更好地了解大气和海洋之间的气体交换可以改进全球气候模型

在公海的湍流和寒冷的高纬度地区，波浪破碎后注入的气泡是一种未被充分认识的将大气气体输送到内海的方式。出于多种原因，改进对高纬度地区气体交换的机制理解很重要，包括更好地约束用于预测海洋关键气体(如氧气和二氧化碳)库存变化的气候模型。

本周发表在国家科学院院刊上的一项由 WHOI 牵头的新研究“北大西洋深处的溶解气体跟踪海洋通风过程”结合了新的地球化学示踪剂和海洋环流模型来研究大气气体的物理学进入深海。该研究使用一种新技术来精确测量溶解在从北大西洋 4.5 公里深处收集的海水样本中的惰性气体同位素。惰性气体——元素周期表最右侧的元素——不活泼，也未被生物学使用，这使它们成为有用的物理学示踪剂。

惰性气体在海面与大气交换后既不添加也不从水中去除。因此，测量百慕大海岸附近北大西洋深处溶解的惰性气体可以让科学家们了解发生在艾尔明格海等特殊区域的气体交换物理学，那里的表层海洋在暴风雨的冬季条件下变得足够密集，可以下沉和下沉。形成缓缓向南流的深水。

该论文的第一作者Alan Seltzer表示，这些新发现表明，高纬度海洋中气泡的溶解“可能是所有惰性气体、氧气和氮气进入深海的主要途径。” 伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI) 海洋化学和地球化学系的助理科学家 Seltzer 说，这项研究是朝着理解气体进入海洋的基本物理学迈出的一步。

“我们可以做的任何事情都可以提高模型代表我们世界的方式的准确性，尤其是当它与气体有关时，”他说。“我们关心全球生态系统的氧气，我们关心 CO 2，因为海洋在吸收我们的排放方面发挥着巨大作用。因此，如果我们能够改进模型表示物理过程(例如气体交换)的方式，我们就可以对未来使用模型进行的模拟更有信心，以此来预测在二氧化碳含量更高的更温暖的世界中情况将如何变化。 ”

“了解海洋如何吸收和释放气体到大气中是一个具有挑战性但至关重要的步骤，可以预测它们对气候变化的反应。惰性气体具有化学和生物惰性，是探测所涉及的物理过程的有力工具，”期刊文章的合著者威廉·詹金斯 ( William Jenkins)说，WHOI 海洋化学和地球化学系名誉研究学者。“苏打水等。论文是这一旅程中向前迈出的重要一步，因为它结合了新的高精度惰性气体浓度和同位素比测量，这些测量是开启对这些重要过程的理解的关键。他们的研究结果还揭示了海洋氮循环，这对气候变化问题都很重要，而且也是我们对海洋食物网如何得到支持的基本理解。”

该研究的测量值来自百慕大大西洋时间序列 (BATS) 站点(北纬 31°40，西经 64°10)，自 1988 年以来，该站点几乎每月从上到下对海洋进行重复巡航。BATS 站点是一个理想的地点采集样本，因为它位于深水形成区的下游。BATS 站点的深海惰性气体浓度使科学家能够研究冬季事件期间的气体交换，在冬季事件中，深海是随着地表水冷却并变得更稠密而形成的。在这些严酷的条件下，直接观测具有挑战性和稀缺性，这就是为什么在更温暖、更南部地区的深海中进行的测量如此有价值。

Seltzer 说，要理解为什么气泡在将惰性气体、氧气和氮气输送到深海中起着如此巨大的作用，一种方法是认识到“每次波浪破裂，都会大大增加可用于气体交换的表面积大气层和海洋。”

“深海(约占海洋总体积的 75%)与大气之间的二氧化碳和其他温室气体交换发生在冬季的高纬度地区，尤其是在风暴事件期间。对北大西洋深处惰性惰性气体浓度的测量记录了在暴风雨事件中形成的大气泡的重要性，显着增加了我们对深水气体交换率的理解，”合著者 William Smethie 说。，哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站特别研究科学家和退休研究教授。“这提高了我们量化海洋和大气之间二氧化碳和温室气体交换的能力，并预测它们的大气浓度将如何影响地球气候，这对于制定减缓全球变暖的政策至关重要。”

这项研究的资金由国家科学基金会 (NSF) 和英国自然环境研究委员会提供。计算资源由国家大气研究中心计算和信息系统实验室的气候模拟实验室提供，由 NSF 和其他机构赞助，并由牛津大学高级研究计算设施提供。