地球科學

灣流效應

墨西哥灣流是發源於熱帶的暖流,會穿越大西洋,為歐洲的冬天帶來一絲暖意。但事情恐怕沒有這麼簡單!

撰文/萊瑟(Stephen C. Riser)、羅澤(M. Susan Lozier)
翻譯/宋宜真

地球科學

灣流效應

墨西哥灣流是發源於熱帶的暖流,會穿越大西洋,為歐洲的冬天帶來一絲暖意。但事情恐怕沒有這麼簡單!

撰文/萊瑟(Stephen C. Riser)、羅澤(M. Susan Lozier)
翻譯/宋宜真


一個世紀以來,課本都這麼教:墨西哥灣流之類的大型洋流,會把溫暖的海水從熱帶大西洋運送到歐洲西北方。當洋流抵達歐洲,溫暖的海水會加熱上方空氣,待空氣移動到內陸,便會使歐洲冬季的氣候變得比美國東北部還要溫暖。


現在,這個美好的故事或許該改寫了。近來大眾對於全球氣候的高度關注,使得科學家更仔細研究墨西哥灣流的氣候效應,進而發現這項效應並不如過去認為的那麼明確。為什麼北歐的冬季普遍不像同緯度的美國東北部和加拿大那麼冷?透過電腦模擬(對墨西哥灣流的角色有不同的設定)以及海洋觀測資料,科學家得到了新的解釋,其中一個解釋說明了,為何美國西北部的冬季會比太平洋對岸的俄羅斯東部溫暖許多。


同時,最近的研究也開始懷疑數年前流行的一項猜測:北極冰融會「關閉」墨西哥灣流,進而打亂歐洲的天氣。然而,近來的研究仍認為氣候變遷至少會影響墨西哥灣流的強度,因而減輕全球暖化對北歐的影響。


熱從哪裡來?


全球的氣候變化主要是由地球的球狀外形所驅動。由於低緯度地區的太陽光入射角度較接近垂直,因此地表每單位面積獲得的熱比高緯度地區還多。這種受熱差異會導致盛行風(prevailing wind),進而重新分配熱帶地區到極區的熱能。而海洋覆蓋了70%的地表,在熱能重新分配中也扮演重要角色。海洋表層兩公尺所儲存的太陽熱能比海洋上方大氣所儲存的全部熱能還多,因為一立方公尺的水,比熱(物質儲存熱的能力)大約是相同體積空氣的4000倍(而且是土壤的四倍以上)。在中緯度地區,海洋表層100~200公尺處的水溫,一年之中的變化有10℃,所儲存和釋放的熱能比大氣或陸地多出很多。而且由於洋流(例如墨西哥灣流)會帶動海洋表面上的海水,某地在夏季所獲得的熱能,不久後就有可能釋放到數千公里之外的大氣。


由於海洋的流動方式以及所具備的儲熱能力,我們很自然會假設,位於北緯50度的愛爾蘭,在冬季時的氣溫之所以會比位於大西洋對岸同緯度的紐芬蘭島高出將近20℃,或許就是洋流的緣故。同樣的,位於東太平洋北緯50度溫哥華附近的氣溫,也比同緯度的俄羅斯勘察加半島南端高出20℃左右。


19世紀的地理學家暨海洋學家毛瑞(Matthew Fontaine Maury)是第一位把歐洲西北方相對溫暖的氣候歸因到墨西哥洋流的人。這個威力強大的洋流是來自亞熱帶和熱帶的溫暖海水,沿著美國東南海岸向北流,接著在北卡羅來納州哈特拉斯角附近的緯度,轉而朝向東北方流去,然後注入大西洋。毛瑞推測,墨西哥灣流供應了熱給吹越大西洋的西風,並且送往歐洲西北部。他也推測,倘若墨西哥灣流的強度減弱,冬季的風便會冷冽許多,使歐洲的冬季像北極一樣。數年後,毛瑞的想法幾乎成了定論,然而至今這個理論大部份仍未經檢驗。


不過,對於歐洲的冬季之所以較為溫暖,美國哥倫比亞大學拉蒙特–杜赫第地球觀測站的席格(Richard Seager)等人在10年前提出一項解釋,認為歐洲冬季較溫暖與墨西哥灣流無關。席格的模型研究顯示,當大氣噴流從西繞著地球向東吹,遇上洛磯山脈,便會開始沿著南北方向振盪。這個振盪會產生兩股氣流,一股從西北方越過大西洋盆地西側,另一股從西南方越過大西洋盆地東側。西北向的風會為美國東北部帶來大陸冷氣團,西南向的風則為歐洲西北部帶來海洋濕暖的空氣。


在這樣的觀點下,讓歐洲氣候變得溫暖的,並非墨西哥灣所帶來的熱能,而是夏季儲存在歐洲海岸邊、海洋表層100公尺的熱。當西南方的風在冬季吹過海洋表面,這些熱便會釋放到大氣中。在這種情況下,毛瑞的傳統猜測就是錯誤的,是因山脈而轉向的大幅度風吹模式,加上歐洲近海儲存的熱能,才使大西洋東西岸產生溫差(請見76頁〈歐洲的冬天為什麼比北美洲溫暖?〉)。


我們要切記,席格的模型模擬並未明確考慮到海洋運送的熱能,而在席格論文發表之後沒多久,美國華盛頓大學的萊恩斯(Peter Rhines)以及美國航太總署哥達德太空飛行中心的哈克南(Sirpa Hakkinen)便在他們的研究中提出了這點。他們提出的反擊,使毛瑞的傳統觀念獲得了一些現代的支持。兩位海洋學家在檢驗了海面溫度的檔案資料之後,發現儲存在東部大西洋上層海水、在歐洲北部緯度附近的熱,僅足以維持每年12月份的溫暖氣溫。至於維持冬季其他月份溫暖空氣的額外熱能,則需從其他來源獲得。其中,最有可能的來源是:東北流向的墨西哥灣流。


測量顯示,位於北緯35度之處(約等同於美國北卡羅來納州的緯度),北大西洋會往北運輸800兆瓦的熱能,其中大多是由墨西哥灣流運送。然而,在北緯55度(約等同於加拿大拉布拉多省的緯度),流向極地的熱能卻少到可以忽略。這些熱能哪裡去了?萊恩斯和哈克南證明,海水釋放到大氣的熱能正是沿著墨西哥灣流的路徑行走。盛行風接著把熱能帶往東邊,因此讓歐洲氣候變得溫和。萊恩斯和哈克南基本上是支持毛瑞對墨西哥灣流的猜想,而席格則反對這個想法,把重點放在大氣噴流之上。


2011年,現於以色列雷荷弗特魏茲曼科學學院的卡斯比(Yohai Kaspi)以及美國加州理工學院的史奈德(Tapio Schneider),根據大氣及海洋的最新實驗數據,提出了第三種想法。他們同意席格和萊恩斯說的都是事實,不過最後應該把重點放在大氣壓力的模型上。卡斯比和史奈德的模型指出,熱能是沿著墨西哥灣流的路徑,從海洋散逸入大氣,使美國東岸產生一股穩定的低氣壓系統向東穿越大西洋往歐洲移動,以及另一股穩定的高氣壓系統向西穿越北美大陸的東部邊緣。基於一些複雜的理由,這個模型的淨效應就是:穩定的低氣壓系統會藉由噴流的西南風,把溫暖的空氣帶往西歐,這股西南風會把墨西哥灣流的熱能在整個冬天持續釋放出來。北極冷空氣所提供的穩定高拉力,會使北美洲東部降溫,並擴大北美和歐洲之間的溫差。


因此,大西洋兩岸氣候的差異,並非單純因為西歐異常溫暖,還因為北美洲東部異常寒冷。這兩個地區的氣溫特徵,來自於附近墨西哥灣流海水的熱能散失,造成了特有的大氣循環模式。


然而,墨西哥灣流的熱能要支撐起這個循環,光有大西洋中部在夏季獲得的熱能是不夠的,還需從較低緯度運送過來的熱能。在這種情況下,卡斯比和史奈德借用了席格較早期的想法。即便這個低氣壓和高氣壓系統的形成,不需借助洛磯山脈對噴流的影響,他們依舊提高了西南風把暖氣攜至歐洲的重要性。


有趣的是,卡斯比和史奈德的模型也可以解釋為何美國的俄勒岡州、華盛頓州和加拿大卑詩省的冬季較為溫暖,而俄羅斯勘察加半島的冬季則如此酷寒。我們從未把太平洋兩岸的氣候差異歸因於黑潮(太平洋版的墨西哥灣流),主要原因在於太平洋比大西洋大得多,且整體而言,黑潮比墨西哥灣流弱得多。然而,卡斯比和史奈德的研究結果認為,黑潮所釋放出的熱能足以引發穩定的氣壓系統,一如墨西哥灣流之於大西洋。這個氣壓系統會把極地的冷空氣經由西北風帶到西北亞,同時經由西南風將較溫暖的空氣帶到美國太平洋北岸。


北極冰融,灣流停擺?


究竟哪個模型正確,大家還在議論紛紛,不過卡斯比和史奈德的版本似乎比較可信。毛瑞猜測中的第二部份,近來也引起大量關注。這部份的理論是說,倘若墨西哥灣流中止了,歐洲西北部的冬季會變得更寒冷。多年來,墨西哥灣流在氣候變遷所扮演的角色都是由這個問題來界定:倘若較溫暖的氣候造成北極冰融,這些注入北大西洋的淡水是否會減緩灣流的循環作用,讓灣流停擺,進而奪去歐洲西北部的重要熱源?


整個翻轉環流包括往北向極區移動的北大西洋上層溫暖海水,以及往南向赤道移動的北大西洋下層冰冷海水。這些淺層和深層的洋流合力形成一個輸送帶,將高緯度的拉布拉多州和北歐海域的表層海水往下拉至底層,然後讓其他處海底盆地的深處海水上升到表層。基本上,下沉至北大西洋北方的冷水,會被從他處湧升的較溫暖表層海水所取代。


在許多氣候變遷的模擬中,北極冰融會使高緯度海域增加大量淡水。由於淡水的鹹度比海水低(密度也較低),因此可能不會下沉,於是就不會出現轉向循環中提供深層水流的下沉海水。在此情況下,別處的深層溫暖海水就不需要上升,因為上層的海水並未下沉,無需補充。最後,由於沒有新的溫暖海水上升至海洋表層,向北流動的墨西哥灣流便有可能消失。另一個可能的情況是,高緯度所增加的淡水會使墨西哥灣流更加往南偏轉,或是削弱灣流的強度。不管是何種情況,削弱或轉向的灣流帶給歐洲冬季的熱能都會減少。許多模型都強力預測,翻轉環流,會連帶使得北大西洋和歐洲西北部降溫。


然而,近來對洋流所做的更細緻模型研究顯示,北極冰融所釋放出的淡水注入洋流之後,可能大多被限制在海岸線,因此對於主要發生海水下沉的公海區域影響較少。即便淡水大幅影響沉入北大西洋的水量,結果也不太可能有效讓墨西哥灣流停止。之所以如此,是因為墨西哥灣流的路徑和強度大多仰賴於中緯度大尺度風的速度和方向。在大多數氣候變遷的模擬中,大尺度風的整體方向並未因北極冰融而有顯著改變,因此墨西哥灣流的整體路徑和強度也沒有大幅變化。然而,墨西哥灣流往東北方向延伸的支流(是較小的支流,會把較上層的溫暖海水帶到副極區)則很有可能受到擾動。因此,證據顯示墨西哥灣流會持續下去,但是我們很難判定,在不同的氣候模擬中,墨西哥灣流的水有多少會被帶往北方。


Argo即時觀測


目前,關於氣候變遷如何影響歐洲天氣,答案主要還是來自於模型實驗。這些實驗依然有極大的不確定性,除非能得到更多海洋數據的支持。少數來自於公海的觀察數據都是一個世紀之前,而我們手上有的衛星數據,則是30多年前的。


科學家近來已經達成長足的進展,他們藉由阿爾戈(Argo)計畫,豐富了海洋資料庫的內容。阿爾戈計畫要以3000多個散佈在全球海面上的漂浮感測器,持續蒐集溫度及鹽度數據。感測器是由美國等30多個國家佈放並操作,讓科學家得以繪製出全球海洋表層2000公尺以內近乎即時的溫度及鹽度地圖。全部的感測器已在最近10年內佈放完成,我們正開始啟用,希望能有效檢驗大氣變動與大尺度海洋變化之間的關聯。


舉例來說,將阿爾戈的資料與1980年代斯克里普斯海洋學研究所羅米西(Dean Roemmich)和吉爾森(John Gilson)的海洋觀測資料比較之後,會發現在這20年內,海洋上層數百公尺的溫度上升了0.2℃。全球海洋上層的鹽度也微幅增加了0.1%。但在下層數百公尺的海水,卻比數十年前淡了許多。這些改變是否足以影響歐洲或其他地方的氣候,仍在未定之天,但是我們可從阿爾戈的數據得到一些線索。不論地球是暖是冷,從太陽獲得的熱能一定會等於地球還給宇宙的輻射熱。但大氣中累積的溫室氣體顯然已破壞了這個平衡。我們在上層海洋觀察到上升的0.2℃,恰好就是把獲得的太陽輻射扣除發送出去的輻射後,所保留在地球的熱能,大約是每平方公尺1瓦特。


我們改良海洋觀測站之後獲得的初期結果,為氣候理論和模型提供了強而有力的數據。這些結果也指出,在接下來數十年我們能達到何種境地。未來10年,一旦科學家一一檢驗了衛星傳送回來的海平面數據、電腦的模型模擬,以及Argo計畫偵測的海面下數據記錄,他們應該就能更精準評估海洋在氣候中扮演的角色。如此一來,我們或許最後便能夠確定,在這個水漾星球上,墨西哥灣流是如何影響氣候變遷。


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