隨著地球變暖，許多額外的熱量都儲(chǔ)存在了地球海洋中———但是監(jiān)測(cè)這些熱量的大小卻是一個(gè)艱巨的任務(wù)。不過出人意料的是，潮汐的某些特性或許能幫。在馬里蘭州的格林貝爾特(Greenbelt)，NASA戈達(dá)德航天中心（Space Flight Center）的科學(xué)家們正在開發(fā)一種通過衛(wèi)星觀測(cè)地球磁場(chǎng)來間接測(cè)量海洋熱量的新方法。

潮汐與磁場(chǎng)

海水的潮汐會(huì)引起地球磁場(chǎng)的細(xì)微波動(dòng)。歐空局的Swarm衛(wèi)星能夠探測(cè)這些磁場(chǎng)波動(dòng)，從而為從太空中測(cè)量海洋熱量提供了條件。歐空局（European Space）的Swarm衛(wèi)星探測(cè)到，海洋的潮汐引起地球磁場(chǎng)的微小波動(dòng)。這些磁場(chǎng)波動(dòng)可能是測(cè)量來自太空的海洋熱量的關(guān)鍵。

來源：NASA戈達(dá)德宇航中心概念圖片實(shí)驗(yàn)室/Matthew Radcliff制作

“如果你關(guān)心全球變暖，或者想了解地球的能量平衡，那么一個(gè)巨大的未知數(shù)便是到底是什么正在流進(jìn)海洋”，戈達(dá)德中心的科學(xué)家Robert Tyler說：“我們知道海洋的表層正在變熱，卻并不能掌握究竟有多少熱量正在被儲(chǔ)藏在海洋深處。”

如何測(cè)量海洋熱量？

盡管海洋熱量對(duì)地球氣候如此重要，但它仍然是一個(gè)無法在全球范圍內(nèi)被精確測(cè)量的物理量。目前的測(cè)量手段主要依靠阿爾戈(Argo)浮標(biāo)群，但是它們并不能在時(shí)間或者空間上形成完整的覆蓋。如果衛(wèi)星觀測(cè)能夠成功，這將是第一種能夠覆蓋所有深度的測(cè)量全球海洋熱量的方案。

Tyler的方法依賴于海洋的多個(gè)物理特性。海水是電的良導(dǎo)體，所以當(dāng)海水在海盆中攪動(dòng)時(shí)，它會(huì)引起地球磁場(chǎng)線的輕微擾動(dòng)。用Tyler的話說，海流試圖拽著磁場(chǎng)線跟它一起走。盡管由此造成的磁場(chǎng)擾動(dòng)非常微弱，但是它們已經(jīng)在包括海洋膨脹、渦流、海嘯、以及潮汐等多種現(xiàn)象中被觀測(cè)到了。

“歐空局近期發(fā)射的Swarm衛(wèi)星以及它們的磁測(cè)量正在提供磁場(chǎng)波動(dòng)前所未有的觀測(cè)數(shù)據(jù)”，Tyler說到：“隨之而來的將是新的研究機(jī)遇。”

科學(xué)家們知道潮汐會(huì)在何時(shí)何地發(fā)生。加上Swarm衛(wèi)星提供的高分辨率數(shù)據(jù)，他們就可以從中分辨出哪些是由規(guī)律的潮汐而造成的磁場(chǎng)波動(dòng)。此時(shí)，海水的另一種地球物理特征發(fā)揮了作用。潮汐的磁場(chǎng)波動(dòng)的強(qiáng)弱取決于海水的電導(dǎo)率，而海水的電導(dǎo)率則由它的溫度決定。

對(duì)Tyler而言，剩下的問題就是：“能否通過監(jiān)測(cè)這些磁場(chǎng)波動(dòng)來監(jiān)測(cè)海洋的溫度呢？”

NASA戈達(dá)德航天中心的科學(xué)家研發(fā)出了一種新技術(shù)，來測(cè)量空間海洋熱量。這項(xiàng)技術(shù)可以幫助科學(xué)家解答許多有關(guān)地球氣候的重要科學(xué)問題。

來源：NASA戈達(dá)德宇航中心/Matthew Radcliff制作

在2016年12月12日至16日的舊金山美國地球物理年會(huì)(AGU)上，Tyler同他在戈達(dá)德的合作者Terence Sabaka發(fā)布了這項(xiàng)研究的首個(gè)結(jié)果。（如下）

nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/oceanheatagu2016briefing.pdf

他們通過展示如何從計(jì)算機(jī)模擬的“無噪聲”的海洋潮汐和磁場(chǎng)信號(hào)中推算出的全球海洋熱量，為這種方法的概念可行性提供了關(guān)鍵的支持。然而,當(dāng)他們嘗試在“有噪聲”的觀測(cè)信號(hào)上模擬的時(shí)候，它還不能提供監(jiān)測(cè)熱量變化所需的精度。

但是，Tyler說，我們?cè)跀?shù)據(jù)處理和模擬的方法上還有很大的改進(jìn)空間，而且Swarm衛(wèi)星仍在繼續(xù)收集更多的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。這是第一次嘗試使用磁性衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)所有深度的海洋熱量，在這項(xiàng)技術(shù)可以成功解決這個(gè)關(guān)鍵變量之前還有很多工作要做。舉例來說，通過識(shí)別諸如渦流或者其他潮汐組分造成的擾動(dòng)，科學(xué)家可以提取出更多的有用信息，并得到對(duì)海洋熱量及其變化的更精細(xì)的測(cè)量。

海洋吸收了地球上多余的熱量

來自國家海洋大氣總署(NOAA)國家環(huán)境信息中心的科學(xué)家Tim Boyer說，地球系統(tǒng)中超過90%的多余熱量都進(jìn)入了海洋。目前的海洋熱量監(jiān)測(cè)是通過船載系統(tǒng)和阿爾戈浮標(biāo)完成的。雖然來自多個(gè)渠道的數(shù)據(jù)已經(jīng)顯示海洋熱量自1955年以來正在穩(wěn)定地增長，但是研究人員仍然需要更加全面的信息。

即使阿爾戈浮標(biāo)做了巨大的努力，我們?nèi)匀晃茨苓_(dá)到期望中的對(duì)海洋極可能多的覆蓋范圍，以便降低測(cè)量中的不確定度”，Boyer補(bǔ)充道，“如果能夠直接地完整地用衛(wèi)星來測(cè)量全球海洋熱量，那將是極好的。”

海洋溫度的變化具有全球性的影響。來自加州NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory）的冰層學(xué)家Catherin Walker說到，南極冰蓋正在不斷縮小，而這種退縮并不能單純從大氣的溫度變化中得到解釋。她與同事們研究發(fā)現(xiàn)南極冰川的平均每年消失2-4米（6.5-13英尺）。他們研究了不同的因素來解釋冰川的融化——周圍的海冰、風(fēng)、鹽度、氣溫——以及最為相關(guān)的溫暖海流的注入。

“在某些年份，這些溫暖的海水匯流到大陸架上，影響了冰層融化的速度，”Walker說到。她與她的合作者在AGU會(huì)議上發(fā)表了這項(xiàng)研究結(jié)果。

Walker的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在南極半島上確定了一個(gè)區(qū)域，那里溫暖的海水可能已經(jīng)滲入到內(nèi)陸冰架以下。而這可能會(huì)導(dǎo)致海平面上升。

在南極洲附近的浮標(biāo)和船舶測(cè)量很稀少，但是深水溫度測(cè)量卻可以用標(biāo)記的海豹來實(shí)現(xiàn)。然而海豹也有它的局限性。“那種測(cè)量是隨機(jī)的。我們并不能控制海豹們往哪兒跑，”Walker說。她又補(bǔ)充道，衛(wèi)星測(cè)量海洋熱量和溫度對(duì)南半球海洋研究將非常有用。

過去50年來浮游植物的變化

海水溫度也影響著海洋中的生物圈——小至微觀的浮游植物。不同的浮游植物只在不同的溫度范圍內(nèi)生存，并且需要不同的養(yǎng)分。戈達(dá)德的科學(xué)家Stephanie Schollaert Uz說：“由于海水變熱會(huì)造成的海水分層的增加，將加劇浮游植物群落中的優(yōu)勝劣汰。”

在AGU會(huì)議上發(fā)表的研究中，她回顧了過去50年來浮游植物的變化。運(yùn)用溫度、海平面高度以及其他海洋物理量，她生成了熱帶太平洋自1958年到2008年之間的浮游植物分布范圍的歷史。縱觀這五十幾年，她發(fā)現(xiàn)這些浮游植物的分布逐年變化。最值得注意的是，在厄爾尼諾現(xiàn)象（El Niño）發(fā)生的年份，反常的海流和溫度使得浮游植物分布不能像正常年份一樣抵達(dá)西太平洋。

進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)后，她發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾現(xiàn)象集中在哪里對(duì)浮游植物也有影響。當(dāng)厄爾尼諾的溫暖水域集中在東太平洋時(shí)，它抑制整個(gè)海盆中的營養(yǎng)物質(zhì)，從而比集中在中部太平洋的厄爾尼諾現(xiàn)象更能抑制浮游植物的生長。

“在跨越50年的時(shí)間尺度上，我們第一次對(duì)多次厄爾尼諾現(xiàn)象在整個(gè)海盆范圍內(nèi)給生物帶來的影響有了初步的認(rèn)識(shí)，”Uz說到。

正因?yàn)楹Ｑ鬁囟汝P(guān)系到從氣候到生物多樣性在內(nèi)的整個(gè)地球系統(tǒng)，Tyler將繼續(xù)改進(jìn)他的新型磁場(chǎng)遙感技術(shù)，以進(jìn)一步提高我們未來對(duì)地球的理解。（編輯：Rob Garner 翻譯：石樂 校對(duì)：汪慧）