南大洋的碳汇能力可能没有我们想象的那么强

南极洲与其他大陆之间那片广阔的冰海对大多数人来说都是一个黑暗的谜团。极地探险家欧内斯特·沙克尔顿是少数去过南大洋的人之一，他怀着恐惧和敬畏之心看待南大洋被风暴肆虐的海洋。在浮冰困住并压碎了三桅帆船后，耐力1915 年，沙克尔顿进行了一次史诗般的救援行动，航行 1,300 公里，为受困的船员提供援助。他驾驶一艘小型敞篷船穿越南大洋水域，他称其为“大自然以其力量的骄傲将涌起的巨浪卷来卷去”。

然而，这片遥远而狂暴的海洋也造福于人类。科学家估计，每年，南大洋吸收了人类通过燃烧化石燃料发电、供热和运输而释放的 40% 以上的二氧化碳。这使得海洋成为减缓大气中吸热温室气体积聚的强大支持系统。这片巨大的海洋吸收的碳越多，大气中积累的碳就越少，地球也就没有那么多变暖。

但南大洋的某些地方可能正在与海水的碳储存作用作对。科学家们已经开始对二氧化碳的排放量进行雄心勃勃的新测量。₂它利用深海浮标吸收二氧化碳，这些浮标可以到达海洋的各个角落。去年 9 月，研究人员利用新数据报告称，它们吸收的二氧化碳₂但在黑暗而寒冷的冬季，南极洲附近的部分海洋实际上会将气体重新排放到大气中。这表明南大洋比科学家们所希望的更适合晴天。

这些细节促使海洋学家试图更全面地了解南大洋实际上可以吸收多少碳以及吸收速度有多快。如果流入南大洋的碳比科学家们想象的要少，那么这些碳肯定流向了其他地方——要么留在大气中，要么被其他海洋或陆地上的树木和其他植物吸收。

研究人员可能需要重新思考地球碳排放流向的理念。西雅图华盛顿大学的海洋学家艾莉森·格雷说：“对我来说，这是最令人兴奋的事情之一。这对全球格局有何影响？我们是否一直忽略了什么？”

独特的水域

大陆有助于塑造大西洋、太平洋和印度洋盆地内的水循环方式。相比之下，水流畅通无阻绕着南大洋（SN：9/16/17，第 36 页），通常定义为从南纬 60° 一直延伸到南极洲。科罗拉多大学博尔德分校的海洋学家 Nicole Lovenduski 说：“它的几何形状非常独特，这让它的环流也独一无二。”

对 CO 影响最大的模式₂南大洋水平面上升的主要原因是强烈的翻转环流，这有助于连接深水和水面。

一组洋流将地表水拉下，携带碳并将其从大气中封存起来。研究人员通过将取样瓶放入不同深度的海洋中，将瓶子密封，然后将其打捞到海面进行实验室测试来追踪水的动向。通过测量样品中碳的同位素或化学变化，科学家可以确定水的年龄。任何比工业革命开始（大约 150 到 200 年前）更年轻的水，可能都含有由燃煤发电厂或其他人类来源排放的碳。南大洋中的大部分人类碳都隐藏在最上层 500 米处。

第二组洋流将深海中的水带到地表。这些古老的水太古老了，不可能含有人造碳，但它确实含有来自那些深处生活和死亡的浮游生物等生物遗骸的天然碳。当水到达地表时，它会将一些古老的天然碳释放到大气中。洛文杜斯基是一篇关于海底的评论论文的合著者，他说：“这些水通常几百年都没有进入大气层。”南大洋的碳变化在一月份海洋科学年鉴。

整个南大洋的上升流和下降流模式各不相同，因此有些水域会吸收碳，而另一些水域则会排放碳。海洋学家一直在试图找出哪种模式更占主导地位？南大洋每年释放的碳总量是比吸收的多还是少？有时结论取决于研究人员观察的是海洋的哪个部分。

计算机模拟表明，在工业时代早期，南大洋可能是一个碳排放源，排放量大于吸收量。但洛文杜斯基的计算表明，大约在 1930 年，南大洋的二氧化碳水平₂大气中的二氧化碳含量变得如此之高，以至于海洋被迫从空气中吸收二氧化碳——它从排放碳变成了储存碳。

研究人员很难证实这一点，因为对南大洋的观测很少。海洋学家偶尔会测量二氧化碳₂通过在水中放置浮标或从配备专门设备的船上取样。但很少有船只敢于在南大洋航行，除非沿着德雷克海峡航行，德雷克海峡是南美洲尖端和南极洲之间相对狭窄的航线；即使在那里，海浪也非常汹涌，航行也很少，而且大多仅限于夏季。

科学家们根据他们所观察到的情况，结合模拟结果来估计未直接研究的海洋部分可能发生的情况。到 21 世纪，科学家们普遍认为南大洋总体上是一个碳汇。“这在当时似乎是一个巨大的进步，”洛文杜斯基说。

但在 2014 年，研究人员开始在这些最南端的水域投放第一批 200 个特殊浮标，这是一项名为“南大洋碳和气候观测与建模”（SOCCOM）的项目的一部分。这些 1.3 米长的黄色圆柱体收集水温、盐度、含氧量和 pH 值（或酸度）数据，这些数据用于估算二氧化碳₂水平。（当海水吸收二氧化碳时，它会将化合物转化为碳酸氢盐，一种弱酸。）截至 5 月初，已部署了 150 多个浮标，其中 130 多个仍在发送数据。

SOCCOM 浮标全年漂流到南大洋的偏远角落。浮标在最上层两公里深的水中上下浮动，收集信息。为了通过卫星传输数据，它们偶尔会浮出水面。有些浮标甚至在南极洲周围的海冰下移动并收集数据。它们可以感知到上方是否有冰，因此不会在错误的时间浮出水面。“这简直是革命性的，”格雷说。

对 SOCCOM 前三年数据的分析已经改变了科学家对碳如何流入和流出南大洋的看法。去年九月，地球物理研究快报Gray 及其同事报告了 2014 年至 2017 年间 35 个 SOCCOM 浮标收集的数据。在最冷、最黑暗的 7 月至 9 月期间，海洋正在喷出二氧化碳₂在南极洲各地。

冬季的海洋是二氧化碳更强大的来源₂“这比我们预期的要多，”一直在研究这一地区的汉堡马克斯·普朗克气象研究所海洋生物地球化学家彼得·兰舒策说。“之前没有人见过这种现象，因为在严酷的冬季，没有人观察过这种现象。”

局部 CO₂洛文杜斯基说，海平面上升可能与海底地形有关。当洋流撞击海底山脉或山脊时，它们可能会被迫向上流向海面，从而释放出碳元素。洛文杜斯基正在模拟这一过程如何发生，以及为什么这一过程在冬季比夏季更常见。

太多的二氧化碳₂这些热点地区排放的二氧化碳可能对人类没有多大帮助。在 SOCCOM 的初步结果公布之前，研究人员已经计算出整个海洋每年吸收大约 10 亿吨碳（大约是人类排放量的一半）。SOCCOM 的数据讲述了一个截然不同的故事：至少在那三年里，海洋排放的量和吸收的量一样多。“这让我们所有人都有点措手不及，”Landschützer 说。这太令人震惊了，不是每个人都相信它。

创意数据收集

为了查明南极洲水域到底发生了什么，研究人员需要更多信息。格雷一直在与 Landschützer 等人合作，看看 SOCCOM 从大量浮标中获得的新数据可能会揭示什么。科学家们还在研究如何将浮标数据与从破冰船等船只收集的信息进行协调劳伦斯·M·古尔德定期往返德雷克海峡的船只。这些船只测量的 CO 排放量通常较低₂从南大洋排放的二氧化碳比 SOCCOM 浮标少。这可能是因为船只大多停留在这条狭窄的路径上，而不会冒险进入南大洋的遥远区域。

结合 SOCCOM 数据和船上估计的数据，科学家们认为他们可以证实冬季某些地区确实发生了碳排放——尽管可能没有格雷团队 9 月份所称的那么强烈。团队成员、普林斯顿大学海洋学家塞思·布什金斯基将于 7 月在蒙特利尔举行的国际大地测量学和地球物理学联合会会议上介绍这些最新发现。

其他组织正在向南大洋投放各种测量工具来评估二氧化碳₂英国诺维奇东英吉利亚大学的海洋生物地球化学家 Dorothee Bakker 甚至想将 pH 传感器绑在海豹的头上，让它们在南极冬季潜入深海觅食时收集观测数据。“为了获得更多数据，什么都行，”她说。

12 月，英国政府的 CUSTARD 项目（研究南极再矿化深度的碳吸收和季节性特征）的海洋学家将一串长达数公里的仪器系在南美洲西南端的海底。这个系泊装置用于测量氧气、营养物质和二氧化碳等物质₂水平。目标是更好地了解该地区的水是如何下沉并带走碳的。

另一种新方法依赖于加利福尼亚州阿拉米达的 Saildrone 公司制造的一艘小型无人帆船。Saildrone 帆船可以自动航行穿越海洋，拍摄照片，记录风速和浪高，并测量二氧化碳₂每小时 1000 立方米的海浪。今年 1 月，两架亮橙色的 Saildrones 无人机离开新西兰，进行一次私人探险，绕南极洲航行 15,000 海里，约 28,000 公里。其中一架被大海损坏，被迫返回港口，但第二架无人机在 5 月份已经绕行了南极洲一半的路程，在高达三层楼的海浪中奋力前行。

Saildrone 会不时与 SOCCOM 浮标会合，浮标会浮到水面测量二氧化碳₂在 Saildrone 经过时。比较 CO₂美国国家海洋和大气管理局西雅图太平洋海洋环境实验室的海洋学家艾德里安娜·萨顿 (Adrienne Sutton) 一直与 Saildrone 员工合作，他表示，两种设备的数据可以提供准确性的交叉检验。

随着南大洋进入冬季，研究人员希望看到 Saildrone 是否也能探测到冬季的二氧化碳₂打嗝。“目前还没有一个平台可以很好地测量一切，”萨顿说。“我感兴趣的是 Saildrone 能否成为南大洋的一部分。”

更多变化

正确估计当今的南大洋碳含量对于预测至关重要。“最终目标是预测 20 年或 50 年后我们的气候会是什么样子，”格雷说。

未来海洋化学成分将如何变化？这将如何影响生物体？₂进入海洋会使海洋变得更酸，从而对海洋生物造成危害。三月份自然气候变化Lovenduski 及其同事估计，南大洋的化学成分可能会发生如此迅速的变化，以至于到本世纪末，有些部分可能对小海螺有毒，是海洋食物网的重要组成部分。

还有其他一些未知数。南极环境的变化将如何影响南大洋的碳吸收？南极冰盖融化（SN：7/7/18，第 6 页），例如，它可能会向南大洋发送大量淡水脉冲，从而扰乱今天发生的一切。

南大洋“仍将帮助我们”，至少吸收人类自己造成的部分气候混乱，兰德舒泽乐观地说道。“唯一的问题是吸收多少。”

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本文刊登于 2019 年 6 月 8 日的科学新闻标题为“南大洋——朋友还是敌人？”南极洲周围的海水吸收的碳量可能没有预期那么多。