“海洋熱機”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技場
　　2012年初，嚴寒和大雪持續襲擊歐洲。截至2月4日，歐洲各國共計確認凍死超過260人。在意大利，冬季溫暖的陽光是許多人對羅馬的記憶。而首都羅馬這次卻迎來近30年間的首場大雪，城區的一些地區積雪厚度達20厘米，包括科洛西姆圓形競技場在內的多處旅游景點都因被大雪覆蓋不得不暫停開放（圖1）。對本世紀以來的冬季（12月、1月、2月）地面氣溫變化的衛星觀測表明，歐洲地區（圖2黑框區）普遍降溫0.2~0.5攝氏度。那么，對全球氣候而言，歐洲地區的降溫有什么重要的科學指示意義呢？要回答這個問題，首先還要從海洋說起。
　　
　　圖2美國宇航局衛星觀測到的本世紀全球地面溫度變化?
　　
　　圖3全球溫鹽環流活動示意圖（紅色表示上升、藍色表示下沉）
　　在目前天文科學家能夠觀測到的宇宙億萬顆星球中，地球是唯一的一顆“藍色星球”。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源地，今天，它仍然為地球90%以上的生物提供生存空間。對人類社會的生存和發展而言，海洋更是由于它在調節地球氣候系統中所起的關鍵作用，引起科學家的高度關注。
　　早在18世紀，蘇格蘭科學家布萊克發現，質量相同的不同物質，上升到相同溫度所需的熱量不同。與空氣相比，水的質量熱容量（即單位質量的物質溫度上升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。海洋這個巨大的“水庫”在吸收太陽輻射能后，以海水升溫方式將太陽能儲存起來。然后，在日夜和季節的轉換中，將儲存的熱能釋放出來，并通過水與空氣熱容量所存在的差異，影響全球天氣氣候變化。海洋的這個熱庫特性可以被人們直接體驗到：白天沿海地區比內陸地區溫升慢，夜晚沿海溫度降低少；一年之中夏季內陸地區要比沿海炎熱，到了冬季，內陸要比沿海地區寒冷。
　　海洋這個熱庫，通過自身不同深度的洋流活動，又將地球表面不同地區接受到的太陽能量在全球進行重新分配。打個不十分恰當的比方，如果將全球氣候系統比做一輛汽車，那么太陽能就相當于汽油，而海洋的作用就像是汽車的發動機和傳動系統，汽油只有通過在發動機里的燃燒，推動活塞運動，然后經過傳動系統，才能驅動汽車的運行。
　　科學家經過觀測和計算機模擬分析，基本確定了海洋作為全球氣候系統的“熱機”的基本活動規律。首先，在全球風場的驅動下，海洋表層大洋環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。海洋表層大洋環流只是在海洋上層300米，其質量只占海洋的10%。對于占整個海洋80%的深度在1?5千米以上的深冷層來說，表面風已經沒有任何影響，洋流活動主要由溫度和鹽度空間分布來驅動?？茖W上稱為“溫鹽環流”（圖3）。
　　現代溫鹽環流的一個顯著特征是各個洋盆間處于不對稱狀態。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，密度增大產生劇烈下沉，但這主要發生在北大西洋，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，通過混合作用處于上升狀態。受溫鹽環流不對稱的影響，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，在盛行風的影響下使處于北大西洋東岸的北歐比同緯度其他地區的氣候要溫和宜人得多。在現代氣候系統中，只有大西洋存在能夠向高緯度輸送熱量的經向溫鹽環流，因此，它的任何改變將對歐洲區域乃至全球氣候造成顯著影響。
　　由于全球溫鹽環流的循環依賴于海水中溫度和鹽度的差異，因此，科學家特別擔憂目前正在發生的全球變暖將會威脅到它的運轉。這是因為全球變暖會直接導致北半球中高緯度地區冰川融水和降水的增加，大量淡水進入北大西洋，使海洋表面的鹽度降低，海水下沉減緩甚至停止，進而導致整個溫鹽環流的中斷。這種情況一旦發生，由赤道向極區的熱量輸送就會劇減，北半球中高緯度地區，特別是歐洲地區氣溫將急劇變冷。這也就是科學家對歐洲冬季氣溫變化為什么會如此關心的緣由。