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轻松读懂海洋(31)中国南海不同水团的变化 精选

已有 3963 次阅读 2022-3-28 11:44 |系统分类:科普集锦

上一章我们专门探讨了中国南海表层和次表层水的温度和盐度变化。这一章我们把焦点放到南海更深层的水,比如中层水和底层水的性质变化。中国南海和太平洋通过台湾和吕宋岛之间的巴士海峡相连接。该区海岭深度(sill depth)为2500米。现今中国南海的深水由西律宾海的深水由北向南灌入。2500米这个深度以上,其实包含了太平洋2500以上的深层水和中层水。

浮游有孔虫Globorotalia inflata生活在200-450米,是研究南海中层水的良好介质。南海刚好处于南北太平洋交接处。北太平洋现今不能生成深层水,但是在冷期可以形成太平中层水(North Pacific Intermediate WaterNPIW)。所以,在冷期的时候,NPIW可以扩散入侵到中国南海,使得南海中层水降温,盐度也降低。而在暖期,NPIW后撤消失,南大洋热咸的中层水则会占据南海中层水。

而底栖有孔虫则是研究深层水的良好介质,比如Cibicidoides wuellerstorfi。科学家挑选出海洋沉积物中的这些小虫子,研究它们所在表的水团性质。为了追踪水团,我们可用的参数也不少,比如之前提及的eNd以及d13C

研究显示,C. uellerstorfid13C在暖期的值比冷期要高,尤其在冰消期时,d13C会快速上升。影响d13C数值的主要有两种因素:全球有机碳库变化和水团变化。前者包括海洋溶解的非有机碳(Dissolved Inorganic CarbonDIC)、陆地生态圈、以及大陆架沉积物等。这种大型有机碳库的变化会造成全球d13C较为统一的变化,这种变化较为平滑。d13C还具有一种快速变化,比如对应于YDHenrich事件等,这些快速变化则大部分由于水团转化造成,因为不同水团的d13C差异显著。

此外,由于d13C还有沿着洋流路径逐渐变低的趋势。在行进中,海洋表层的有机碳会逐渐掉下来,降低了d13C的值。因此,在中国南海研究中,我们也会发现南部钻孔记录的d13C要比同时期北部记录低,也证明了南海深水从北向南流动。

南极CDWAABW的演化与中国南海的深水演化密切相关。当南极冷水加强的时候,会向北运动,侵入印度洋和北太平洋,并进而通过巴士海峡占领南海深水区。这就造成了某些底栖有孔虫的同时性灭绝。其主要原因是水团的改变,通风改变,温度改变,也进而说明深海有孔虫物种对环境的敏感性。比如NHGMPTLGM时期,尤其是MPT的冰期,是重要的全球降温时期,此时,这些海域的底栖有孔虫种类和含量都会发生重大变化。

但是,侵入南海的深水团可不止AABWCPW。在冷期,当北太平洋中层水产生的时候,就会压抑AABWCDW,从而在侵入南海深水团时占据上风。在印度洋地区则没有这样的竞争。所以,如果我们对比印度洋和南海以及太平洋,就会发现早期NPIW还没出现,而AABW/CDW占主角时,三个地方会有一致性,包括海洋生物演化以及碳酸钙溶解等事件。主要的时期包括3.5Ma3.2Ma2.6-2.4Ma~2.15Ma1.8-1.7Ma等。此时,南海的浅水和深水来源并不一样,所以,在南海的前部和深部的生物行为不那么一致。但是,当NPIW出现后,情形就发生改变。比如,MPT。在此期间,南海本身被MPIW统一占据,其深水和浅水区的生物行为会较为一致,但是和开阔太平洋以及印度洋区就会明显不同。

MPT,除了NPIW会加强,AABW/CDW同时期表明会减弱,这主要是由于东南极冰盖扩展收到阻扰。这很容易得到证实,比如,NPIWeNd值比较高,NPIW的入侵,会使得南海eNd记录明显升高。同时由于北太平洋来的NPIW比较年轻,d13C值比较高,这都是识别NPIW的主要特征。

以上都是在讨论底层水和深部中层水。钱部中层水和表层水则而未必符合这个规律。受到南亚岛屿的阻挡,南大洋的水很难进入南海,因此,北太平洋的表层水则可以长驱直入占领南海浅部中层水和表层水。这些水的eNd值都比较高。当底层水被AABW/CDW占领且稳定后,在这个背景下,浅部中层水和和深部中层水的混合就变得不容忽视,于是,尽管南海深层水被AABW/CDW占领,但是较浅中层水的eNd值会慢慢增加。我们需要在南海不同水深来研究eNd的演化,这样才能区分不同会团和混合作用的影响。

提及浅部中层水和表层水,必须提到黑潮(Kuroshio CurrentKC),黑潮的分支可以通过巴士海峡进入南海。黑潮是日本暖流,属于北太平洋顺时针暖流的西边界流,具有高温高盐特征。黑潮内含有的杂志较少,光线也因此更多被吸收,较少被反射,因此颜色就偏暗淡,偏黑,黑潮也因此而命名。黑潮厚度在500-1000米,因此,足够影响南海前部的中层水。

南海的海底地形复杂,受到边界条件的控制,湍流发育。湍流造成的水的混合在南海地区分布并不均匀。进一步讲,南海的内部混合会比外海强烈,其动能主要有风力、孤波、内波,这会产生一个中等深度(~1000米)的混合作用。

总的说来,靠近吕宋岛东部地区的混合作用强于西部,南海北部强于南部。造成了东南和西北的两个方向上的混合差别。这种差别在长时间尺度上是否能被记录保存,还需要研究。对比这两个地区浅部中层水的水团混合特征,对解决这一科学问题有帮助。

研究现今巴士海峡的水流进出情况,对于我们理解南海大规模水体交换至关重要。我们切开现今巴士海峡水体,会发现水体剖面具有三明治结构。上层水的流量最大,可以达到5.9Sv,主要贡献来自于黑潮。1500米以下,主要是AABW/CDW的灌入,流量较小,只有0.9Sv。中间这一部分,我们叫它中层水,净流量(表示有流入,也有流出)是流出南海,流量大约为1.4Sv。简单的算法就可以得知,至少有5.4Sv得海水测从南海南部其它出口流出,水量整体保持平衡。

南海深部海水肯定不是死水一潭,否则我们观测到得深海都会是还原环境,这与地质记录不符合。深部海水通过之前所说的上涌作用,内部各种尺度涡的混合等,与中层水发生交换。如果我们俯视中层水,会发现更复杂的行为,在巴士海峡会有进有出,只不过径流量是流出南海。

依据以上模型,我们再思考一下南海的古海洋学记录。在南海东北部的中层水区域,会有两种模式,一种对应较为纯的中层水进入,一种对应于发生过交换的中层水流出。当冷期时,NPIW会强烈地改变南海中层水的性质。深层水相对来说较为稳定,主要是太平洋的深层水灌入。或者NPIW在进入巴士海峡之前,已经和AABW/CDW进行了一定的交换,然后一起进入南海,形成深层水。这些问题听起来道理合理,但是不知道古海洋学的记录能否灵敏到可以检测以上所有问题。




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