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天氣、氣候和氣候變化都涉及氣溫、降水等要素，其中天氣的時(shí)間尺度往往只有幾天，氣候是關(guān)于天氣要素的季節(jié)和年際變化，而氣候變化則涉及十年、百年、千年、萬年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

2022年夏季發(fā)生全球范圍的持續(xù)高溫，同樣升溫的是人們對(duì)氣候變化的關(guān)注。在歷史長(zhǎng)河中，氣候變化對(duì)人類社會(huì)的影響很大。我國科學(xué)家竺可楨等學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)力較為低下的古代中國，在寒冷嚴(yán)重影響農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的時(shí)候，容易發(fā)生社會(huì)動(dòng)蕩。地處英國北方的蘇格蘭，如今氣候溫和，適合人類居住，但當(dāng)?shù)氐乇沓雎侗ǖ哪嗟[堆積物^[1]表明其曾經(jīng)被冰川所覆蓋^[2]。更早些時(shí)候，學(xué)者研究阿爾卑斯山，也發(fā)現(xiàn)地質(zhì)歷史上的冰川堆積物是周期性產(chǎn)生的^[3]。一時(shí)間，氣候變化成為時(shí)尚問題，不僅僅是地質(zhì)學(xué)家，物理學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家，幾乎所有學(xué)科的都卷了進(jìn)來，至今已經(jīng)研究了約200年。這項(xiàng)研究傳到我國，也吸引了不少學(xué)者，其中李四光因此發(fā)現(xiàn)了廬山的冰川遺跡^[4]，此后，更多學(xué)者參與其中，研究西部地區(qū)的現(xiàn)代冰川、調(diào)查地球的南北兩極等。本文試圖回顧海洋影響氣候變化的學(xué)術(shù)思想發(fā)展路徑，重點(diǎn)探討目前一些主導(dǎo)性理論或觀點(diǎn)的源頭，并闡述其中所蘊(yùn)含的科學(xué)問題。

研究者們很早就意識(shí)到，影響長(zhǎng)期氣候變化有三個(gè)重要因素：天文周期、海陸分布和海洋過程^[1]。

天文周期方面的例子很多，比如，地球自轉(zhuǎn)一周24小時(shí)，產(chǎn)生晝夜周期;地球圍繞太陽一周，需要365天，所以有年周期、季節(jié)變化。氣候變化受到多種天文周期的影響。地球表面接受的太陽熱能，與太陽的遠(yuǎn)近和陽光入射角度有關(guān)，因此可以說天文周期提供了氣候變化的能量條件。

海陸分布影響海洋和大氣的狀態(tài)。海洋在南北半球的分布很不同：南半球陸地面積較小，海洋東西連通性好;北半球分布著地球上的主要陸地，太平洋、大西洋東西向互不連通，但各自南北向連通。因此南北半球的氣候有所不同，南半球溫和一些。假如把北半球的大洋改成東西向連通，南北不連通，那么氣候就會(huì)大不相同?？梢韵胂蠛ｊ懛植加绊憵夂虻囊环N極端情形：如果兩極地區(qū)沒有陸地，只有海洋，那么冰雪就難以積累，這是因?yàn)楹Ｋ橇鲃?dòng)的，冰雪不能固定在同一個(gè)地方，也就無法增厚。目前的地球，南極是大陸，北極雖然是海洋(北冰洋)，但周邊有大片陸地，是可以形成冰蓋的。要注意的是，盡管在地質(zhì)歷史上，百萬、千萬乃至億年的時(shí)間尺度上，海陸分布經(jīng)常發(fā)生變化，但在10萬年以內(nèi)，海陸的位置變化不太明顯，可以看成是固定的。

海洋過程有物理、化學(xué)和生物過程。洋流將熱能和水體輸往高緯和極地海區(qū)，使得熱能在全球海洋分布相對(duì)比較均勻。伴隨著海水運(yùn)動(dòng)，相對(duì)較熱的水體所到之處，大氣中的水汽含量隨之上升，從而增大降水量。此外，海洋中有大量生物生長(zhǎng)，不斷進(jìn)行太陽熱能、水汽和CO₂的傳輸、轉(zhuǎn)換，而這些能量和物質(zhì)都與氣候變化密切相關(guān)。

以上三個(gè)因素中，天文因素是周期性的，海陸分布也是一個(gè)比較穩(wěn)定的因素，而海洋過程則是一個(gè)常態(tài)化的活躍因素，因此，氣候變化與海洋密切相關(guān)，用英國科學(xué)家克羅爾(J. Croll)的話來說，大洋環(huán)流提供了氣候變化所需的物理機(jī)制^[1]。

海洋對(duì)于天氣的影響，是不難感受到的。夏天，陸地比海洋升溫快，于是陸地氣流上升，海洋氣流從低空進(jìn)入，形成從海到陸的風(fēng)，讓沿海地方的人們感受到?jīng)鏊?/p>

海洋對(duì)于氣候的影響要稍復(fù)雜些。通過大氣媒介，海洋使得氣溫、降水在各地分布得均勻一些。太陽輻射提供了海水長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)幽堋４笱蟓h(huán)流有兩種方式：一是熱帶海域水溫升高、水位抬升，于是，水往低處流，低緯地區(qū)的水體向高緯地區(qū)運(yùn)動(dòng);二是被陽光曬熱和未曬熱的海洋，造成兩邊大氣密度的差異，引發(fā)大氣運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了風(fēng)，而風(fēng)吹在海面上，也能使海水流動(dòng)。

平面環(huán)流的方向在南北半球有別，這是地球自轉(zhuǎn)造成的。大致以赤道為界，北半球的環(huán)流是順時(shí)針方向的，而南半球的環(huán)流是逆時(shí)針方向的。在太平洋，赤道附近水流向西運(yùn)動(dòng)，我國東面的西太平洋水流向北運(yùn)動(dòng)(稱為黑潮)，然后經(jīng)由日本海岸、加拿大和美國東海岸返回赤道水域。大西洋也有類似的水流，其西部沿美國東海岸北上的水流稱為墨西哥灣流(或簡(jiǎn)稱灣流)。受黑潮和灣流影響的地方，其氣候要比同緯度的地方暖和一些，比如日本海岸有著相對(duì)濕潤(rùn)溫和的氣候，英國南部雖地處北緯51度，卻以常綠樹為特征。降水方面，黑潮和灣流攜帶的水汽在沿程逐漸釋放，到達(dá)大洋東邊時(shí)，自北向南降水逐漸減少，因此在北半球的大陸西岸，從北到南逐漸變得干旱，從溫哥華到西雅圖、舊金山、洛杉磯，或者從英國到法國、西班牙、葡萄牙，都可看到這種現(xiàn)象。

大洋環(huán)流對(duì)氣候變化的影響體現(xiàn)在熱能、水體輸送與大氣的關(guān)系上，與前述的情況有所不同，此處針對(duì)的是靠近極地的區(qū)域^[7]。極地區(qū)域最大的特點(diǎn)是接受的太陽能和向太空輻射損失的能量很不平衡，若無海洋的補(bǔ)償，地表氣溫會(huì)很低。

海洋的影響是有多樣性的。在“全球變暖”狀態(tài)下，僅從熱量輸送的角度看，海洋給極地區(qū)域帶來了額外的熱能，似乎會(huì)進(jìn)一步加劇變暖趨勢(shì)，但深入的分析需要考慮以下兩點(diǎn)。

首先是這部分熱能對(duì)極地增暖起多大作用。假如這里的地面是裸露的土壤，地面增溫將比較顯著，而如果地面為冰雪，則陽光將被大量反射到太空。此外，冰雪地面還有一個(gè)作用，就是加大向太空的輻射，冰面溫度雖然較低，但相對(duì)于外太空卻是很高的，因而造成輻射損失。海洋傳入額外的熱能，是否會(huì)破壞冰雪覆蓋的地面?要回答這個(gè)問題，還必須考慮海洋輸入的水汽。緯度稍低處，水汽轉(zhuǎn)化為降雨，但在極地區(qū)域，水汽轉(zhuǎn)化的是降雪。在氣候變暖的背景下，新降落的雪會(huì)在夏季全部融化，不過它卻產(chǎn)生了一個(gè)新的作用，即減緩原有冰蓋的融化?？梢韵胂螅绻麤]有新的降雪補(bǔ)充，原有冰蓋的融化會(huì)快得多。

海洋輸送的熱能和水汽在中緯度（左）和極地區(qū)域（右）的不同效應(yīng)

冰蓋融水對(duì)經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流影響機(jī)制  (a)冰蓋融水層規(guī)模小，向極地輸運(yùn)的海水溫度降低至4℃時(shí)，發(fā)生下沉，產(chǎn)生經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流（箭頭指示垂向環(huán)流流向）；(b)冰蓋融水層占據(jù)垂向環(huán)流水體下沉區(qū)，向極地輸運(yùn)的海水不能到達(dá)下沉位置，經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流被遏制。（海水等溫線數(shù)字單位為℃）

因此，海洋的熱能和水汽輸往極地，雖然熱能有所增加，但降雪也增加了，其綜合的結(jié)果是有利于保持或減緩冰蓋損失，而冰蓋的存在則使海洋新輸入熱能的增溫效果大打折扣。這就是說，海洋的作用是減緩全球變暖。全球變暖加劇海洋輸送，但加劇的輸送又反過來不利于繼續(xù)變暖，這是一種負(fù)反饋機(jī)制。

其次，海洋作用的另一個(gè)效果是垂向環(huán)流對(duì)氣候變暖的響應(yīng)。海洋平均水深約4000米，暖水在表層流向高緯和極地區(qū)域，并在流動(dòng)中逐漸降溫，最終下沉，從底層返回低緯地區(qū)。由于海水中含有3.5%的鹽分，因此海水最高密度所對(duì)應(yīng)的溫度是4℃，在極地附近，這個(gè)溫度高于周邊水溫，但由于密度最大，仍然發(fā)生沉降，這就是垂向環(huán)流產(chǎn)生的原因。海洋向極地的持續(xù)輸送依賴于垂向環(huán)流。然而，極地區(qū)域的變暖可導(dǎo)致冰蓋融化加劇，而融化的淡水是低密度的，如果大量覆蓋在海洋表層，則會(huì)占據(jù)原本環(huán)流可以到達(dá)的地方;海水不能到達(dá)周邊水體密度較低的地方，那么下沉就不會(huì)發(fā)生，從而阻斷垂向環(huán)流^[8]，極地區(qū)域重回?zé)崮苋氩环蟪龅臓顟B(tài)，變暖趨勢(shì)得到遏制。過去，此類現(xiàn)象是基于理論分析推論的^[1,7]，但近年來隨著觀測(cè)技術(shù)和模擬水平的提高，重新變?yōu)檠芯繜狳c(diǎn)^[9]。

在“全球變冷”狀態(tài)下，海洋的影響又會(huì)如何?一方面，此時(shí)海洋輸運(yùn)仍然發(fā)生，只是強(qiáng)度可能稍有減弱，所提供的熱能難以逆轉(zhuǎn)極地區(qū)域的熱能虧損;另一方面，海水所攜帶的水汽轉(zhuǎn)化為冰雪，即便在夏季也不會(huì)全部融化，冰雪的體積因此逐年增大。冰雪層逐漸變厚的后果是在重力作用下向外擴(kuò)展，覆蓋面積越來越大，整個(gè)地球也就越來越冷，冰期就此來臨?？梢哉f，海洋輸來的水汽對(duì)全球變冷起了推波助瀾的作用。

不過，地球的神奇之處是，負(fù)反饋機(jī)制無處不在，冰蓋的增厚也是如此。如前所述，冰蓋在重力的作用下向緯度較低的方向運(yùn)動(dòng)，最后覆蓋了整個(gè)大陸的大部分地區(qū)，地球進(jìn)入冰期。在1.8萬年之前，北美大陸就曾經(jīng)被冰雪所覆蓋，東亞地區(qū)的冰蓋最大時(shí)有多大，研究者們還有不同看法，但可以肯定的是覆蓋的范圍不小。那么，冰蓋能夠達(dá)到的最大規(guī)模究竟是多少?冰蓋的厚度越大，擴(kuò)張速度越快，當(dāng)厚度不再增加時(shí)，擴(kuò)張范圍達(dá)到最大。什么時(shí)候冰蓋厚度不再增加?冰雪補(bǔ)充量與冰蓋邊緣冰塊融化脫落到大海的冰量相等的時(shí)候。物理學(xué)家在100多年前就已經(jīng)研究過這個(gè)問題了，現(xiàn)在的觀測(cè)和計(jì)算更加精細(xì);研究表明，陸地上冰蓋的最大厚度能達(dá)到3500米左右。因此，冰蓋范圍要受到這一厚度的制約。當(dāng)間冰期到來的時(shí)候，冰蓋融化，留下的冰磧物指示了曾經(jīng)達(dá)到的范圍。

地球大氣層是天氣和氣候的直接載體，氣候變化與大氣成分變化有關(guān)，目前科學(xué)家爭(zhēng)論的問題之一是，人類通過燃燒煤、石油、天然氣，把大量CO₂排到大氣之中，這是否是氣候變暖的主要原因?換言之，除了上文提到的三個(gè)因素之外，還有另外一條獨(dú)立的通路可能導(dǎo)向氣候變化，這個(gè)想法也可追溯到19世紀(jì)后期^[10]。當(dāng)然，兩條通路同時(shí)存在，也是可能的。

CO₂是一種高效率的溫室氣體，能將太陽能截留在大氣層中，自20世紀(jì)后半葉以來大氣中CO₂濃度持續(xù)上升。與此同時(shí)，全球氣候呈現(xiàn)變暖趨勢(shì)。這使得研究者猜測(cè)兩者之間的關(guān)聯(lián)性。盡管CO₂濃度上升所引發(fā)的效應(yīng)還難以準(zhǔn)確定量計(jì)算，但不少人相信，相關(guān)性很可能意味著因果關(guān)系，因而將20世紀(jì)以來的氣候變暖歸因于人類排放過多的CO₂。不同意這個(gè)觀點(diǎn)的學(xué)者則認(rèn)為，氣候變化主要是自然過程，CO₂只是其中一個(gè)插曲，不能起決定性的作用。誰對(duì)誰錯(cuò)，尚未有定論，但對(duì)國際政治已經(jīng)產(chǎn)生了很大影響;應(yīng)對(duì)氣候變化已經(jīng)成為熱點(diǎn)話題，而應(yīng)對(duì)的措施與氣候變化的原因有關(guān)，原因不同，措施也不同^[11]。在爭(zhēng)論尚未塵埃落定的情況下，為了保險(xiǎn)起見，主流的看法是要降低CO₂排放，要在不遠(yuǎn)的將來，達(dá)到化石燃料使用的最大值，進(jìn)而使大氣CO₂濃度不再提高。要達(dá)到此目標(biāo)，不能忽視海洋的調(diào)節(jié)作用。海洋作用的結(jié)果是減緩大氣CO₂上升，其途徑是通過生物活動(dòng)和沉積過程。

CO₂能穿越海水表面而進(jìn)入水體內(nèi)部，故海水中有一定量的溶解CO₂，可供植物生長(zhǎng)。海洋藻類植物通過光合作用，產(chǎn)生碳水化合物。在此過程中，所需營養(yǎng)物質(zhì)碳氮磷的比例大致為106:16:1，也就是說，生物生長(zhǎng)需要106份碳、16份氮，再加1份磷。從大氣進(jìn)入海洋的CO₂就這樣被海洋生物生長(zhǎng)所消耗了。海洋植物除了部分被動(dòng)物所食之外，在死亡之后，有許多植物顆粒在水層中被微生物所分解，還有一部分有機(jī)質(zhì)隨著沉積物一起堆積在海底。事實(shí)上，我們現(xiàn)在所用的化石燃料，就是堆積在沉積物里的有機(jī)質(zhì)變成的。石油、天然氣和煤炭被使用后變成CO₂，CO₂被海洋生物使用，最后重回沉積物，這就完成了一個(gè)大循環(huán)^[11]。如果大氣CO₂增加，則進(jìn)入海洋的溶解CO₂也相應(yīng)增加，生物活動(dòng)因此更加旺盛，最后回歸海底的有機(jī)質(zhì)也增加。以此種方式，海洋可以調(diào)節(jié)大氣CO₂濃度。

海洋生物的作用還不止于此。海水中鈣離子與CO₂結(jié)合成碳酸鈣，許多動(dòng)植物以合成碳酸鈣的方式形成自己身體的一部分，如珊瑚用它構(gòu)建自己的骨骼，貝類用它長(zhǎng)成介殼，大部分有孔蟲的外殼、許多藻類的骨架部分也是碳酸鈣。作為無機(jī)物顆粒的碳酸鈣堆積到海底，像生物有機(jī)物一樣脫離大氣CO₂系統(tǒng)。地質(zhì)歷史上，進(jìn)入沉積物的有機(jī)碳有5000萬BMT(1 BMT=10億噸)，無機(jī)碳有1000萬BMT，比當(dāng)前大氣中的碳總量748 BMT高出5個(gè)數(shù)量級(jí)^[12]。

所以，海洋物理機(jī)制調(diào)節(jié)極地冰雪，而海洋生物機(jī)制調(diào)節(jié)大氣CO₂濃度。如果CO₂成為氣候變化的主導(dǎo)作用，那么海洋生物機(jī)制就將帶來一個(gè)挑戰(zhàn)性的問題：地質(zhì)歷史上，大氣CO₂濃度較高的時(shí)期，氣候也應(yīng)比較溫暖，那么海洋生物生長(zhǎng)旺盛也應(yīng)與此相關(guān);然后，旺盛的海洋生物活動(dòng)可能消耗掉全部大氣CO₂，使得生物活動(dòng)難以為繼，這可能導(dǎo)致生物滅絕;大氣CO₂缺失導(dǎo)致溫室效應(yīng)喪失，造成氣候變冷。在溫室氣體效應(yīng)假設(shè)之下，人們?cè)噲D脫離天文周期和海陸分布因素來解釋地球歷史上的氣候變化。據(jù)研究^[12]，目前大氣CO₂總量為748 BMT，每年火山等CO₂供給為0.048—0.18 BMT，若每年凈收支為0.001 BMT，則大氣CO₂濃度可在百萬年內(nèi)發(fā)生很大變化，這表明溫室氣體引發(fā)氣候變化的可能性。需注意的是，氣候變化和生物大滅絕孰為因、孰為果，其解釋需要與CO₂收支因素相匹配。例如，說生物活動(dòng)耗盡大氣CO₂，導(dǎo)致氣候變冷，然后造成生物死亡，這一解釋就有些可疑，因?yàn)椴坏鹊酱髿釩O₂耗盡，生態(tài)系統(tǒng)可能早就崩潰了，此時(shí)氣候變冷的條件就成為非必要的。

大氣CO₂收支造成的時(shí)間變化  (a)大氣補(bǔ)充量>沉積作用移除量，大氣CO₂總量上升；(b)大氣補(bǔ)充量<沉積作用移除量，大氣CO₂總量下降。（假設(shè)每年大氣CO₂凈收支為±0.001BMT）

如前所述，海洋會(huì)影響氣候變化，反過來海洋也受氣候變化影響。在全球變暖的情況下，海面會(huì)上升，使得許多地勢(shì)低的地方處于危急狀態(tài)，如太平洋、印度洋和大西洋的珊瑚礁島海拔很低，通常都在5米以下，島上居民可能喪失生存條件;海洋風(fēng)暴也會(huì)加劇，人們不得不面對(duì)未來風(fēng)暴的防范問題。此外，海洋軟體動(dòng)物也受到全球變暖的影響，海水CO₂含量上升造成海水酸化，影響其鈣質(zhì)骨骼和殼體發(fā)育。

還有一個(gè)相關(guān)的問題：關(guān)于全球氣候變化，我們是怎么知道的?人類使用儀器做觀測(cè)，只有100多年的歷史，如果要考察海洋與全球氣候變化相互關(guān)系的更長(zhǎng)歷史，就要依賴其他資料，特別是地層記錄資料。10萬年尺度的冰期、間冰期變化，其確切的歷史數(shù)據(jù)就是從海洋沉積中獲得的^[13]。在這一點(diǎn)上，海洋不僅是全球氣候變化的參與者，也是其見證者。從海洋中所見，不僅有海洋對(duì)氣候變化的影響，也有后者對(duì)海洋自身的影響，關(guān)鍵是要能夠提取沉積記錄所含的信息^[14]。

回到本文主題，海洋如何影響全球氣候變化?以上論述中提出的看法是：海洋通過能量和物質(zhì)向極地區(qū)域傳輸轉(zhuǎn)換，對(duì)全球氣候變暖起到遏制作用，而對(duì)全球氣候變冷則有放大作用。此外，海洋還通過生物活動(dòng)調(diào)節(jié)大氣CO₂濃度，進(jìn)而影響氣候變暖或變冷。全球氣候變化是一個(gè)異常復(fù)雜的科學(xué)問題，涉及的科學(xué)問題很多，可以預(yù)見，在今后較長(zhǎng)的一段時(shí)間里，海洋對(duì)氣候變化的影響仍將是一個(gè)熱門議題。

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