隨著地球變暖，許多額外的熱量都儲存在了地球海洋中———但是監測這些熱量的大小卻是一個艱巨的任務。不過出人意料的是，潮汐的某些特性或許能幫。在馬里蘭州的格林貝爾特(Greenbelt)，NASA戈達德航天中心（Space Flight Center）的科學家們正在開發一種通過衛星觀測地球磁場來間接測量海洋熱量的新方法。

潮汐與磁場

海水的潮汐會引起地球磁場的細微波動。歐空局的Swarm衛星能夠探測這些磁場波動，從而為從太空中測量海洋熱量提供了條件。歐空局（European Space）的Swarm衛星探測到，海洋的潮汐引起地球磁場的微小波動。這些磁場波動可能是測量來自太空的海洋熱量的關鍵。

來源：NASA戈達德宇航中心概念圖片實驗室/Matthew Radcliff制作

“如果你關心全球變暖，或者想了解地球的能量平衡，那么一個巨大的未知數便是到底是什么正在流進海洋”，戈達德中心的科學家Robert Tyler說：“我們知道海洋的表層正在變熱，卻并不能掌握究竟有多少熱量正在被儲藏在海洋深處。”

如何測量海洋熱量？

盡管海洋熱量對地球氣候如此重要，但它仍然是一個無法在全球范圍內被精確測量的物理量。目前的測量手段主要依靠阿爾戈(Argo)浮標群，但是它們并不能在時間或者空間上形成完整的覆蓋。如果衛星觀測能夠成功，這將是第一種能夠覆蓋所有深度的測量全球海洋熱量的方案。

Tyler的方法依賴于海洋的多個物理特性。海水是電的良導體，所以當海水在海盆中攪動時，它會引起地球磁場線的輕微擾動。用Tyler的話說，海流試圖拽著磁場線跟它一起走。盡管由此造成的磁場擾動非常微弱，但是它們已經在包括海洋膨脹、渦流、海嘯、以及潮汐等多種現象中被觀測到了。

“歐空局近期發射的Swarm衛星以及它們的磁測量正在提供磁場波動前所未有的觀測數據”，Tyler說到：“隨之而來的將是新的研究機遇。”

科學家們知道潮汐會在何時何地發生。加上Swarm衛星提供的高分辨率數據，他們就可以從中分辨出哪些是由規律的潮汐而造成的磁場波動。此時，海水的另一種地球物理特征發揮了作用。潮汐的磁場波動的強弱取決于海水的電導率，而海水的電導率則由它的溫度決定。

對Tyler而言，剩下的問題就是：“能否通過監測這些磁場波動來監測海洋的溫度呢？”

NASA戈達德航天中心的科學家研發出了一種新技術，來測量空間海洋熱量。這項技術可以幫助科學家解答許多有關地球氣候的重要科學問題。

來源：NASA戈達德宇航中心/Matthew Radcliff制作

在2016年12月12日至16日的舊金山美國地球物理年會(AGU)上，Tyler同他在戈達德的合作者Terence Sabaka發布了這項研究的首個結果。（如下）

nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/oceanheatagu2016briefing.pdf

他們通過展示如何從計算機模擬的“無噪聲”的海洋潮汐和磁場信號中推算出的全球海洋熱量，為這種方法的概念可行性提供了關鍵的支持。然而,當他們嘗試在“有噪聲”的觀測信號上模擬的時候，它還不能提供監測熱量變化所需的精度。

但是，Tyler說，我們在數據處理和模擬的方法上還有很大的改進空間，而且Swarm衛星仍在繼續收集更多的磁場數據。這是第一次嘗試使用磁性衛星數據監測所有深度的海洋熱量，在這項技術可以成功解決這個關鍵變量之前還有很多工作要做。舉例來說，通過識別諸如渦流或者其他潮汐組分造成的擾動，科學家可以提取出更多的有用信息，并得到對海洋熱量及其變化的更精細的測量。

海洋吸收了地球上多余的熱量

來自國家海洋大氣總署(NOAA)國家環境信息中心的科學家Tim Boyer說，地球系統中超過90%的多余熱量都進入了海洋。目前的海洋熱量監測是通過船載系統和阿爾戈浮標完成的。雖然來自多個渠道的數據已經顯示海洋熱量自1955年以來正在穩定地增長，但是研究人員仍然需要更加全面的信息。

即使阿爾戈浮標做了巨大的努力，我們仍然未能達到期望中的對海洋極可能多的覆蓋范圍，以便降低測量中的不確定度”，Boyer補充道，“如果能夠直接地完整地用衛星來測量全球海洋熱量，那將是極好的。”

海洋溫度的變化具有全球性的影響。來自加州NASA噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）的冰層學家Catherin Walker說到，南極冰蓋正在不斷縮小，而這種退縮并不能單純從大氣的溫度變化中得到解釋。她與同事們研究發現南極冰川的平均每年消失2-4米（6.5-13英尺）。他們研究了不同的因素來解釋冰川的融化——周圍的海冰、風、鹽度、氣溫——以及最為相關的溫暖海流的注入。

“在某些年份，這些溫暖的海水匯流到大陸架上，影響了冰層融化的速度，”Walker說到。她與她的合作者在AGU會議上發表了這項研究結果。

Walker的團隊已經在南極半島上確定了一個區域，那里溫暖的海水可能已經滲入到內陸冰架以下。而這可能會導致海平面上升。

在南極洲附近的浮標和船舶測量很稀少，但是深水溫度測量卻可以用標記的海豹來實現。然而海豹也有它的局限性。“那種測量是隨機的。我們并不能控制海豹們往哪兒跑，”Walker說。她又補充道，衛星測量海洋熱量和溫度對南半球海洋研究將非常有用。

過去50年來浮游植物的變化

海水溫度也影響著海洋中的生物圈——小至微觀的浮游植物。不同的浮游植物只在不同的溫度范圍內生存，并且需要不同的養分。戈達德的科學家Stephanie Schollaert Uz說：“由于海水變熱會造成的海水分層的增加，將加劇浮游植物群落中的優勝劣汰。”

在AGU會議上發表的研究中，她回顧了過去50年來浮游植物的變化。運用溫度、海平面高度以及其他海洋物理量，她生成了熱帶太平洋自1958年到2008年之間的浮游植物分布范圍的歷史。縱觀這五十幾年，她發現這些浮游植物的分布逐年變化。最值得注意的是，在厄爾尼諾現象（El Niño）發生的年份，反常的海流和溫度使得浮游植物分布不能像正常年份一樣抵達西太平洋。

進一步挖掘數據后，她發現厄爾尼諾現象集中在哪里對浮游植物也有影響。當厄爾尼諾的溫暖水域集中在東太平洋時，它抑制整個海盆中的營養物質，從而比集中在中部太平洋的厄爾尼諾現象更能抑制浮游植物的生長。

“在跨越50年的時間尺度上，我們第一次對多次厄爾尼諾現象在整個海盆范圍內給生物帶來的影響有了初步的認識，”Uz說到。

正因為海洋溫度關系到從氣候到生物多樣性在內的整個地球系統，Tyler將繼續改進他的新型磁場遙感技術，以進一步提高我們未來對地球的理解。（編輯：Rob Garner 翻譯：石樂 校對：汪慧）