加州大學聖迭戈分校斯克里普斯海洋研究所的研究人員首次帶領一個國際團隊，通過大西洋海底峽谷斜坡上的湍流混合，直接測量了深層冷水的上湧情況。研究人員觀測到的上升流速度是已故著名海洋學家沃爾特-蒙克在20 世紀60 年代預測的全球平均速度的1 萬倍以上。

研究人員用來快速升降儀器的特殊高速絞盤，以追蹤染料在水下的移動。圖片來源：San Nguyen

這些結果發表在史克里普斯大學博士後貝瑟恩-溫恩-卡塔納奇（Bethan Wynne-Cattanach）領導的一項新研究中，並發表在《自然》（Nature）雜誌上。這些發現開始揭開海洋學中一個令人困擾的謎團，並最終有助於提高人類預測氣候變遷的能力。這項研究得到了自然環境研究委員會和美國國家科學基金會的資助。

這個桶子裡裝滿了無毒螢光染料，研究人員將其釋放到海底上方，以回答海洋學中一個長期存在的問題。圖片來源：San Nguyen

我們所熟知的世界需要大尺度的海洋環流，也就是常說的傳送帶環流，在這種環流中，海水在兩極附近變得寒冷而濃密，沉入深海，最終又回升到海面，並在那裡變暖，再次開始循環。這些廣泛的模式維持著熱量、養分和碳的更替，支撐著全球氣候、海洋生態系統以及海洋減緩人類造成的氣候變遷的能力。

儘管輸送帶非常重要，但其中一個被稱為經向翻轉環流（MOC）的部分卻很難觀測到。特別是冷水透過上升流從深海返回海面的現象，一直是理論上的推斷，但從未直接測量過。

1966 年，蒙克根據南極洲附近寒冷深水的形成速度，計算了全球平均上升流速度。他估計上升流的速度為每天一公分。斯克里普斯大學物理海洋學教授、該研究的資深作者馬修-阿爾福德說：”這種上升流速度所輸送的水量將是巨大的。但是，如果把整個全球海洋分攤開來，這種水流速度太慢，無法直接測量。

蒙克提出，這種上升流是透過海面下破碎的內波所引起的湍流混合作用而產生的。阿爾福德說，大約25 年前，測量結果開始顯示，海底附近的湍流更高，但這給海洋學家帶來了一個悖論。

Bethan Wynne-Cattanach 和Matthew Alford 在實驗過程中觀察研究船上的操作。圖片來源：San Nguyen

如果湍流在水最冷的底部附近最強，那麼在水較冷的底部，特定水團會經歷更強的混合。這將使底層水變得更冷、更稠密，把水往下壓，而不是往上提。這個理論預測已被測量結果證實，但它似乎與觀測到的事實相矛盾，即深海並沒有簡單地被兩極形成的低溫、高密度的海水填滿。

2016 年，包括美國麻省理工學院海洋學家、本研究共同作者拉斐爾-費拉里在內的研究人員提出了一個新理論，有可能解決這個悖論。這個想法認為，海底峽谷壁等地方的陡坡可能會產生適當的湍流，從而引起上升流。

溫尼-卡塔納奇、阿爾弗德及其合作者開始研究能否藉助一桶名為螢光素的無毒螢光綠色染料在海上進行實驗，從而直接觀察到這一現象。從2021 年開始，研究人員造訪了位於愛爾蘭西北約370 公里（230 英里）的Rockall 海槽中一個約2000 公尺深的海底峽谷。

阿爾福德說：「我們從已知的大約9500 個海洋峽谷中選擇了這個峽谷，因為就深海峽谷而言，這個地方非常不起眼。我們的想法是讓它盡可能具有典型性，以使我們的結果更具普遍性。

研究小組乘坐研究船漂浮在海底峽谷上方，將一個裝有螢光素的55 加侖桶降至距海底10 公尺（32.8 英尺）處，然後遙控觸發染料釋放。

然後，研究小組利用斯克里普斯內部根據實驗需要改裝的幾種儀器對染料進行了兩天半的跟踪，直到染料消散。研究人員透過在峽谷的斜坡上緩慢上下移動船隻，能夠以高解析度追蹤染料的移動。關鍵的測量數據來自被稱為螢光計的設備，它能夠檢測到微量螢光染料的存在–小於十億分之一，但其他儀器也能測量水溫和湍流的變化。

對染料運動的追蹤發現了峽谷斜坡上由湍流驅動的上升流，首次透過直接觀測證實了法拉利提出的悖論解決方案。研究團隊不僅測量了沿著峽谷斜坡的上升流，而且上升流的速度比蒙克1966 年的計算結果預測的速度要快得多。

蒙克推斷全球平均每天上升一厘米，而在羅科爾海槽的測量發現，上升流每天以100 公尺的速度進行。此外，研究小組還觀察到一些染料從峽谷斜坡向峽谷內部遷移，這表明湍流上升流的物理原理比法拉利最初推測的更為複雜。

Wynne-Cattanach 說：”我們觀測到了以前從未直接測量過的上升流。上升流的速度也非常快，這與海洋其他地方的下沉流測量結果一起，表明存在著上升流熱點。”作為一名研究生，能夠領導一個代表整個領域科學家數十年工作成果的項目，並與如此傑出的研究人員合作，這對她來說是一項巨大的榮譽。基於團隊的初步研究成果，Wynne-Cattanach 成為第一位受邀在2022 年著名的戈登海洋混合研究會議上發言的學生。

下一步，研究人員將測試世界其他海底峽谷是否有類似的上升流，鑑於該峽谷的特徵並不顯著，似乎可以合理地認為這種現像比較常見。

阿爾弗德說，如果這一結果在其他地方也能成立，那麼全球氣候模擬將需要開始明確考慮洋底地形特徵處這種由湍流驅動的上升流。他說：「這項工作是在我們的氣候模型中加入缺失的海洋物理學的第一步，最終將提高這些模型預測氣候變遷的能力。”

提高對海洋湍流科學認識的途徑有兩個面向。首先，”我們需要在海洋的關鍵部位進行更多像這樣的高科技、高解析度實驗，以更好地了解物理過程，其次，我們需要在盡可能多的不同地方使用像阿爾戈浮標這樣的自主儀器來測量湍流。

研究人員已經開始在斯克里普斯校園附近的拉霍亞海底峽谷進行類似的染料釋放實驗。

編譯自/ ScitechDaily