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写在水面上:重建洋流的古老历史

摘要洋流体现了运动,从热带蜿蜒到两极并返回,时时刻刻都在移动大量的水。但他们也非常古老,遵循他们的基本课程数百万年。追踪写在水中的历史

洋流体现了运动,从热带蜿蜒到两极并返回,时时刻刻都在移动大量的水。但他们也非常古老,遵循他们的基本课程数百万年。

追踪写在水中的历史是古海洋学家的工作,例如宾厄姆顿大学地质科学和环境研究系总统多样性博士后研究员 Adriane Lam。Lam 是最近发表在《古海洋学和古气候学》杂志上的“从上新世到最早的更新世(5-2.5 Ma)重建黑潮洋流延伸揭示了一个动态洋流”的主要作者。合著者包括地质科学和环境研究助理教授 Molly Patterson,以及密苏里大学的 Kenneth MacLeod、德克萨斯大学奥斯汀分校的 Solveig Schilling、马萨诸塞大学阿默斯特分校的 R. Mark Leckie、Andrew Fraass of英国布里斯托大学,

北太平洋的主要西部边界流黑潮洋流和延伸类似于沿北美东海岸流动的墨西哥湾流。林解释说,在风的驱动下,边界流是海洋的主力军,将热量、盐分和气体从赤道海域转移到中纬度地区。

“换句话说,这些洋流有助于将热量从热带分布到高纬度地区。事实上,珊瑚出现在黑潮中世界上任何地方的最高纬度,因为海水太温暖了,”她说。

这种温暖来自沿赤道聚集在西太平洋的地表水,称为西太平洋暖池。黑潮将这些水域向北,经过日本海岸,然后在北纬 36 度向东,与开阔的太平洋汇合。此时,它变成了黑潮延伸。

洋流和延伸将大量的热量和水分从温水中蒸发到北半球的低层大气中。因此,它们有助于塑造日本和北美西海岸的降水模式,以及以温暖水域为食的台风路径。除了影响天气,黑潮还可能影响气候,尽管其对千年和百万年时间尺度的影响尚不清楚。

黑潮在生态系统和渔业中也发挥着重要作用。在西北太平洋与亲潮海流相遇,将极地的凉水带向南。在两条洋流相遇的地方,由于暖水和冷水的混合,形成了强烈的温度梯度。它还形成了一个上升流区域,随着洋流向东流动,来自深海的富含营养的海水被带到海面。

不仅仅是水混合在一起:生活在各自洋流中的温水和冷水生物也在生态系统之间的过渡区(称为生态带)中一起流动。它的居民包括几种鱼类和浮游生物,它们最终为日本多产的渔业提供动力,并构成该国经济的重要组成部分。

由于它们对生物多样性、天气和气候的影响,了解黑潮等边界洋流将如何应对气候变化和大气中CO 2水平的增加至关重要。林说,如今,这些洋流的升温速度是海洋其他区域的两到三倍。

海洋模型研究和观测数据还表明,黑潮延伸部分正在向北移动并增加其运输能力,但研究人员尚不知道这些变化将如何影响生活在那里的生物,或当地和区域的天气和气候模式。

最近发表的研究是同类研究中的第一个重建 2.5 到 500 万年前的黑潮,这段时间跨越了全球变暖和变冷的时期,以及现在中部的一条主要海道的关闭美国。看看当前遥远的过去可能会回答有关其未来的一些问题。

过去和未来的海洋

在跨越 2.5 至 530 万年前的上新世期间,大气中的 CO 2水平接近我们今天所面临的水平:约百万分之 350 至 450。今天的大气中有大约百万分之 415 的 CO 2。

“这个时期有趣的部分是大陆的排列与今天相似,这使得上新世成为一个很好的时期,可以用来模拟地球系统将如何应对 CO 2浓度增加和变暖,”林说.

她指出,陆地存在一些差异:直到大约 250 万年前,北美和南美之间存在一条水道,允许太平洋和大西洋的地表水混合。当中美洲航道关闭时,它可能将黑潮洋流支线带入了目前的配置。

上新世包括 3 到 330 万年前的一段时期,被称为皮亚琴察中期暖期 (mPWP),该时期二氧化碳水平升高,全球变暖。这段时期结束后,随着北半球高纬度地区冰川和海冰的增长,降温又开始了。

在最近发表的研究中,研究人员利用曾经生活在黑潮地区地表水域的海洋浮游生物化石壳的化学特征重建了整个 mPWP 中的黑潮。

“我们的数据表明,在上新世 mPWP 变暖的第一阶段,当前变暖并可能将其纬度位置向北移动。然后它又冷却下来,并可能在全球变冷的短暂时期内将其位置向南移动,”她说过。

重建当前

科学家们使用不同的技术来重建洋流的历史,这取决于所讨论的时间尺度。对于较短的时间尺度,他们依靠观测数据来观察洋流路径如何随季节变化,逐年或十年到十年。但是当涉及到气候变化时,该数据集可能不足。

“这就是为什么使用数百万年前的沉积记录重建西部边界流在深时的行为是有用和必要的,”林解释说。“通过沉积记录的镜头,电流的短期变化被‘平滑’或平均化,因此我们基本上只能恢复表明电流长期、更大变化的信号。”

在这项研究中,研究人员使用了从生活在海洋表层的浮游生物化石以及来自西北太平洋海底的沙茨基隆起的三个深海沉积岩芯中获得的化学信号。在过去的 1.7 亿年中,浮游有孔虫一直生活在开阔的海洋中。它们耐用的外壳,称为“测试”,由碳酸钙制成,死后会堆积在海底。

在之前的一项研究中,Lam 计算了后来化学研究中使用的每个地点的浮游生物化石的多样性。她发现从 1200 万年前到今天,沙茨基隆起最北端的多样性最高。这一发现表明,由洋流形成的交错带已经存在了很长时间——黑潮也很可能存在。

研究人员不知道在 mPWP 期间洋流变得多么温暖,或者化学信号受盐度和温度变化的影响有多大。为了更好地了解情况,Lam 和来自纽约州立大学其他学校的同事目前正在研究一项赠款,该赠款将使用不同的化学方法来回答这些问题。

“海洋受到气候变化的巨大影响,我们必须考虑如何保护它和海洋生物。对于黑潮延伸来说尤其如此,因为该地区拥有世界上一些最高的生物多样性海洋,”林说。