摘要
北冰洋位于北极，有时被认为是世界之巅。然而，这片海洋被著名的海洋学家弗里德乔夫·南森称为“颠倒的”海洋。在全球大部分地区，海洋表面被太阳加热，并通过蒸发失去淡水，使其比下面的水更温暖、更咸。在北极，冰冷的淡水位于来自太平洋和大西洋的温暖的咸水之上。我们解释了为什么北冰洋水域是这样分层的，气候变化是如何影响这些分层的，以及为什么它对我们所有人都很重要。
北冰洋为什么是颠倒的
海洋覆盖了全球70%的面积，大部分海水分布在一年四季都能接受阳光照射的纬度地区。所有这些阳光温暖了海洋表面，也推动了蒸发淡水从海洋表面留下了海盐这意味着，在大多数海洋中，我们期望在表面找到温暖、咸的水，而较深的水往往较冷、盐度较低。因此，当挪威探险家Fridtjof Nansen在1893-1896年将他的船Fram冻结在北极冰层中时(图1)，发现北极表面是冰冷的淡水，下面是温暖的咸水，他将北极描述为一个“颠倒的”海洋[1］．自从南森的发现以来，对北冰洋水结构的早期观察已经被许多海洋学家证实。南森知道北冰洋被海冰覆盖，海冰漂移的方向可以让他的探险队从西伯利亚出发，穿过北极，回到挪威。虽然他们只差几百公里就到达了北极，但这次探险产生了大量的新发现，为现代北冰洋科学提供了重要的知识。
- 图1 -显示南森号船只漂移的北冰洋地图弗拉姆号在他的探险期间用黄色标出。
- 蓝色箭头表示来自北极河流的寒冷淡水的主要来源，而红色箭头表示通过弗拉姆海峡和巴伦支海开放的温暖咸的大西洋水的来源。“极地船尾”号上的MOSAIC探险队的漂移轨迹以橙色显示，请注意，“极地船尾”号于2020年6月在斯瓦尔巴群岛离开冰袋进行船员更换，并将返回冰袋继续漂移。海底深度图，由IBCAO提供[2］．
自南森时代以来，北极的气候变化速度是地球其他地区的两倍，北冰洋失去了大量古老的海冰。北极的气候变化不仅影响海冰。温度变暖也会影响冰面下的水。马赛克考察队是北极气候研究多学科漂流观测站的缩写，于2019年10月启动，有望为气候变化如何影响现代北极海冰、北冰洋和北极生态系统提供一些答案。今天，2020年6月，马赛克探险队沿着南森的预定路径行进了7个月(图1）1与此同时，为了理解气候变化如何影响北冰洋，我们必须考虑为什么北冰洋中存在不同类型的水层(或水团)，并思考它们来自哪里。
北冰洋的结构
的密度海水的含量取决于盐的浓度或盐度，以及温度。随着水温的升高，水膨胀，密度减小，重量变轻。溶解的盐增加了水的质量，增加了水的密度。在构成世界上大部分海洋的温暖水域中，温度对密度的影响比盐的影响更重要。所以，你通常会发现温水覆盖在冷水上，不管水的盐度如何。
在寒冷的水域，比如北冰洋，盐对密度的影响超过了温度。在北冰洋，你会发现表面有冰冷的淡水。这些淡水来自融化的海冰和流入海洋的北极河流。图2)．在非常寒冷的新鲜表层之下，来自太平洋或大西洋的水更咸，密度更大，但温度更高。当这些温暖、咸的水团与上面冰冷、新鲜的表层混合在一起时，它们就形成了一个中间层，称为北极盐跃层（图2)．盐跃层起到了热量传递的屏障作用，阻止了温暖的深水融化海冰。在更温暖、更咸的水层之下，北冰洋充满了略咸、更冷的水团，被称为北极深水。
- 图2 - 2008年10月在西伯利亚北部测量的北冰洋上部700米的水温和盐度。
- 不同的水层用白色和灰色交替的阴影显示。你可以看到表层非常冷和新鲜，而温度和盐度在盐跃层下面都增加了。大西洋的水很容易被发现是最温暖的水层(右边的大凸起)，而北极深水的底层再次变冷，稍微咸一些。
北冰洋的水来自哪里?
北极河流是流入北冰洋的淡水的主要来源。从北极河流流出的淡水如此之多，以至于北冰洋是全球所有海洋盆地中最新鲜的。新鲜的河水通过风、潮汐和洋流在海洋中传播，大量淡水最终堆积在加拿大盆地中部的表面。一些河水与浅海中较咸的海水混合，密度增加，最终流入北极盐跃层，而不是在海洋表面。
北极中部盆地的另一种淡水来源是盐度极低的海冰，这些海冰是从形成它的浅海漂流过来的。当海冰形成时，海水会形成冰晶，大部分的盐会被排斥盐水．稠密的盐水在海水中下沉，最终沿着大陆斜坡滑下，填满北冰洋深处。
北极最温暖的水来自大西洋。大西洋海水通过格陵兰岛和斯瓦尔巴群岛之间的弗拉姆海峡，以及斯瓦尔巴群岛和挪威大陆之间的巴伦支海河口(图1)．由于地球自转的原因，大西洋海水在离开弗拉姆海峡后向右移动，并沿大陆斜坡逆时针绕北极一圈。当温暖、咸的大西洋海水最初通过弗拉姆海峡进入北冰洋时，它靠近海面，但在向东流动的过程中，它迅速下沉到更轻、新鲜、寒冷的北极表层海水之下。稍新鲜的温暖太平洋海水通过白令海峡进入北极时加入了这个逆时针环流。太平洋的海水刚好在大西洋的水面上。
北冰洋影响全球气候
当太平洋和大西洋的海水环绕北极时，它们与北极的其他水团混合，变得更冷、更新鲜，并向海冰和上面的大气流失更多的热量。北冰洋的水最终通过加拿大群岛流出北极，或者在西部的弗拉姆海峡形成一股深、冷、新鲜的水流。通过这种方式，海洋将在热带和亚热带吸收的太阳能作为热量带到北极，在那里它作为北半球天气的热源。此外，密集的北极深层流出水被大西洋和太平洋表面流入的水所取代，确保了热带和极地纬度之间的交换像一个巨大的传送带一样继续进行。
气候变化影响北冰洋、北极冰和北极生态系统
过去几十年的卫星测量显示，北极海冰急剧减少(图3) [3.］．每年冬天都会形成新的海冰，但近年来，融化季节来得更早，持续时间更长。据9月测量的数据显示，冰层融化的增加缩小了海冰的覆盖范围，而9月是一年中冰最少的时候。随着海冰范围的缩小，冰层也失去了厚度，随着年龄的增长，“老冰融化或被风吹出北极，穿过弗拉姆海峡。
- 图3 -北冰洋地图，显示1980年9月(白色)和2019年9月(蓝色)夏季海冰覆盖的平均面积。
- 在过去的40年里，夏季海冰的范围大幅下降(图片由科罗拉多大学博尔德分校国家冰雪数据中心提供)。
最近的研究表明，造成海冰损失的原因有很多。因为冰是白色的，它能反射更多的太阳能量到太空中，相比之下，颜色较深的无冰水会吸收太阳能。因此，随着更多的水因海冰融化而暴露出来，更多的热量被储存在海洋中。这些额外储存的热量会进一步融化冰，形成一个危险的变暖循环。4］．
更多的开阔水域也意味着更大的区域，风可以混合不同的海洋层。这种混合可能会使大西洋/太平洋的地下热量更多地到达海洋表面。与此同时，流入大西洋的海水温度一直在上升，海洋正在向北输送更多的热量。总之，有更多的热量到达北冰洋或被北冰洋吸收，创造了更多的机会让热量与海冰接触。
海冰的消失导致海水面积的扩大，海洋和大气可以直接交换热量和淡水。由于海水温度通常比空气温度高，海洋是大气中越来越重要的热源。据观察，温暖海水附近的空气温度会随着海洋温度的上升而上升。海冰的消失也意味着更多的光能在更长的时间内穿透海洋，为人类提供更多的能量光合作用由海冰藻类和微小的植物状生物称为浮游植物．卫星测量显示，这些生物在所有北冰洋食物链的基础上都有所增加[5］．随着北极海洋条件的变化，我们也看到了生活在那里的浮游植物物种的变化，在太平洋和大西洋海水与北极水混合造成的营养丰富的条件下茁壮成长的较小物种的增加[6］．
为什么这一切如此重要?
通过阅读这篇文章，你现在知道了极低的温度和大量的淡水使北冰洋成为一个不寻常的倒置海洋。这些低温意味着热带海洋吸收的太阳能被带到北方，在北极损失了，为北半球气候提供了热量。随着北极经历全球变暖，海冰正在融化，生活在北冰洋的生物数量和类型可能会发生变化，影响到食物网的每个部分。海冰的减少开始影响到依赖冰的猎人，如北极熊、海豹和海象。由于北冰洋正在变暖，来自温暖水域的鱼类也在越来越多地迁移到北极。科学家们应该继续研究北极的变化如何影响海洋生物和全球气候，因为这些变化将影响北极圈以外的许多人。
术语表
淡水：↑没有盐的水。河流、雨水、雪和融化的海冰是北极淡水的主要来源。
密度：↑体积:物质的质量与体积之比一立方米密度大的水比一立方米密度小的水重。所以水团的密度将决定哪些水团在表面，哪些在底部。
盐度：↑海水中盐的浓度。这通常以克/千克为单位。盐度为35意味着在一公斤海水中，有35克盐。
盐跃层：↑亚表层水:部分是由其上方寒冷的北极表层淡水和下方温暖的大西洋或太平洋海水混合形成的。盐度从盐跃层的顶部到底部急剧增加。
盐水：↑非常咸的水的溶液。有些罐装鱼是用盐水储存的。
“老冰：↑这些海冰在夏天还没有融化，而且已经持续了好几年，每年冬天都变厚。
光合作用：↑一种由阳光驱动的水和二氧化碳之间的化学反应，产生糖和氧气。这种反应由植物和类植物生物进行，以制造维持生命的燃料。
浮游植物：↑比植物更微小的微生物能进行光合作用。浮游植物有很多种，包括一些细菌和一些单细胞植物状生物，其中许多可以形成贝壳状的外骨骼。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
脚注
1.↑https://follow.mosaic-expedition.org/．
参考文献
[1]↑南森生于1898年。最北:“弗拉姆”号1893-96年探险航行记录和15个月的雪橇之旅(乔治·纽尼斯著，《与阿奇博尔德·康斯特布尔的安排》)。剑桥:剑桥大学出版社。
[２]↑Jakobsson, M.， Mayer, L.， Coakley, B.， Dowdeswell, JA.。，福布斯，S.，霍德斯达尔，H.等，2012。国际北冰洋水深图(IBCAO) 3.0版。地球物理学。卷．39: L12609。gl052219 doi: 10.1029/2012
[3]↑施特略夫，J.，霍兰德，M.，迈耶，W.，斯坎博斯，T.，和Serreze, M. 2007。北极海冰减少速度快于预测。地球物理学。卷。34.gl029703 doi: 10.1029/2007
[4]↑佩罗维奇，D. K.，里希特-门格，J. A.，琼斯，K. F.和Light, B. 2008。阳光、水和冰:2007年夏天北极海冰的极端融化。地球物理学。卷。35.gl034007 doi: 10.1029/2008
［5］↑Arrigo, K. R.和van Dijken, G. L. 2015。北冰洋初级产量持续增加。掠夺。Oceanogr。136:60 - 70。doi: 10.1016 / j.pocean.2015.05.002
[6]↑李，W. K.，麦克劳克林，F. A.，洛夫乔伊，C.和卡马克，E. C. 2009。最小的藻类在北冰洋变新鲜时茁壮成长。科学326:539。doi: 10.1126 / science.1179798