互动科普

海洋的盐指

Raymond W. Schmitt，Jr.

以海水混合的方式出现的小规模奇观对海洋结构可能有大规模的影响。

本世纪50年代中期，伍兹霍尔海洋学研究所的Henry M. Stommel，Arnold B. Arons和其他研究人员，站起来凝视着黑板，想摸索一条测量海洋底部压力的方法。在失望中，他们正考虑建造三英里长的一根管道，从海洋表面直通海底，并把海洋最深处的水吸进管内并上提。由于靠近海底的海水没有表面的海水咸，所以进入管道内的水柱，在达到热平衡后，会比它周围的海洋表面的海水要轻，并因此而高出海面海水。

Stommel和Arons猜想，他们在这种笨重的仪器的基础上，通过比较管道内上升和下降的水平面，然后就可容易地测出这种压力的变化。当他们凝视他们的草图，注意力完全集中在压力测量的问题上时，Arons突然产生了一个奇怪的想法。他在草图中的管道顶部加一套管，并说:“感谢上帝，如果我们打开龙头，海水将不停地喷出。”

Stommel把这种惊人的想象结构称为“永恒的盐喷泉”。他和他的合作者们通过在实验室建造一个模型盐喷泉，立即认识到他们的想法的真实性。后来，他们尝试装配了一个实际的海上盐喷泉，尽管他们为全尺度证明这种概念所作的适当的努力，得到的是一些不大明确的结果。

如果没有他们的热心于理论头脑的同事Melvin E. Stern在几年后所认识到的海洋本身完全有能力产生盐喷泉的话，Stommel和Arons的盐喷泉可能仍然只是一种海洋奇观。Melvin E. Stern指出，海洋传热比其使溶解盐扩散约快100倍。结果，海洋中的一“小区域”海水与其周围能够达到热平衡的速度远远快于用均分溶解盐的方法所能够达到的化学平衡的速度。因此，各相邻小水域即使没有物理屏障（如象管壁）的存在，其盐度亦有明显的差异，而这些差异可以驱使流体运动。由于此种现象只在几厘米（有效热传导的范围）范围内出现，所以由这一过程形成的小而伸长的水流，海洋学家们将之称为盐指（salt finger）。

我研究盐指的兴趣是由它的吸引力所激发起来的，而这种兴趣保持了许多年，则是由于越来越了解到这些微小的奇观能够对上层海洋的大规模结构起大的控制作用。海洋学家们现在认识到需要对盐指和它对于全球影响的程度的基本了解，才能精确地模拟海洋的温度和盐度，这些进展应该有助于确定许多标准，但是到目前为止知道的东西还很少，如在海洋中混合能够以多大的速率重新分布二氧化碳、污染物和热。

天然的盐喷泉

地球赤道附近接受的太阳辐射热比两极更为强烈，而海洋则为矫正热的这种不均匀分布而强有力地工作。受热的水沿海洋表面从热流向极地，而高纬度的寒冷的水下沉并流回到不同深度的赤道。

这种无限广阔的海洋对流系统的形成是由于冷水比热水比重更大的缘故，但海洋中的一个使其变得复杂化的因子——溶解盐的存在——能够产生同样重要的比重变化。海的盐度各地区有所不同，这是由于两种密切相关的现象在起作用。蒸发作用把海洋表面的淡水带走，留下较高的盐浓度，这就使所留下来的海水比重增加。相反，降雨则使海水稀释，从而降低了它的比重。

通常，由蒸发作用和降雨（水）所产生的局部海水比重的变化与全球的加热或变冷模式的变化正好趋于相反。也就是说，低纬度处的大量蒸发增加了邻近海洋表面的盐度和比重，而高纬度所增加的降雨则降低了盐度和比重。

这种共有的模式致使海洋上部温度影响和盐度影响之间存在某种程度的竞争。在大多数地区，海洋在比重上是稳定的，覆盖于较重而寒冷的水的上面的是较轻而温暖的水。可是，海洋的盐梯度（与温度梯度分开来考虑）肯定是上部重。这种不稳定的盐度分布在海洋中的大多数地区由于有稳定的温度影响而继续存在下去。

虽然如此，根据Stern的理论，在这些地区，浅层和深层之间的盐度的差异已变得足够大了，相邻平面之间应该自发地开始有喷泉状的流动。计算和实验室实验表明，这些水流形成一个长薄而垂直的细丝的规则模型，看起来就像水平横切面的小方室。

用理论做出的这种明确的预测，促使海上的海洋学家于本世纪70年代中期再度去寻找这些盐指的直接证据。为此目的而选择的一个研究地点就是在北大西洋的东部，那里能够测出1千多米深处地中海流出的盐分。这些水都很咸，因为地中海所碰到的是蒸发大大超过降水。由于这些水经直布罗陀海峡向西流动，它下沉并扩散入大西洋内。

本世纪70年代中期，为测定盐指进行远征。当时是麻省理工学院研究生的Bruce A. Magnell携带特定的仪器乘船经地中海飘流进入大西洋。该装置备有独特的、可跟踪穿越盐指的小尺度温度变化和盐度变化的快速反应的传感器。在同一船上，还有来自伍兹霍尔海洋研究所的Albert J. Williams使用了一台自由下落的光学设备，该设备可以使由盐指引起折光指数的变化成像。两种方法所得到的证据表明，所期望的厘米级的变化出现在地中海水域和大西洋水域之间的渐变（过渡）段。盐喷泉，即使是很细小的，事实上在自然界也是存在的。

才开始的野外工作的成功为盐指的许多进一步的研究提供了推动力。例如，约翰霍普金斯大学的Thomas R. Osborn最近从一艘潜水艇上观察到了可能发生的一种非对称型的盐指：他发现了在宽的向上流动的水流周围是狭窄的、向下下落的温暖而含盐的羽状水柱。我已经能够证明这类盐指在理论上是允许的；可是，还没有人鉴定过产生这种非对称几何形状的特殊的机制。

水下的阶梯现象

我自己所具有的盐指方面的经验是来自实验和理论研究，以及大量的海洋探险活动。这些航行的最大愿望出现于远离直布罗陀海峡数千英里之遥的临近加勒比海的大西洋的另一侧。在那个区域内，盐的垂直梯度对盐指形成是特别有利的，而且与大西洋东部中的地中海流出物相类似，大西洋在其东部以温度和盐度随深度而变化的方式显示出非常奇妙的结构。通常，从温暖的、太阳透射的表层到寒冷的、深色的海底，海洋上部显示出温度的连续变化。海洋学家把这种渐变的温度过渡叫做主斜温层。

不过，只要海洋学家们至少能够在过去25年中对北大西洋的这部分区域进行详侧，就会发现这种斜温层远非是平稳的。通过一系列不同的落差（每个落差在5米到40米之间），温度随深度的增加而下降。海洋学家们已把这类结构视为斜温层阶梯现象，该名称反映出温度和卤盐浓度两者像落差似的变化。像广阔的地质学地层那样，每一均匀的温度和盐度层能够寻踪到几百公里。难以想象，这类有规律的特征在不断搅动的海洋中为何能够存在下去。永远存在的内波和漩涡（海洋骚动的“天气条件”）不应该这么快就破坏掉这种阶段现象的模式吗？什么奇妙的过程能够保持这类海底的宝塔式结构呢？

回答这种海洋之谜要依靠盐指。在盐指中，水的运动把盐向下运输。热量也可随这种盐细丝一道向下输送，即便热量的传导是用附属的方式进人周围水中的。因此，这种运动降低了温度和盐度的正常垂直梯度。但是，十分明显，整个海水的比重是受反向影响的：当海洋形成盐指时，它的演变大于比重的差异。这是由于盐指所运输的盐更多于热；这种作用进一步降低了上部已经较轻的水的比重和增加了下部较重的水的比重。这种结果显然是反直觉的：通常由骚动（紊流）引起的混合作用可能对降低比重梯度有作用，但对增加比重梯度则不起作用。

盐指的这种奇特的比重变化产生出一种令人吃惊的结果，它简洁地解释了在热带太平洋和其它地区所观察到的阶梯现象结构。而通常通过随机紊流产生的混合也许可以指望消除任何开始时的比重分布上的不规则性，通过盐指混合则起增强它们的作用。在比重梯度已经急剧变化的区域中，这种变动甚至可能更走极端。经受最大比重变化的这些地区，这种变化大到足以减少附近区域的比重变化。结果是，上部海洋自我组成受高梯度的“层次”或界面限制的非常均匀的温度层和盐度层。各层含有大尺度的对流流体；界面则与盐指缀合在一起。

热盐的阶梯现象是本世纪60年代末期由剑桥大学的Stern和John S. Turner在伍兹霍尔海洋研究所的实验室内首先发现的，大约与此同时，其他研究人员用电子测试仪器再度发现了海洋的阶梯现象，此种电子测试仪器可以随着它们向海洋深处下落而不断地记录温度和盐度。不过只是在最近才有海洋学家阐述了这类不平常的结构的内部运转的详细情景。

实施“C-SALT”

1985年，我的同事和我有机会去研究加勒比海附近地区大面积阶梯现象的形成。我们的计划由全国科学基金会和海洋研究局提供经费，良好的海军作风要求我们采用一个合适的简称。我们取名C-SALT，即代表“加勒比席状和层状剖析”。

在我们进行野外考察之前，海军海洋研究开发机构的Janicc D. Boyd根据现在收集的阶梯状温度和盐度结构的海洋数据，确定共同观察的大面积区域恰好在巴巴多斯的东部。为了测试这个区域，我们装备了一个科学考察船队，包括飞机和船以及下锚到海底的固定的测试仪器。最令我们惊喜的是，我们探寻的这个系统包括极为广阔的区域。面积超过100万平方公里——大约相当于加利福尼亚州和得克萨斯州面积之和——显示了在我们测量中的阶梯形状的剖面图。通常能够看到10个不同的层次，而且这类相当薄的地形（每个大约30米厚）可以在海洋的大面积范围内延伸几百公里，这完全是出乎意料的。

关于阶梯系统的另一个发现是，各层次内温度和盐度变化的方式。我们发现，这些水下成层向南的变得较冷和较淡，向北的则变得较暖和较咸。当使这些层次随时间衰减时，在实验室内我们就能够将这个模型进行观察比较。根据我们的测量判定，物理性状的横向变化表示各层次内水平流动之问的平衡和穿越上下界面垂直变化的差异。

我们以明显一致的方式所证明的这些随位置而变化的特性，提供了一条重要的线索，盐指事实上正在保持这种阶梯，也就是说，我们所观察到的各层次内盐度的变化要大于温度的变化。除了盐指外，没有已知的混合过程能够引起这种不平衡。事实上，测定的盐度变化和温度变化之间的比率，非常接近于实验室实验和理论预测的期望值。我们对斜温层内阶梯结构的研究已证实，盐指确实是该区域内混合的主要形态。我们十分兴奋地发现，小规模混合部分对海洋的大尺度温度和盐度结构有明显的影响。

界面上的指形

在C-SALT的最后阶段，我们开始用两艘不同的船测量海洋的混合比率。在一艘船上，华盛顿大学的Michael C. Gragg和Thomas B. Sanford与Williams和我一道，使用了一些可以在水中自由下落而记录下温度和盐度分布的仪器。切萨皮克海湾研究所的Rolf G. Lucck携带了一台测量紊流的流线型装置。在另一艘船上，海洋研究所实验室的George O. Marmorino和他的同事使用能够给出温度阶梯结构以及还可测出小尺度盐指影响的一系列传感器。

我们用各种测量仪器发现，层次之间界面内相当有规律的温度变化有相似的模式，它完全不同于紊流的穗状图像。我们观察到波动的范围相当于3厘米网目大小，这与盐指理论十分一致。用海军携带的温度传感器得到的数据进一步揭示在混合层内运行的对流羽状水柱。这种海洋上的研究工作看来是在我们已在实验室得到这些模型之后进行的。

然而，在C-SALT期间，我和我的同事遇到的全部盐指的优势有时比我们预先考虑的要低。同时令我们吃惊的是，Williams的光学设备所显示的盐指，由于层次间剪切速度的变化，使之远远不是垂直而是倾斜的。较弱的混合看来是会发生的，这是由于界面原来是几米厚而不是几十厘米，这与我们从实验室实验得到的结果相似。华盛顿大学的Eric Kunzc最近开发的比较复杂的物理学模型看来可以说明厚度变化和垂直剪切对海洋盐指的影响这两者的原因。

C-SALT期间所作的测量还强调了盐指和普通的海洋紊流之间的重要的热力学差异。当上部海洋的波浪和旋涡混合而产生紊流时，由于它把一些表层运动的动能转换成了热结构形式（通过升高稠密的小水域和压制较稀薄的小水域）的潜能，所以它使正常的温度分布变得不正常。然而，这种动能中的一些是以热的形式消耗的。盐指亦使小水域的水上下混合。但是与紊流相比，盐指造成较少的热耗损，所以为了使能量损耗相等，可以允许5~20次的垂直混合。

在C-SALT考察期间所遇到的阶梯现象涉及极大一片水域（约占北纬10~15度之间大西洋的25%水域)。我们的估计表明，盐的混合比率在上述区域内比该区域外要大10倍，该区域外只有弱的混合作用发生。因此，像C-SALT考察期间所遇到的那些一样的阶梯现象可以为海洋中盐、氧和营养元素的垂直转移以及最近才抛入海洋的许多污染物的垂直转移提供一条判别的途径。

在其它区域形成盐指

从认识盐指混合所取得的进展，其应用范围远远超出了计算海洋对环境变化的反应以外。它已表明，在玄武岩形成中发现的这种高而狭长的结构被称为柱头节理（columnar jointing）是由冷却岩浆内的一种“玄武岩指状伸出”（“basaltfingering”）类型形成的。芝加哥大学的Yan Liang和Flank M. Richter以及伦塞勒综合技术研究所的E. Bruce Wanton用熔融状玻璃所作的实验已证实，在这类粘性流体内也能形成指。合金内亦出现指，它使从下部开始冷却的铸件中发生斑点和强度缺陷。

盐指混合在理论上还能够出现在星球内和外层空间气状行星的大气中。在下个世纪探索木星和土星的大气时，空间探测器将发现行星际的C-SALT阶梯的同类物吗？在星际的探查中肯定期望进一步的答案，而进一步的对这种有魅力的物理现象的洞察，能够同时从继续对地球自身的巨大流体实验室——海洋的研究中得到。

【赵裕卿/译  胡天其/校】