海洋如何影響全球氣候變化

天氣、氣候和氣候變化都涉及氣溫、降水等要素，其中天氣的時間尺度往往只有幾天，氣候是關(guān)于天氣要素的季節(jié)和年際變化，而氣候變化則涉及十年、百年、千年、萬年甚至更長的時間。

2022年夏季發(fā)生全球范圍的持續(xù)高溫，同樣升溫的是人們對氣候變化的關(guān)注。在歷史長河中，氣候變化對人類社會的影響很大。我國科學(xué)家竺可楨等學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)力較為低下的古代中國，在寒冷嚴重影響農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的時候，容易發(fā)生社會動蕩。地處英國北方的蘇格蘭，如今氣候溫和，適合人類居住，但當?shù)氐乇沓雎侗ǖ哪嗟[堆積物[1]表明其曾經(jīng)被冰川所覆蓋[2]。更早些時候，學(xué)者研究阿爾卑斯山，也發(fā)現(xiàn)地質(zhì)歷史上的冰川堆積物是周期性產(chǎn)生的[3]。一時間，氣候變化成為時尚問題，不僅僅是地質(zhì)學(xué)家，物理學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家，幾乎所有學(xué)科的都卷了進來，至今已經(jīng)研究了約200年。這項研究傳到我國，也吸引了不少學(xué)者，其中李四光因此發(fā)現(xiàn)了廬山的冰川遺跡[4]，此后，更多學(xué)者參與其中，研究西部地區(qū)的現(xiàn)代冰川、調(diào)查地球的南北兩極等。本文試圖回顧海洋影響氣候變化的學(xué)術(shù)思想發(fā)展路徑，重點探討目前一些主導(dǎo)性理論或觀點的源頭，并闡述其中所蘊含的科學(xué)問題。

研究者們很早就意識到，影響長期氣候變化有三個重要因素：天文周期、海陸分布和海洋過程[1]。

天文周期方面的例子很多，比如，地球自轉(zhuǎn)一周24小時，產(chǎn)生晝夜周期；地球圍繞太陽一周，需要365天，所以有年周期、季節(jié)變化。氣候變化受到多種天文周期的影響。地球表面接受的太陽熱能，與太陽的遠近和陽光入射角度有關(guān)，因此可以說天文周期提供了氣候變化的能量條件。

海陸分布影響海洋和大氣的狀態(tài)。海洋在南北半球的分布很不同：南半球陸地面積較小，海洋東西連通性好；北半球分布著地球上的主要陸地，太平洋、大西洋東西向互不連通，但各自南北向連通。因此南北半球的氣候有所不同，南半球溫和一些。假如把北半球的大洋改成東西向連通，南北不連通，那么氣候就會大不相同?？梢韵胂蠛ｊ懛植加绊憵夂虻囊环N極端情形：如果兩極地區(qū)沒有陸地，只有海洋，那么冰雪就難以積累，這是因為海水是流動的，冰雪不能固定在同一個地方，也就無法增厚。目前的地球，南極是大陸，北極雖然是海洋（北冰洋），但周邊有大片陸地，是可以形成冰蓋的。要注意的是，盡管在地質(zhì)歷史上，百萬、千萬乃至億年的時間尺度上，海陸分布經(jīng)常發(fā)生變化，但在10萬年以內(nèi)，海陸的位置變化不太明顯，可以看成是固定的。

海洋過程有物理、化學(xué)和生物過程。洋流將熱能和水體輸往高緯和極地海區(qū)，使得熱能在全球海洋分布相對比較均勻。伴隨著海水運動，相對較熱的水體所到之處，大氣中的水汽含量隨之上升，從而增大降水量。此外，海洋中有大量生物生長，不斷進行太陽熱能、水汽和CO2的傳輸、轉(zhuǎn)換，而這些能量和物質(zhì)都與氣候變化密切相關(guān)。

以上三個因素中，天文因素是周期性的，海陸分布也是一個比較穩(wěn)定的因素，而海洋過程則是一個常態(tài)化的活躍因素，因此，氣候變化與海洋密切相關(guān)，用英國科學(xué)家克羅爾（J. Croll）的話來說，大洋環(huán)流提供了氣候變化所需的物理機制[1]。

海洋對于天氣的影響，是不難感受到的。夏天，陸地比海洋升溫快，于是陸地氣流上升，海洋氣流從低空進入，形成從海到陸的風(fēng)，讓沿海地方的人們感受到?jīng)鏊?/p>

海洋對于氣候的影響要稍復(fù)雜些。通過大氣媒介，海洋使得氣溫、降水在各地分布得均勻一些。太陽輻射提供了海水長距離運動的主要動能。大洋環(huán)流有兩種方式：一是熱帶海域水溫升高、水位抬升，于是，水往低處流，低緯地區(qū)的水體向高緯地區(qū)運動；二是被陽光曬熱和未曬熱的海洋，造成兩邊大氣密度的差異，引發(fā)大氣運動，就產(chǎn)生了風(fēng)，而風(fēng)吹在海面上，也能使海水流動。

平面環(huán)流的方向在南北半球有別，這是地球自轉(zhuǎn)造成的。大致以赤道為界，北半球的環(huán)流是順時針方向的，而南半球的環(huán)流是逆時針方向的。在太平洋，赤道附近水流向西運動，我國東面的西太平洋水流向北運動（稱為黑潮），然后經(jīng)由日本海岸、加拿大和美國東海岸返回赤道水域。大西洋也有類似的水流，其西部沿美國東海岸北上的水流稱為墨西哥灣流（或簡稱灣流）。受黑潮和灣流影響的地方，其氣候要比同緯度的地方暖和一些，比如日本海岸有著相對濕潤溫和的氣候，英國南部雖地處北緯51度，卻以常綠樹為特征。降水方面，黑潮和灣流攜帶的水汽在沿程逐漸釋放，到達大洋東邊時，自北向南降水逐漸減少，因此在北半球的大陸西岸，從北到南逐漸變得干旱，從溫哥華到西雅圖、舊金山、洛杉磯，或者從英國到法國、西班牙、葡萄牙，都可看到這種現(xiàn)象。

大洋環(huán)流對氣候變化的影響體現(xiàn)在熱能、水體輸送與大氣的關(guān)系上，與前述的情況有所不同，此處針對的是靠近極地的區(qū)域[7]。極地區(qū)域最大的特點是接受的太陽能和向太空輻射損失的能量很不平衡，若無海洋的補償，地表氣溫會很低。

海洋的影響是有多樣性的。在“全球變暖”狀態(tài)下，僅從熱量輸送的角度看，海洋給極地區(qū)域帶來了額外的熱能，似乎會進一步加劇變暖趨勢，但深入的分析需要考慮以下兩點。

首先是這部分熱能對極地增暖起多大作用。假如這里的地面是裸露的土壤，地面增溫將比較顯著，而如果地面為冰雪，則陽光將被大量反射到太空。此外，冰雪地面還有一個作用，就是加大向太空的輻射，冰面溫度雖然較低，但相對于外太空卻是很高的，因而造成輻射損失。海洋傳入額外的熱能，是否會破壞冰雪覆蓋的地面？要回答這個問題，還必須考慮海洋輸入的水汽。緯度稍低處，水汽轉(zhuǎn)化為降雨，但在極地區(qū)域，水汽轉(zhuǎn)化的是降雪。在氣候變暖的背景下，新降落的雪會在夏季全部融化，不過它卻產(chǎn)生了一個新的作用，即減緩原有冰蓋的融化。可以想象，如果沒有新的降雪補充，原有冰蓋的融化會快得多。

因此，海洋的熱能和水汽輸往極地，雖然熱能有所增加，但降雪也增加了，其綜合的結(jié)果是有利于保持或減緩冰蓋損失，而冰蓋的存在則使海洋新輸入熱能的增溫效果大打折扣。這就是說，海洋的作用是減緩全球變暖。全球變暖加劇海洋輸送，但加劇的輸送又反過來不利于繼續(xù)變暖，這是一種負反饋機制。

其次，海洋作用的另一個效果是垂向環(huán)流對氣候變暖的響應(yīng)。海洋平均水深約4000米，暖水在表層流向高緯和極地區(qū)域，并在流動中逐漸降溫，最終下沉，從底層返回低緯地區(qū)。由于海水中含有3.5%的鹽分，因此海水最高密度所對應(yīng)的溫度是4℃，在極地附近，這個溫度高于周邊水溫，但由于密度最大，仍然發(fā)生沉降，這就是垂向環(huán)流產(chǎn)生的原因。海洋向極地的持續(xù)輸送依賴于垂向環(huán)流。然而，極地區(qū)域的變暖可導(dǎo)致冰蓋融化加劇，而融化的淡水是低密度的，如果大量覆蓋在海洋表層，則會占據(jù)原本環(huán)流可以到達的地方；海水不能到達周邊水體密度較低的地方，那么下沉就不會發(fā)生，從而阻斷垂向環(huán)流[8]，極地區(qū)域重回?zé)崮苋氩环蟪龅臓顟B(tài)，變暖趨勢得到遏制。過去，此類現(xiàn)象是基于理論分析推論的[1，7]，但近年來隨著觀測技術(shù)和模擬水平的提高，重新變?yōu)檠芯繜狳c[9]。

在“全球變冷”狀態(tài)下，海洋的影響又會如何？一方面，此時海洋輸運仍然發(fā)生，只是強度可能稍有減弱，所提供的熱能難以逆轉(zhuǎn)極地區(qū)域的熱能虧損；另一方面，海水所攜帶的水汽轉(zhuǎn)化為冰雪，即便在夏季也不會全部融化，冰雪的體積因此逐年增大。冰雪層逐漸變厚的后果是在重力作用下向外擴展，覆蓋面積越來越大，整個地球也就越來越冷，冰期就此來臨?？梢哉f，海洋輸來的水汽對全球變冷起了推波助瀾的作用。

不過，地球的神奇之處是，負反饋機制無處不在，冰蓋的增厚也是如此。如前所述，冰蓋在重力的作用下向緯度較低的方向運動，最后覆蓋了整個大陸的大部分地區(qū)，地球進入冰期。在1.8萬年之前，北美大陸就曾經(jīng)被冰雪所覆蓋，東亞地區(qū)的冰蓋最大時有多大，研究者們還有不同看法，但可以肯定的是覆蓋的范圍不小。那么，冰蓋能夠達到的最大規(guī)模究竟是多少？冰蓋的厚度越大，擴張速度越快，當厚度不再增加時，擴張范圍達到最大。什么時候冰蓋厚度不再增加？冰雪補充量與冰蓋邊緣冰塊融化脫落到大海的冰量相等的時候。物理學(xué)家在100多年前就已經(jīng)研究過這個問題了，現(xiàn)在的觀測和計算更加精細；研究表明，陸地上冰蓋的最大厚度能達到3500米左右。因此，冰蓋范圍要受到這一厚度的制約。當間冰期到來的時候，冰蓋融化，留下的冰磧物指示了曾經(jīng)達到的范圍。

地球大氣層是天氣和氣候的直接載體，氣候變化與大氣成分變化有關(guān)，目前科學(xué)家爭論的問題之一是，人類通過燃燒煤、石油、天然氣，把大量CO2排到大氣之中，這是否是氣候變暖的主要原因？換言之，除了上文提到的三個因素之外，還有另外一條獨立的通路可能導(dǎo)向氣候變化，這個想法也可追溯到19世紀后期[10]。當然，兩條通路同時存在，也是可能的。

CO2是一種高效率的溫室氣體，能將太陽能截留在大氣層中，自20世紀后半葉以來大氣中CO2濃度持續(xù)上升。與此同時，全球氣候呈現(xiàn)變暖趨勢。這使得研究者猜測兩者之間的關(guān)聯(lián)性。盡管CO2濃度上升所引發(fā)的效應(yīng)還難以準確定量計算，但不少人相信，相關(guān)性很可能意味著因果關(guān)系，因而將20世紀以來的氣候變暖歸因于人類排放過多的CO2。不同意這個觀點的學(xué)者則認為，氣候變化主要是自然過程，CO2只是其中一個插曲，不能起決定性的作用。誰對誰錯，尚未有定論，但對國際政治已經(jīng)產(chǎn)生了很大影響；應(yīng)對氣候變化已經(jīng)成為熱點話題，而應(yīng)對的措施與氣候變化的原因有關(guān)，原因不同，措施也不同[11]。在爭論尚未塵埃落定的情況下，為了保險起見，主流的看法是要降低CO2排放，要在不遠的將來，達到化石燃料使用的最大值，進而使大氣CO2濃度不再提高。要達到此目標，不能忽視海洋的調(diào)節(jié)作用。海洋作用的結(jié)果是減緩大氣CO2上升，其途徑是通過生物活動和沉積過程。

CO2能穿越海水表面而進入水體內(nèi)部，故海水中有一定量的溶解CO2，可供植物生長。海洋藻類植物通過光合作用，產(chǎn)生碳水化合物。在此過程中，所需營養(yǎng)物質(zhì)碳氮磷的比例大致為106：16：1，也就是說，生物生長需要106份碳、16份氮，再加1份磷。從大氣進入海洋的CO2就這樣被海洋生物生長所消耗了。海洋植物除了部分被動物所食之外，在死亡之后，有許多植物顆粒在水層中被微生物所分解，還有一部分有機質(zhì)隨著沉積物一起堆積在海底。事實上，我們現(xiàn)在所用的化石燃料，就是堆積在沉積物里的有機質(zhì)變成的。石油、天然氣和煤炭被使用后變成CO2，CO2被海洋生物使用，最后重回沉積物，這就完成了一個大循環(huán)[11]。如果大氣CO2增加，則進入海洋的溶解CO2也相應(yīng)增加，生物活動因此更加旺盛，最后回歸海底的有機質(zhì)也增加。以此種方式，海洋可以調(diào)節(jié)大氣CO2濃度。

海洋生物的作用還不止于此。海水中鈣離子與CO2結(jié)合成碳酸鈣，許多動植物以合成碳酸鈣的方式形成自己身體的一部分，如珊瑚用它構(gòu)建自己的骨骼，貝類用它長成介殼，大部分有孔蟲的外殼、許多藻類的骨架部分也是碳酸鈣。作為無機物顆粒的碳酸鈣堆積到海底，像生物有機物一樣脫離大氣CO2系統(tǒng)。地質(zhì)歷史上，進入沉積物的有機碳有5000萬BMT（1 BMT=10億噸），無機碳有1000萬BMT，比當前大氣中的碳總量748 BMT高出5個數(shù)量級[12]。

所以，海洋物理機制調(diào)節(jié)極地冰雪，而海洋生物機制調(diào)節(jié)大氣CO2濃度。如果CO2成為氣候變化的主導(dǎo)作用，那么海洋生物機制就將帶來一個挑戰(zhàn)性的問題：地質(zhì)歷史上，大氣CO2濃度較高的時期，氣候也應(yīng)比較溫暖，那么海洋生物生長旺盛也應(yīng)與此相關(guān)；然后，旺盛的海洋生物活動可能消耗掉全部大氣CO2，使得生物活動難以為繼，這可能導(dǎo)致生物滅絕；大氣CO2缺失導(dǎo)致溫室效應(yīng)喪失，造成氣候變冷。在溫室氣體效應(yīng)假設(shè)之下，人們試圖脫離天文周期和海陸分布因素來解釋地球歷史上的氣候變化。據(jù)研究[12]，目前大氣CO2總量為748 BMT，每年火山等CO2供給為0.048—0.18 BMT，若每年凈收支為0.001 BMT，則大氣CO2濃度可在百萬年內(nèi)發(fā)生很大變化，這表明溫室氣體引發(fā)氣候變化的可能性。需注意的是，氣候變化和生物大滅絕孰為因、孰為果，其解釋需要與CO2收支因素相匹配。例如，說生物活動耗盡大氣CO2，導(dǎo)致氣候變冷，然后造成生物死亡，這一解釋就有些可疑，因為不等到大氣CO2耗盡，生態(tài)系統(tǒng)可能早就崩潰了，此時氣候變冷的條件就成為非必要的。

如前所述，海洋會影響氣候變化，反過來海洋也受氣候變化影響。在全球變暖的情況下，海面會上升，使得許多地勢低的地方處于危急狀態(tài)，如太平洋、印度洋和大西洋的珊瑚礁島海拔很低，通常都在5米以下，島上居民可能喪失生存條件；海洋風(fēng)暴也會加劇，人們不得不面對未來風(fēng)暴的防范問題。此外，海洋軟體動物也受到全球變暖的影響，海水CO2含量上升造成海水酸化，影響其鈣質(zhì)骨骼和殼體發(fā)育。

還有一個相關(guān)的問題：關(guān)于全球氣候變化，我們是怎么知道的？人類使用儀器做觀測，只有100多年的歷史，如果要考察海洋與全球氣候變化相互關(guān)系的更長歷史，就要依賴其他資料，特別是地層記錄資料。10萬年尺度的冰期、間冰期變化，其確切的歷史數(shù)據(jù)就是從海洋沉積中獲得的[13]。在這一點上，海洋不僅是全球氣候變化的參與者，也是其見證者。從海洋中所見，不僅有海洋對氣候變化的影響，也有后者對海洋自身的影響，關(guān)鍵是要能夠提取沉積記錄所含的信息[14]。

回到本文主題，海洋如何影響全球氣候變化？以上論述中提出的看法是：海洋通過能量和物質(zhì)向極地區(qū)域傳輸轉(zhuǎn)換，對全球氣候變暖起到遏制作用，而對全球氣候變冷則有放大作用。此外，海洋還通過生物活動調(diào)節(jié)大氣CO2濃度，進而影響氣候變暖或變冷。全球氣候變化是一個異常復(fù)雜的科學(xué)問題，涉及的科學(xué)問題很多，可以預(yù)見，在今后較長的一段時間里，海洋對氣候變化的影響仍將是一個熱門議題。

（致謝：感謝江蘇省地質(zhì)學(xué)會邀請筆者參與2022年4月23日世界地球日科普活動，本文基于當日科普講座并作了適當調(diào)整。高建華、舒卓對插圖繪制提供了幫助，謹此致謝。）

[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. 冰期之廬山//李四光全集（第2卷）.武漢： 湖北人民出版社， 1937： 395-486.

[5]Cvijanovic I， Lukovic J， Begg J D. One hundred years of Milankovi？cycles. 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·古德爾. 巨浪來襲： 海面上升和文明世界的重建. 高抒，譯. 上海：上海科學(xué)技術(shù)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.

關(guān)鍵詞：海洋 氣候變化 熱能和水汽輸送 CO2 沉積記錄 ■