2014年3月27日

溫鹽環流及其古海洋學研究上的意義

作者/羅 立(就讀臺灣大學地質科學系博士班)

影響地球氣候系統的作用,可簡單區分為「外營力」與「內營力」。外營力總括來說,為進入地球的太陽日照量(solar insolation,圖一);對此,天文數學家米蘭科維奇(Milutin Milankovitch)嘗試以地球公轉型式的改變來得知太陽輻射入射量的變化,進而推算北半球冰川發育的週期。根據他的計算,北半球冰川的前進與後退與北緯65 度地區所接受到的太陽夏季(6~8 月)日照量多寡息息相關:當日照量多時,冰川退卻;日照量減少之時,則冰川前進,即往南發育。而天文軌道的主要三大變化週期分別為10 萬年的離心率(地球繞日軌道由接近圓形到接近橢圓形的改變),4 萬1000 年的地軸傾角改變(地球自轉軸與黃道面的交角),以及2 萬3000 年的歲差(春分位置的改變)。因此早期的古氣候∕古海洋學者認為地球主要的冰期– 間冰期旋回(glacial-interglacial cycle)就是由這些數萬年的「軌道時間尺度」(orbital timescale)所主宰,相對應地緩慢漸進地循序改變。雖然當中也還有許多問題,但過去80萬年來的地球主要冰期– 間冰期的改變大體可以得到良好的解釋。
圖一:太陽日照是影響地球氣候的關鍵因素之一。
(PHOTODISC授權)

但自1980 年代,伴隨著放射性定年技術的演進,科學家整理了格陵蘭、南極等地高解析度冰芯(ice core)紀錄,以及北大西洋地區海洋沈積物岩芯(marine sediment core)紀錄,發現了在上一次冰期(距今約7 萬至2 萬年前)時,特別是在北半球地區,出現「千年尺度」(millennial timescale)的氣候劇烈震盪(圖二),這變化的週期大約在1000~6000年之間,而溫度變化的幅度甚至將近冰期–間冰期的一半,這樣的變化相對短於前述的「軌道週期」,很難以地球與太陽之間緩慢的軌道與相對位置改變來解釋。究竟為什麼會有這樣時間相對較短,卻又如此劇烈的事件產生?後續的證據還相繼指出了,在這樣的「千年尺度」事件中伴隨著大氣二氧化碳濃度的改變,暗示著這樣的氣候變遷事件也跟地球不同碳儲藏庫(carbon reservoir)之間的交互作用有關,代表地球環境系統中的「內營力」亦扮演了重要角色。美國哥倫比亞大學拉蒙特–多賀諦地球觀測所(Lamont-Doherty Earth Observatory)的研究員布羅克(Wallace S. Broecker)在1987年提出了一個劃時代的想法,來解釋千年尺度氣候事件的主要機制。首先,布羅克彙整了許多海洋化學的證據,提出地球上有兩個主要的深層水產生區域,一個是在北大西洋,產生的深層水稱為「北大西洋深層水」(North Atlantic Deep Water, NADW)而另一個則是在南極,產生的底層水被稱為「南極底層水」(Antarctic Bottom Water, AABW)。這些深層海水的形成自然與海水密度的變化有關,而控制海水密度的主因就是水體的溫度與鹽度,當溫度下降或鹽度上升時,海水的密度就會增加,若一團密度相近的海水形成,就成為所謂的「水團」(water mass),在物理或化學性質上可以跟周圍的海水做區隔(圖三)。

布羅克進一步創新地將水團的概念與整個地球氣候系統連結在一起,提出了在電影《明天過後》之後已廣為人知的「溫鹽環流」(thermohaline circulation,圖四)。thermo是熱的意思,haline是鹽,故中文譯為「溫鹽」環流。這個模型的內容概述如下:當低緯度地區的海水受熱加溫,並因地球自轉產生流動,將巨量的熱量往高緯度地區移動,而前進的過程中因為熱量的散失與鹽度的增加,便會在特定的區域產生足夠的密度差而開始下沈,同時開始了地球海洋中的深層水循環,循環過程就好像捷運或百貨公司電扶梯,不斷的持續在整個大海中進行;在後續許多相關的研究中指出,該環流的平均循環時間大約是1500年左右。若因某些特定原因而造成運轉的環流中斷,那麼由低緯度地區透過海洋循環傳送至高緯度地區的熱便會減少甚至阻斷,進而快速的使高緯度地區冷卻,促使冰川發育。這個理論最吸引人之處,在於它同時將陸地上的冰川發育、大氣中的二氧化碳,與海水環流這三者結合在一起,嘗試解釋千年尺度的氣候改變。
在這個模型提出後,引發了後續一連串的研究爭議與討論,在此無法一一詳述,但布羅克的模型明確地帶給我們一個重要的觀念:不僅僅只是外營力可以影響地球的氣候系統,地球內部系統彼此之間的交互作用也可以對此造成極大的衝擊,甚至是近乎全球性的改變。

布羅克目前已經將所有自己撰寫的書籍在網路上免費分享(http://www.ldeo.columbia.edu/~broecker),其中的思考之深度與抽絲剝繭的過程絕非筆者淺薄的文字能夠形容。筆者於2011年有幸得以訪問哥倫比亞大學,旁聽了一學期布羅克所開設的研究生書報討論課,當年他剛好滿八十歲,但仍孜孜矻矻地探討相關的議題,與學生閱讀最新出版的相關文獻。看到他拿著咖啡杯的手已微微顫抖著,但仍專注的傾聽與討論,實在是令人心生景仰之情!課程中發生了一件小插曲,有一位博士生報告的文章剛好要利用布羅克最有名的一張溫鹽環流示意圖,這位博士班學生非常有膽量的開玩笑說:「讓我們來看看這張錯誤百出的圖。」一講出這句,在場大家都笑了,布羅克聽到後故意重重的把杯子放下,但是他其實沒有生氣,反而很愉快的跟大家解釋這張圖的由來:是當初他把自己的概念模型講述給某位記者,而後記者大致根據他的意思畫出來的示意圖,所以有許多的細節並不是這麼準確。

古氣候與古海洋學的研究雖然涉足虛無縹緲的漫長地球歷史,但卻是我們能夠瞭解地球氣候系統歷史最直接的方式,尤值現今相關議題討論正酣,坊間卻大多流於不實報導或個人自由心證的論述,實在需要更多莘莘學子的投入與社會大眾更多的關注!

圖二:過去六萬年來格陵蘭冰芯氧同位素變化圖。
氧同位素值可視作溫度的變化,上次冰期至全新世的溫度變化在格
陵蘭地區大約為20℃左右,在冰消期與上次冰期時黑色箭頭所指的年代即
為文中所提及之「千年尺度」氣候事件,其溫度變化幅度大約為10℃左右。
注意本圖並未將所有的千年尺度氣候事件標示出來。(圖片來源: NOAA)

圖三:大西洋深水水團剖面示意圖。此為利用海水之碳同位素(δ13C)所繪製的水團南北分布圖,北大西洋深層水與南極底層水為主要的兩個深水水團。

圖四:溫鹽環流示意圖。

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