新数据对几十年前的海水上升流科学理论提出挑战

新数据对几十年前的海水上升流科学理论提出挑战 研究人员用来快速升降仪器的特殊高速绞盘，以追踪染料在水下的运动。图片来源：San Nguyen这些结果发表在斯克里普斯大学博士后贝瑟恩-温恩-卡塔纳奇（Bethan Wynne-Cattanach）领导的一项新研究中，并发表在《自然》（Nature）杂志上。这些发现开始揭开海洋学中一个令人困扰的谜团，并最终有助于提高人类预测气候变化的能力。这项研究得到了自然环境研究委员会和美国国家科学基金会的资助。这个桶里装满了无毒荧光染料，研究人员将其释放到海底上方，以回答海洋学中一个长期存在的问题。图片来源：San Nguyen我们所熟知的世界需要大尺度的海洋环流，也就是常说的传送带环流，在这种环流中，海水在两极附近变得寒冷而浓密，沉入深海，最终又回升到海面，并在那里变暖，再次开始循环。这些广泛的模式维持着热量、养分和碳的更替，支撑着全球气候、海洋生态系统以及海洋减缓人类造成的气候变化的能力。尽管输送带非常重要，但其中一个被称为经向翻转环流（MOC）的部分却很难观测到。特别是冷水通过上升流从深海返回海面的现象，一直是理论上的推断，但从未直接测量过。1966 年，蒙克根据南极洲附近寒冷深水的形成速度，计算出了全球平均上升流速度。他估计上升流的速度为每天一厘米。斯克里普斯大学物理海洋学教授、该研究的资深作者马修-阿尔福德说："这种上升流速度所输送的水量将是巨大的。但是，如果把整个全球海洋分摊开来，这种水流速度太慢，无法直接测量。"蒙克提出，这种上升流是通过海面下破碎的内波引起的湍流混合作用而产生的。阿尔福德说，大约 25 年前，测量结果开始显示，海底附近的湍流更高，但这给海洋学家带来了一个悖论。Bethan Wynne-Cattanach 和 Matthew Alford 在实验过程中观察研究船上的操作。图片来源：San Nguyen如果湍流在水最冷的底部附近最强，那么在水更冷的底部，特定水团会经历更强的混合。这将使底层水变得更冷、更稠密，把水往下压，而不是往上提。这一理论预测已被测量结果证实，但它似乎与观测到的事实相矛盾，即深海并没有简单地被两极形成的低温、高密度的海水填满。2016 年，包括美国麻省理工学院海洋学家、本研究共同作者拉斐尔-费拉里在内的研究人员提出了一种新理论，有可能解决这一悖论。这个想法认为，海底峡谷壁等地方的陡坡可能会产生适当的湍流，从而引起上升流。温尼-卡塔纳奇、阿尔弗德及其合作者开始研究能否借助一桶名为荧光素的无毒荧光绿色染料在海上进行实验，从而直接观察到这一现象。从 2021 年开始，研究人员访问了位于爱尔兰西北约 370 公里（230 英里）的 Rockall 海槽中一个约 2000 米深的海底峡谷。阿尔福德说："我们从已知的大约 9500 个海洋峡谷中选择了这个峡谷，因为就深海峡谷而言，这个地方非常不起眼。我们的想法是让它尽可能具有典型性，以使我们的结果更具普遍性。"研究小组乘坐一艘研究船漂浮在海底峡谷上方，将一个装有荧光素的 55 加仑桶降至距海底 10 米（32.8 英尺）处，然后遥控触发染料释放。然后，研究小组利用斯克里普斯内部根据实验需要改装的几种仪器对染料进行了两天半的跟踪，直到染料消散。研究人员通过在峡谷的斜坡上缓慢上下移动船只，能够以高分辨率跟踪染料的移动。关键的测量数据来自被称为荧光计的设备，它能够检测到微量荧光染料的存在小于十亿分之一，但其他仪器也能测量水温和湍流的变化。对染料运动的追踪发现了峡谷斜坡上由湍流驱动的上升流，首次通过直接观测证实了法拉利提出的悖论解决方案。研究小组不仅测量到了沿峡谷斜坡的上升流，而且上升流的速度比蒙克 1966 年的计算结果预测的要快得多。蒙克推断全球平均每天上升一厘米，而在罗科尔海槽的测量发现，上升流每天以 100 米的速度进行。此外，研究小组还观察到一些染料从峡谷斜坡向峡谷内部迁移，这表明湍流上升流的物理原理比法拉利最初推测的更为复杂。Wynne-Cattanach 说："我们观测到了以前从未直接测量过的上升流。上升流的速度也非常快，这与海洋其他地方的下沉流测量结果一起，表明存在着上升流热点。"作为一名研究生，能够领导一个代表着整个领域科学家数十年工作成果的项目，并与如此杰出的研究人员合作，这对她来说是一项巨大的荣誉。基于团队的初步研究成果，Wynne-Cattanach 成为首位受邀在 2022 年著名的戈登海洋混合研究会议上发言的学生。下一步，研究人员将测试世界其他海底峡谷是否存在类似的上升流，鉴于该峡谷的特征并不显著，似乎可以合理地认为这种现象比较常见。阿尔弗德说，如果这一结果在其他地方也能成立，那么全球气候模拟将需要开始明确考虑洋底地形特征处这种由湍流驱动的上升流。他说："这项工作是在我们的气候模型中加入缺失的海洋物理学的第一步，最终将提高这些模型预测气候变化的能力。"提高对海洋湍流科学认识的途径有两个方面。首先，"我们需要在海洋的关键部位进行更多像这样的高科技、高分辨率实验，以更好地了解物理过程，其次，我们需要在尽可能多的不同地方使用像阿尔戈浮标这样的自主仪器来测量湍流。研究人员已经开始在斯克里普斯校园附近的拉霍亚海底峡谷进行类似的染料释放实验。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新研究：大西洋经向翻转环流接近临界点

新研究：大西洋经向翻转环流接近临界点 近日发表在美国《科学进展》杂志上的一项新研究显示，大西洋经向翻转环流正接近临界点，研究人员认为这可能“对气候系统和人类来说是个坏消息”。 新华社报道，大西洋经向翻转环流（Atlantic meridional overturning circulation，简称AMOC）被称为“大洋传送带”，是地球气候系统的一个重要调节系统，将表层的温暖海水、热量、盐分、营养物质等从赤道附近运往高纬度地区，并在那里冷却、下沉，将较冷的海水从深海运回赤道地区。这种流动有助于分配能量和热量，并调节全球变暖的影响，直接影响人类生活的气候条件。 然而，由于全球变暖导致冰盖融化速度快于预期，河流水位不断上涨，北大西洋的淡水流入量增加，阻碍来自南方盐度更高、更温暖的海水下沉，导致该系统趋向崩溃。此前研究显示，AMOC处于1000多年来最疲软状态。 荷兰乌得勒支大学的研究人员利用计算机模型和此前数据，计算出AMOC到达临界点时可观测到的预警信号，即该环流引发的大西洋南部边界地区淡水输送的最小值。分析显示，目前的AMOC正在接近临界点。 研究主要作者、乌得勒支大学学者韦斯滕说，AMOC正在接近临界点不只是一个理论概念，这对气候系统和人类来说是个坏消息。目前还没有足够的数据表明临界点是在何时达到，但当AMOC触及临界点时会对人类造成不可逆影响。 研究还描绘了AMOC崩溃可能引起的一些后果：大西洋某些地区的海平面将上升1米；亚马逊地区的雨季和旱季将受影响，可能使本已脆弱的雨林超过其自身临界点；世界各地的气温波动将更不稳定；南半球将变得更温暖等。 2024年2月19日 3:22 PM

南极洲正在发生"制度转变"：新研究揭示了极地气候的根本变化

南极洲正在发生"制度转变"：新研究揭示了极地气候的根本变化 南极海洋-海冰系统可能正在发生根本性变化 - 塔斯马尼亚大学澳大利亚南极计划合作项目的威尔-霍布斯及其同事撰写的一篇论文指出，有证据表明南极海冰的范围可能正在发生"制度转变"。虽然南大洋中的冰对南极气候起着至关重要的作用，例如反射太阳的热量，但自 2006 年以来，夏季海冰范围的变化越来越大，而且与前一个月的海冰而不是通常驱动海冰范围的大气因素更密切相关。作者的统计分析表明，海冰与下方海洋之间的相互作用可能已经发生了根本变化（可能与全球变暖有关），从而导致了这种变化的加剧。霍布斯在 AAPP 的一份新闻稿中说："对科学家来说，最惊人的变化也许是......最近十年的极端波动不能仅用大气层来解释。AAPP 的研究表明，我们所看到的变化海冰从平均状态偏离的程度以及这些偏离持续的时间是由海洋过程控制的。这进一步证明，海洋变化很可能就是近年来发生的一切的秘密所在。"南极比北极吸收更多的能量根据威斯康星大学麦迪逊分校 Hamish D. Prince 和 Tristan S. L'Ecuyer 的一篇新论文，卫星数据显示北极和南极对气温升高的反应存在差异。由于融化的海冰降低了该地区的反射率，两极接收到的太阳能量输入都在增加。这可能会影响两极和温带地区之间的温度梯度，而这正是气候系统的主要驱动力。这项研究发现，尽管冰雪迅速融化，但变暖的北极地区向太空排放的热量几乎与增加的热量相当，使得该地区的净能量失衡基本保持不变。然而，南极并没有向太空释放更多的热能，这意味着太阳辐射正在被那里的气候系统吸收，其方式可能会影响南大洋和大气层以及地球的纬度热平衡。"我们的研究为气候系统的一个基本方面提供了可靠的观测记录。与北冰洋不同的是，北冰洋增加的太阳吸收被热辐射所平衡，而南大洋表面温度对增加吸收不敏感，积累了额外的能量，"普林斯说。"普林斯说："这种反差强烈的两极对减少反照率的反应对全球的影响可能是深远的，但目前还不为人所知。"海冰融化减少了北极的季节性极端天气，尤其是极端寒冷天气第三篇论文由阿拉斯加大学费尔班克斯分校的伊戈尔-波利亚科夫及其同事撰写。论文发现，随着海冰融化暴露出更潮湿的海洋空气，自 1979 年以来，北极地区夏季最高气温和冬季最低气温之间的差异越来越小。作者发现，在整个北极地区，平均地表气温每十年上升约 0.62°C。虽然平均气温有所上升，但自 1979 年以来，夏季高温极端气温降低了 25%，冬季低温极端气温升高了 200%随着北极变暖，预计极端气温将继续降低。波利亚科夫说："我们的研究表明，北极气候系统发生了根本性转变，流动性增强，大气、冰原和海洋之间的联系密切。这种强大的耦合性使得理解该系统的行为变得非常困难，因此有必要在北极气候变化研究中采用多学科方法"。2023 年海冰低温-厄尔尼诺现象，有还是没有？最后，英国的 Till Kuhlbrodt 及其同事在《美国气象学会公报》（BAMS）上发表的一篇论文指出，2023 年北大西洋海面温度创历史新高、南极海冰覆盖面积创历史新低的极端现象，与我们在全球变暖达到 3°C 临界值的世界中可能看到的情况类似。虽然包括厄尔尼诺在内的许多因素被认为是造成去年极端天气的主要原因，但作者认为这些解释可能还不够充分。他们指出，近年来辐射强迫增加的趋势一直很强，而且在厄尔尼诺现象影响最强烈的8到9个月之前，海面温度和海冰极端现象就已经很明显了。蒂尔-库尔布罗特（Till Kuhlbrodt）（雷丁大学）说："去年在北大西洋和南大洋观测到的极端天气之所以如此令人担忧，是因为它们远远超出了我们在过去 40 年中所看到的任何情况。虽然全球升温加速将是一个主要原因，但我们对海洋数据的分析表明，海洋中的制度变化也可能起到至关重要的作用。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新研究提供了气候变化中人类"指纹"存在的明确证据

新研究提供了气候变化中人类"指纹"存在的明确证据 最近的研究强调了人类对海面温度（SST）的明显影响，揭示了与人类活动相关的季节性温度周期的显著变化。这项研究利用各种观测数据集和气候模型，确定温室气体是这些变化的主要驱动因素，对海洋生态系统、海洋作为碳汇的作用以及全球气候模式具有深远影响。"我们的研究表明，海表温度（SST）季节周期中的人为信号已经从自然变化的噪声中显现出来。海表温度季节周期振幅（SSTAC）变化的地理模式揭示了两个显著特点：北半球中纬度地区的上升与混合层深度变化有关，而南纬40°至55°之间的强偶极子模式则主要受地表风变化的驱动，"发表在《自然-气候变化》（Nature Climate Change）上的这项新研究说。"我们发现的证据非常明确。研究基于四组不同的海面海洋温度观测数据，分析了来自不同监测系统的数据，包括卫星记录以及世卫组织海洋研究所自 1950 年以来通过船只和浮筒收集的海洋测量数据。所有这些数据都提供了相同的故事和相同的结论：SSTAC 中的人为信号非常强烈，而且具有非常独特的模式。"佐证和影响在四种不同的观测到的 SST 产品和 51 个模型实现的历史气候演变中，模型预测的 SSTAC 变化模式具有很高的统计置信度。根据各个强迫的历史变化进行的模拟显示，温室气体的增加是 SSTAC 变化的主要驱动力，人为气溶胶和臭氧强迫的贡献较小但很明显。太平洋上的波浪。图片来源：伍兹霍尔海洋研究所 Hannah Piecuch这项研究的灵感来自桑特早先的工作，他从事气候指纹识别工作已有30多年。以前的研究利用卫星记录来识别对流层中上层温度季节周期变化中的人类指纹。然而，这是第一项揭示季节性海面温度气候变化详细模式的指纹研究。气候变化与海洋影响"海面温度的季节周期振幅正在发生变化，而且变得越来越强。我们最大的发现之一是，夏季变暖的程度大于冬季。在北半球和南半球，海洋混合层深度都在变薄，这会显著放大夏季温度。北半球的变暖更为极端，与海洋盆地面积变小有关。在南半球，我们发现海面温度的变化主要是由大气变暖引起的风向转变模式驱动的。这项研究驳斥了近期气温变化是自然现象的说法，无论是太阳还是气候系统的内部周期。"桑特说："就我们正在研究的海洋季节性温度变化而言，自然解释几乎是不可能的。这项研究进一步排除了这样的说法：因为气候变化是自然现象，所以我们不必认真对待。"社会和环境后果海洋表面温度季节性周期中这一强有力的人类指纹预计将对海洋生态系统产生广泛影响。这会极大地影响渔业和营养物质的分布。深入了解人类活动对季节性的影响具有科学、经济和社会方面的重要意义。2023 年，海洋上层热量含量达到有记录以来的最高值，引起了科学界的强烈关注。海洋吸收了地球因全球变暖而产生的大约 90% 的多余热量，在调节地球气候系统方面发挥着至关重要的作用。"海洋温度简直高得离谱。很多人都想知道发生了什么，"桑特说。"答案的很大一部分是人类活动使世界海洋逐渐变暖。科学界一直关注海洋年平均温度的变化。这篇论文表明，根据季节变化进行指纹识别也是至关重要的。"海洋是一个重要的碳汇，它吸收了我们因燃烧化石燃料而产生的 25% 的二氧化碳。然而，海洋吸收二氧化碳的能力与温度有关。随着海洋变暖，我们必须了解海洋吸收二氧化碳的能力是如何受到影响的。"随着海洋吸收二氧化碳，会产生广泛报道的酸化现象，这会对海洋生物造成负面影响。如果我们开始改变海洋的酸碱度，就有可能影响食物链底层生物的结构完整性。在美国和全球范围内，我们现在面临着如何应对气候变化的重要决策。这些决定应该基于我们对人类对平均气候和季节影响的现实性和严重性的最佳科学理解。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新研究解释前所未有的南极冰川损失 相当于英国面积的10倍

新研究解释前所未有的南极冰川损失 相当于英国面积的10倍 南极海冰在 2023 年达到历史最低点，研究表明气候变化大大增加了发生这一事件的可能性。海冰可能长期减少，给全球天气和海洋生物带来严重后果。2023 年，南极海冰缩小到历史最低水平，冬季冰覆盖面积比正常水平减少了 200 多万平方公里大致相当于英国面积的 10 倍。考虑到 2015 年之前海冰一直在稳步增加，这一大幅减少尤其令人震惊，使得突然的减少更加出人意料。英国科学院的研究人员利用一个名为 CMIP6 的大型气候数据集，对这种前所未有的海冰损失进行了调查。他们分析了来自 18 个不同气候模型的数据，以了解海冰如此大幅度减少的可能性及其与气候变化的联系。主要作者雷切尔-戴蒙德（Rachel Diamond）解释说，虽然气候变化增加了2023年出现极端低海冰的可能性，但根据模型，这种情况仍然被认为是非常罕见的。她说："这是第一次利用这套大型气候模型来确定 2023 年海冰减少的可能性究竟有多小。我们只有四十五年的海冰卫星测量数据，因此评估海冰范围的变化极其困难。这就是气候模型发挥作用的地方。"根据模型，如果没有气候变化，破纪录的最小海冰范围将是 2000 年一遇的事件。这告诉我们，这次事件非常极端任何低于百分之一的事件都被认为是极不可能发生的。这项研究的合著者卡罗琳-霍姆斯（Caroline Holmes）说："在模型中，强烈的气候变化即我们已经看到的温度变化，以及如果排放量继续快速上升预计会出现的温度变化使得我们看到海冰范围大幅下降的可能性增加了四倍。这表明，气候变化使得 2023 年出现极端低温的可能性更大。"长期后果和未来预测研究人员还利用模型研究了海冰的恢复能力。通过观察模型中的类似事件，作者发现，在这种极端的海冰损失之后，南极洲周围的海冰并不会全部恢复即使是在二十年之后。这为现有的观测证据增添了模型证据，即过去几年的低海冰可能预示着南大洋的持久制度转变。这项研究的合著者路易斯-西梅说："南极海冰持续二十多年低温将产生深远的影响，包括对当地和全球天气以及南大洋独特的生态系统包括鲸鱼和企鹅的影响。"南极海冰的卫星记录始于 1978 年末，从那时起到 2015 年，南极海冰范围略有稳定增长。2017 年，南极海冰面积创下历史新低，随后几年海冰面积都相对较低。影响南极海冰的因素复杂多样，相互影响，因此很难清楚地了解为什么 2023 年是破纪录的一年。最近的研究强调了海洋过程和海面下储存的热量的重要作用，2023 年上半年温暖的海面温度可能也是原因之一，南北风和风暴系统的强烈变化也发挥了作用。南极海冰是我们全面了解气候变化的一个关键因素。南极周围海冰的形成是洋流的发动机，影响着天气模式。海冰还能保护冰架裸露的边缘免受海浪侵袭，从而遏制南极洲海平面的上升。海冰对海洋生物也至关重要据科学家观察，近年来由于海冰较少，帝企鹅繁殖地出现了灾难性的繁殖失败。因此，像这样的研究对于了解海冰迅速消失的可能性有多大，以及海冰是否有可能在未来几十年内保持低水平至关重要。编译来源：ScitechDailydoi: 10.1029/2024gl109265 ... PC版： 手机版：

研究人员利用光子混合纠缠提高嘈杂条件下的传送质量 实现近乎完美的状态转移

研究人员利用光子混合纠缠提高嘈杂条件下的传送质量 实现近乎完美的状态转移 访问：Saily - 使用eSIM实现手机全球数据漫游 安全可靠 源自NordVPN 芬兰图尔库大学和中国科技大学（合肥）的研究人员现在提出了一种理论设想，并进行了相应的实验来克服这一问题。换句话说，尽管存在噪声，新方法仍能实现高质量的远程传输。图尔库大学的 Jyrki Piilo 教授说："这项工作的基础是，在运行远距传输协议之前，将纠缠分发到所使用的量子比特之外，即利用不同物理自由度之间的混合纠缠。"传统上，光子的偏振被用于远距离传输中的量子比特纠缠，而目前的方法则利用了光子的偏振和频率之间的混合纠缠。Piilo介绍说："这使得噪声对协议的影响发生了重大变化，事实上，我们的发现扭转了噪声的作用，使其从对远程传输有害变为有利。"在存在噪声的传统量子比特纠缠情况下，远距传输协议不起作用。在最初存在混合纠缠且没有噪声的情况下，远距传输也不起作用。奥利-西尔塔宁博士（Olli Siltanen）的博士论文介绍了当前研究的理论部分。尽管在使用光子进行远距传物时存在某种噪声，但这一发现几乎实现了理想的远距传物。中国科技大学的李传锋教授说："虽然我们在实验室里用光子做了许多量子物理不同方面的实验，但看到这个极具挑战性的远距传物实验成功完成，我们感到非常激动，也很有成就感。这是在最重要的量子协议背景下进行的一次重要的原理验证实验。"远距传输在传输量子信息等方面有着重要的应用，因此最重要的是要有办法保护这种传输不受噪声影响，并可用于其他量子应用。目前的研究成果可被视为基础研究，具有重要的基础意义，并为未来将该方法扩展到一般类型的噪声源和其他量子协议的工作开辟了引人入胜的途径。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：