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NASA研究提出:地球磁场可以追踪海洋热

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摘要:随着地球变暖,许多额外的热量都储存在了地球海洋中———但是监测这些热量的大小却是一个艰巨的任务。不过出人意料的是,潮汐的某些特性或许能帮。在马里兰州的格林贝尔特(Greenbelt),NASA戈达德航天中心(Space Flight Center)的科学家们正在开发一种通过卫星观测地球磁场来间接测量海洋热量的新方法。

NASA研究提出:地球磁场可以追踪海洋热

潮汐与磁场

海水的潮汐会引起地球磁场的细微波动。欧空局的Swarm卫星能够探测这些磁场波动,从而为从太空中测量海洋热量提供了条件。欧空局(European Space)的Swarm卫星探测到,海洋的潮汐引起地球磁场的微小波动。这些磁场波动可能是测量来自太空的海洋热量的关键。

来源:NASA戈达德宇航中心概念图片实验室/Matthew Radcliff制作

“如果你关心全球变暖,或者想了解地球的能量平衡,那么一个巨大的未知数便是到底是什么正在流进海洋”,戈达德中心的科学家Robert Tyler说:“我们知道海洋的表层正在变热,却并不能掌握究竟有多少热量正在被储藏在海洋深处。”

如何测量海洋热量?

尽管海洋热量对地球气候如此重要,但它仍然是一个无法在全球范围内被精确测量的物理量。目前的测量手段主要依靠阿尔戈(Argo)浮标群,但是它们并不能在时间或者空间上形成完整的覆盖。如果卫星观测能够成功,这将是第一种能够覆盖所有深度的测量全球海洋热量的方案。

NASA研究提出:地球磁场可以追踪海洋热

Tyler的方法依赖于海洋的多个物理特性。海水是电的良导体,所以当海水在海盆中搅动时,它会引起地球磁场线的轻微扰动。用Tyler的话说,海流试图拽着磁场线跟它一起走。尽管由此造成的磁场扰动非常微弱,但是它们已经在包括海洋膨胀、涡流、海啸、以及潮汐等多种现象中被观测到了。

“欧空局近期发射的Swarm卫星以及它们的磁测量正在提供磁场波动前所未有的观测数据”,Tyler说到:“随之而来的将是新的研究机遇。”

科学家们知道潮汐会在何时何地发生。加上Swarm卫星提供的高分辨率数据,他们就可以从中分辨出哪些是由规律的潮汐而造成的磁场波动。此时,海水的另一种地球物理特征发挥了作用。潮汐的磁场波动的强弱取决于海水的电导率,而海水的电导率则由它的温度决定。

对Tyler而言,剩下的问题就是:“能否通过监测这些磁场波动来监测海洋的温度呢?”


NASA戈达德航天中心的科学家研发出了一种新技术,来测量空间海洋热量。这项技术可以帮助科学家解答许多有关地球气候的重要科学问题。

来源:NASA戈达德宇航中心/Matthew Radcliff制作

在2016年12月12日至16日的旧金山美国地球物理年会(AGU)上,Tyler同他在戈达德的合作者Terence Sabaka发布了这项研究的首个结果。(如下)

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/oceanheatagu2016briefing.pdf

他们通过展示如何从计算机模拟的“无噪声”的海洋潮汐和磁场信号中推算出的全球海洋热量,为这种方法的概念可行性提供了关键的支持。然而,当他们尝试在“有噪声”的观测信号上模拟的时候,它还不能提供监测热量变化所需的精度。

但是,Tyler说,我们在数据处理和模拟的方法上还有很大的改进空间,而且Swarm卫星仍在继续收集更多的磁场数据。这是第一次尝试使用磁性卫星数据监测所有深度的海洋热量,在这项技术可以成功解决这个关键变量之前还有很多工作要做。举例来说,通过识别诸如涡流或者其他潮汐组分造成的扰动,科学家可以提取出更多的有用信息,并得到对海洋热量及其变化的更精细的测量。

NASA研究提出:地球磁场可以追踪海洋热

海洋吸收了地球上多余的热量

来自国家海洋大气总署(NOAA)国家环境信息中心的科学家Tim Boyer说,地球系统中超过90%的多余热量都进入了海洋。目前的海洋热量监测是通过船载系统和阿尔戈浮标完成的。虽然来自多个渠道的数据已经显示海洋热量自1955年以来正在稳定地增长,但是研究人员仍然需要更加全面的信息。

即使阿尔戈浮标做了巨大的努力,我们仍然未能达到期望中的对海洋极可能多的覆盖范围,以便降低测量中的不确定度”,Boyer补充道,“如果能够直接地完整地用卫星来测量全球海洋热量,那将是极好的。”

海洋温度的变化具有全球性的影响。来自加州NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)的冰层学家Catherin Walker说到,南极冰盖正在不断缩小,而这种退缩并不能单纯从大气的温度变化中得到解释。她与同事们研究发现南极冰川的平均每年消失2-4米(6.5-13英尺)。他们研究了不同的因素来解释冰川的融化——周围的海冰、风、盐度、气温——以及最为相关的温暖海流的注入。

“在某些年份,这些温暖的海水汇流到大陆架上,影响了冰层融化的速度,”Walker说到。她与她的合作者在AGU会议上发表了这项研究结果。

Walker的团队已经在南极半岛上确定了一个区域,那里温暖的海水可能已经渗入到内陆冰架以下。而这可能会导致海平面上升。

在南极洲附近的浮标和船舶测量很稀少,但是深水温度测量却可以用标记的海豹来实现。然而海豹也有它的局限性。“那种测量是随机的。我们并不能控制海豹们往哪儿跑,”Walker说。她又补充道,卫星测量海洋热量和温度对南半球海洋研究将非常有用。

过去50年来浮游植物的变化

海水温度也影响着海洋中的生物圈——小至微观的浮游植物。不同的浮游植物只在不同的温度范围内生存,并且需要不同的养分。戈达德的科学家Stephanie Schollaert Uz说:“由于海水变热会造成的海水分层的增加,将加剧浮游植物群落中的优胜劣汰。”

在AGU会议上发表的研究中,她回顾了过去50年来浮游植物的变化。运用温度、海平面高度以及其他海洋物理量,她生成了热带太平洋自1958年到2008年之间的浮游植物分布范围的历史。纵观这五十几年,她发现这些浮游植物的分布逐年变化。最值得注意的是,在厄尔尼诺现象(El Ni o)发生的年份,反常的海流和温度使得浮游植物分布不能像正常年份一样抵达西太平洋。

进一步挖掘数据后,她发现厄尔尼诺现象集中在哪里对浮游植物也有影响。当厄尔尼诺的温暖水域集中在东太平洋时,它抑制整个海盆中的营养物质,从而比集中在中部太平洋的厄尔尼诺现象更能抑制浮游植物的生长。

“在跨越50年的时间尺度上,我们第一次对多次厄尔尼诺现象在整个海盆范围内给生物带来的影响有了初步的认识,”Uz说到。

NASA研究提出:地球磁场可以追踪海洋热

正因为海洋温度关系到从气候到生物多样性在内的整个地球系统,Tyler将继续改进他的新型磁场遥感技术,以进一步提高我们未来对地球的理解。(编辑:Rob Garner 翻译:石乐 校对:汪慧

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