我们的海洋系列（32）盐度温泉猜想和温盐阶梯

张武昌2022年2月7日

科学史上有为数不多的事物是先由科研人员根据理论预测其存在，然后被发现的。数学上有哥德巴赫猜想（Goldbach conjecture）。天文学和物理学上著名的例子是爱因斯坦的光线被大质量天体弯曲现象，太阳系外围的海王星的发现。生物学上，1862年达尔文看到马达加斯加的大彗星风兰（达尔文兰）标本，白色星状的花冠后面有长达30厘米的底部装有花蜜的花距（名称中彗星的来由），预言该岛有一种喙特别长的蛾子为其传粉，1903年发现了马达加斯加长喙天蛾。

在海洋学中，也有根据猜想或理论预测的海洋学现象，这就是盐度温泉猜想及其引申的盐指salt finger和温盐阶梯thermohaline staircase。

在热带和亚热带海洋，表层海水由于日晒、蒸发导致温度和盐度都比下层海水高。

沿大西洋断面温度和盐度剖面分布图

1956年，Stommel发表了题为“海洋学的一个猜想(好奇心)：永不停歇的盐度温泉An oceanographical curiosity: the perpetual salt fountain”的论文。Stommel猜想在海洋表层和下层之间放置一个长长的管子，加一个初始动力使得下层海水向上层流动，动力停止后，下层海水由于在上升过程中吸收热量、温度升高、密度降低，就会源源不断的向表层流动，形成一个喷泉。

下层阴影部分是低温低盐水，上层白色部分为高温高盐水

这一猜想后来被进一步发展，1960年，Stern发表了“盐度温泉和温盐对流The salt-fountain and thermohaline convection”的论文，提出假如将管道去除，上层高温高盐、下层低温低盐的两层海水之间的界面一旦被打破，

（1）        下层的海水向上层产生一个凸起，就会吸收上层的热量，导致密度降低；同时会吸收上层的盐分，导致密度升高。如果吸收热量导致的密度降低效果大于吸收盐分导致的密度升高效果，这个凸起就会膨大，逐渐变为指状；反之，则这个凸起会消失。

（2）        上层的海水向下层产生一个凸起，就会向下层释放热量，导致密度升高；同时会向下层释放盐分，导致密度降低。如果释放热量导致的密度升高效果大于释放盐分导致的密度降低效果，这个凸起就会膨大，逐渐变为指状；反之，则这个凸起会消失。

如果上层和下层的凸起都膨大，就会形成交错的指状凸起，被称为盐指salt finger（虽然是温盐两种物理量共同作用的结果，使用盐指可能是为了表达的简洁，只有少数使用热-盐指heat-salt finger）。由于温度和盐度两者的扩散导致两层海水相对流动，这一现象被称为温盐对流（thermohaline convection），是双扩散对流（double-diffusive convection）的一种模式。

温盐对流的后果是当两层向对方伸出的手指因温盐的变化和黏滞力而解体、形成间断的水滴，就会形成新的水层，这时水体就会有三个水层。在相邻两层之间继续形成盐指，最终的结果是水体会有5个水层，以此类推，水体将最终形成3、5、9、17、33个水层。

各个水层内部温度和盐度是均匀的，而水层之间就会有温度和盐度的跃变，在温度和盐度随深度变化的连线就不是圆滑的，而是呈现像台阶一样的态势，称为温盐阶梯thermohaline staircase。因此虽然在海洋中发现盐指不容易，而探测温盐阶梯是可行的。

第一个被发现的温盐阶梯是1967年8月Stommel等人在百慕大海域的深层观测到的。

此后在位于大西洋1000多米水深的地中海出流水中发现了温盐阶梯，1971-1974年多篇论文发表在顶级期刊Nature和Science上。这些高温高盐海水在上的台阶方向是从左向右升高，被称为盐指型（salt finger regime）温盐阶梯。

Stern在1960年的论文中，提到了冷而淡的海水覆盖在高温高盐水时，上层水吸收盐分密度变大、因吸收热量密度变小，当前者的作用大于后者时，上层水就会向下层伸出盐指，同理下层水会向上层伸出盐指，因而形成温盐阶梯。

1981年3月，科学家在北冰洋发现了这一现象。这些高温高盐海水在下的台阶方向是从右向左升高，称为(盐度)扩散型（diffusive regime）温盐阶梯。

至此，1960年Stern预测的两种形式（高温高盐在上，高温高盐在下）的温盐阶梯都被发现。Stommel的猜想得到了观测的证实，这也许是海洋学研究中为数不多的先猜想后验证的现象。

在此后的调查中，在世界各海区都发现了温盐阶梯，2021年，科学家根据Argo全球海洋观测网（含冰浮标）的资料建立了全球海洋温盐阶梯数据库（global dataset of thermohaline staircase），有的阶梯可有多达20-30个台阶。

全球盐指型（红色）和扩散型（蓝色）温盐阶梯示例（从左至右台阶数增加）

盐指型温盐阶梯发生的区域（下图中红色点）主要在热带亚热带、地中海，在澳大利亚南部海域的温盐阶梯台阶数最多（颜色最深）。而扩散型温盐阶梯（下图中蓝色点）发生在两极，台阶数最多（颜色最深）的海区是北冰洋的加拿大海盆。

1992年1月17日，Stommel先生去世，伍兹霍尔研究所的刊物《海神Oceanus》发行了纪念专刊，向这位杰出的海洋学家致敬。

在这一期的封面上，印有Stommel在1974年（猜想被证明后）说过的话：“人类历史的大部分时间都没有给人类追寻好奇心(curiosity，猜想)的机会，除非作为富人的爱好或在王权的庇佑之下。我们现在探索自然，还有人给发工资，不得不说是很幸运的。”

盐度温泉猜想及其引发的盐指和温盐阶梯的预测和发现说明，无论科学发现能带来多少认知和生产力的进步，科学家亲近科学的根本原因在于科学家好玩、而科学好玩。