(jié)的轉(zhuǎn)換中，將儲(chǔ)存的熱能釋放出來(lái)，并通過(guò)水與空氣熱容量所存在的差異，影響全球天氣氣候變化。海洋的這個(gè)熱庫(kù)特性可以被人們直接體驗(yàn)到：白天沿海地區(qū)比內(nèi)陸地區(qū)溫升慢，夜晚沿海溫度降低少；一年之中夏季內(nèi)陸地區(qū)要比沿海炎熱，到了冬季，內(nèi)陸要比沿海地區(qū)寒冷。
　　海洋這個(gè)熱庫(kù)，通過(guò)自身不同深度的洋流活動(dòng)，又將地球表面不同地區(qū)接受到的太陽(yáng)能量在全球進(jìn)行重新分配。打個(gè)不十分恰當(dāng)?shù)谋确?，如果將全球氣候系統(tǒng)比做一輛汽車，那么太陽(yáng)能就相當(dāng)于汽油，而海洋的作用就像是汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，汽油只有通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)里的燃燒，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，然后經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)，才能驅(qū)動(dòng)汽車的運(yùn)行。
　　科學(xué)家經(jīng)過(guò)觀測(cè)和計(jì)算機(jī)模擬分析，基本確定了海洋作為全球氣候系統(tǒng)的“熱機(jī)”的基本活動(dòng)規(guī)律。首先，在全球風(fēng)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，海洋表層大洋環(huán)流將暖水向極地方向輸送，將冷水向赤道方向輸送。在這些冷暖洋流周圍的陸地上形成了不同的氣候。例如，北美的加利福尼亞寒流和南美的秘魯寒流等就是美洲大陸西岸沙漠氣候的成因之一。海洋表層大洋環(huán)流只是在海洋上層300米，其質(zhì)量只占海洋的10%。對(duì)于占整個(gè)海洋80%的深度在1?5千米以上的深冷層來(lái)說(shuō)，表面風(fēng)已經(jīng)沒(méi)有任何影響，洋流活動(dòng)主要由溫度和鹽度空間分布來(lái)驅(qū)動(dòng)?？茖W(xué)上稱為“溫鹽環(huán)流”（圖3）。
　　現(xiàn)代溫鹽環(huán)流的一個(gè)顯著特征是各個(gè)洋盆間處于不對(duì)稱狀態(tài)。在兩極海洋，隨著緯度的增高，溫度下降造成上層海水急劇冷卻，密度增大產(chǎn)生劇烈下沉，但這主要發(fā)生在北大西洋，而北太平洋僅能形成中層水。源于南極形成的底水和北大西洋形成的深水，通過(guò)混合作用處于上升狀態(tài)。受溫鹽環(huán)流不對(duì)稱的影響，北大西洋海表的平均溫度高于同緯度北太平洋海表溫度，導(dǎo)致北大西洋可以向其上方的大氣釋放更多的熱量和水汽，在盛行風(fēng)的影響下使處于北大西洋東岸的北歐比同緯度其他地區(qū)的氣候要溫和宜人得多。在現(xiàn)代氣候系統(tǒng)中，只有大西洋存在能夠向高緯度輸送熱量的經(jīng)向溫鹽環(huán)流，因此，它的任何改變將對(duì)歐洲區(qū)域乃至全球氣候造成顯著影響。
　　由于全球溫鹽環(huán)流的循環(huán)依賴于海水中溫度和鹽度的差異，因此，科學(xué)家特別擔(dān)憂目前正在發(fā)生的全球變暖將會(huì)威脅到它的運(yùn)轉(zhuǎn)。這是因?yàn)槿蜃兣瘯?huì)直接導(dǎo)致北半球中高緯度地區(qū)冰川融水和降水的增加，大量淡水進(jìn)入北大西洋，使海洋表面的鹽度降低，海水下沉減緩甚至停止，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)溫鹽環(huán)流的中斷。這種情況一旦發(fā)生，由赤道向極區(qū)的熱量輸送就會(huì)劇減，北半球中高緯度地區(qū)，特別是歐洲地區(qū)氣溫將急劇變冷。這也就是科學(xué)家對(duì)歐洲冬季氣溫變化為什么會(huì)如此關(guān)心的緣由。