麻省理工学院的海洋学家对北极令人费解的海洋乱流有一个解释

漩涡通常被看作是海洋的天气。就像大气中的大规模循环一样，漩涡以缓慢移动的海洋气旋的形式在海洋中盘旋，将营养物质和热量带走，并将它们运送到世界各地。

在大多数海洋中，涡旋在每个深度都能观测到，在表面涡旋更强。但自20世纪70年代以来，研究人员在北极观察到一种奇特的模式:夏季，北极涡旋与其他海洋中的涡旋类似，突然出现在整个水柱中。然而，随着冬季冰雪的回归，北极水域变得平静，在冰层下的前50米没有发现漩涡。与此同时，更深的地层继续搅动漩涡，不受浅水突变的影响。

几十年来，北极涡旋活动的这种季节性转变一直困扰着科学家。现在，麻省理工学院的一个研究小组给出了解释。在今天发表在《物理海洋学杂志》(Journal of Physical Oceanography)上的一篇论文中，研究人员表明，驱动北极涡旋行为的主要因素是冰的摩擦和海洋分层。

通过对海洋物理模型的模拟，他们发现冬季的冰起到摩擦制动的作用，减缓表层海水的速度，防止它们加速进入湍流漩涡。这种影响是有限的;研究人员发现，在50至300米深的海水中，盐分较高、密度较大的水层可以使海水免受摩擦效应的影响，从而使涡流全年不停地打转。

研究结果强调了涡旋活动、北极冰和海洋分层之间的一种新的联系，现在可以将其纳入气候模型，从而更准确地预测北极随气候变化的演变。

麻省理工学院(MIT)海洋学教授约翰·马歇尔(John Marshall)说:“随着北极变暖，这种涡流消散机制，即冰的存在，将消失，因为夏天的冰不会在那里，而在冬天会更容易移动。”“因此，我们预计未来看到的是一个更加不稳定的北极，这对北极系统的大规模动态有影响。”

马歇尔论文的共同作者包括麻省理工学院地球、大气和行星科学系的研究科学家Gianluca Meneghello, Camille Lique, Pal Erik Isachsen, Edward Doddridge, Jean-Michel Campin, Healther Regan和Claude Talandier。

在表面下

在他们的研究中，研究人员收集了伍兹霍尔海洋研究所提供的北冰洋活动数据。这些数据收集于2003年至2018年间，通过传感器测量水柱中不同深度的水流速度。

研究小组将这些数据取平均，得出一个时间序列，得出北冰洋典型年份的速度随深度变化的情况。从这些观察中，出现了一个明显的季节趋势:在冰层覆盖很少的夏季，他们在海洋的所有深处看到了速度很高和更多的涡流活动。在冬季，随着冰层的增加和厚度的增加，浅水停止活动，涡流消失，而更深的水域继续表现出高速活动。

“在大多数海洋中，这些涡流一直延伸到表面，”马歇尔说。“但在北极的冬天，我们发现涡旋生活在海面下，就像漂浮在深海的潜艇，它们不会一直到达海面。”

为了弄清是什么导致了这种奇怪的涡流活动季节变化，研究人员进行了一项“斜压不稳定性分析”。该模型使用一组方程描述海洋的物理特性，并确定在给定条件下，大气中的天气系统和海洋中的涡流等不稳定因素是如何演变的。

一个冰冷的摩擦

研究人员在模型中加入了各种不同的条件，对于每种条件，他们在不同的海洋深度引入了类似海面风或船只经过时产生的涟漪的微小扰动。然后，他们将模型向前运行，看看扰动是否会演变成更大、更快的涡流。

研究人员发现，当他们同时考虑海冰的摩擦效应和分层效应时，就像在北极水域不同密度的水层中一样，该模型产生的水流速度与研究人员最初在实际观测中看到的相符。也就是说，他们看到，没有冰的摩擦，漩涡在所有海洋深度自由形成。随着摩擦力的增加和冰层厚度的增加，海水速度减慢，在海洋的前50米，漩涡消失了。在这个分界线下，水的密度，也就是它的分层发生了巨大的变化，漩涡继续旋转。

当他们加入其他初始条件时，比如不太能代表真正北冰洋的分层现象，模型的结果与观测结果的匹配度较弱。

马歇尔解释说:“对于我们所看到的现象，我们是第一个提出简单解释的人，即地下漩涡全年都保持活跃，而一旦周围有冰，由于摩擦效应，表面漩涡就会消失。”

既然他们已经证实了冰的摩擦和分层对北极涡流有影响，研究人员推测，这种关系将在未来几十年对塑造北极产生重大影响。还有其他研究表明，北极夏季的冰层正在逐年加速消融，到2050年将完全消失。冰越少，水就会在表面和深层自由地形成漩涡。夏季涡流活动的增加可能会从世界其他地区带来热量，进一步使北极变暖。

与此同时，梅内盖洛指出，在可预见的未来，北极的冬季将被冰层覆盖。北极变暖是否会导致全年更多的海洋乱流，或在四季中更强的变异性，将取决于海冰的强度。

不管怎样，梅内盖洛说:“如果我们进入一个夏季完全没有冰、冬季冰较弱的世界，涡流活动将会增加。”“这对水中移动的物体有着重要的意义，比如示踪剂、营养物质和热量，以及对冰层本身的反馈。”

这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。