摘要
今天发生的气候变化是由于二氧化碳(CO2)在大气中。CO的积累2主要是燃烧化石燃料来满足我们的能源需求。海洋吸收并储存了大量的二氧化碳2来自大气。要知道有多少CO2海洋所占用的资源，我们必须了解其中的过程。这些过程包括海水的混合。湍流混合是一种快速有效的混合海水的方法，它发生在风吹过海洋并产生波浪的时候。然而，很难测量接近海洋表面的湍流混合。在这篇文章中，我们描述了我们如何克服这个问题，以及我们如何使用我们的测量来了解大气和海洋之间的二氧化碳交换。
海洋在气候变化中的作用
快速气候变化是我们这个时代的主要环境问题。这种气候变化是人为的:释放温室气体来自汽车，发电厂和其他人为来源增加了浓度二氧化碳(CO2）是大气中主要的温室气体之一。的有限公司2大气中的二氧化碳浓度目前已达到60多万年来的最高水平。大气中的温室气体捕获了一些原本会逃逸到太空中的能量，并将这些能量反射回地球。这一过程增加了地球表面的整体温度。温室效应实际上是一件好事，因为它使地球的平均温度保持在+15°C而不是-18°C。问题是，目前，大气中温室气体的浓度过高，这对我们的气候产生了巨大的影响。
海洋也在气候变化中发挥着作用。CO的增加2在海洋中也被观察到。这是大气中CO浓度上升的直接影响2．海洋吸收二氧化碳2以平衡二氧化碳2浓度(大自然喜欢平衡)。想象一个茶包放在一碗热水里(图1)．茶从包里的高浓度扩散到碗里的低浓度。这个过程叫做扩散．在我们现实世界的例子中，大气中含有更多的CO2比海洋更重要。因此，CO2扩散到海洋中。海洋吸收二氧化碳2只要CO的浓度2在大气中比在海洋中要高。当我们燃烧更多的化石燃料，更多的二氧化碳2被释放到大气中，因此海洋吸收了更多的CO2．海洋覆盖了地球表面的三分之二，因此它们可以积累和储存大量的大气CO2．我们对了解海洋是如何吸收二氧化碳非常感兴趣2．这些知识可以帮助科学家预测地球未来的气候。
- 图1 -将茶包放入一碗热水中，茶从高浓度的区域(茶包)扩散到浓度较低的区域(水)。
海洋湍流及其测量方法
气体在大气和海洋之间的扩散非常缓慢。茶包里的茶需要一些时间来扩散到碗里。然而，你可能已经体验过用勺子搅拌水可以加快这个过程。激动人心的创建动荡在水里。湍流是水的不规则运动，它比单独的扩散更快更有效地传播茶叶。同样的情况也发生在大气和海洋之间。的有限公司2通过扩散的吸收非常缓慢，但当海水是湍流时，这个过程要快得多。这意味着湍流的大小决定了大气和海洋之间气体交换的速度。当有许多海浪和白浪时，气体交换比海洋平静时要快。图2)．
- 图2 -湍流和平静的海况在大气和海洋之间产生不同的气体交换速率。
我们怎么知道有多少二氧化碳2进入海洋?通过仔细分析!我们需要了解海洋和大气之间气体交换的过程，这样我们才能帮助解决地球的气候危机。测量海洋湍流是很困难的，尤其是在接近海洋表面的地方。有几种仪器用于测量湍流。通常情况下，科学家乘船出海，将仪器放入海水中。科学家们不想丢失他们的仪器或仪器收集的数据，所以他们用绳子和电缆把仪器绑在船上。然而，这造成了一个大问题:当仪器测量接近海洋表面的湍流时，他们实际上是在测量船只螺旋桨产生的湍流。这不是我们感兴趣的自然湍流!由于这个问题，现有的关于海洋湍流如何驱动气体交换的理论无法得到证实。 Such theories were previously tested only in laboratories, lakes, and coastal regions. In these water bodies, it is easier to perform turbulence measurements than it is in the open oceans.
如何解决湍流测量问题?
为了克服船舶螺旋桨引起的问题，有几种方法可以测量海洋表面附近的湍流。这些方法包括在海面上自由漂移的浮标[1]或涉及海洋表面特殊类型图像的方法[2］．另一种测量接近地表的湍流的方法叫做海气相互作用剖面仪(ASIP)［3.］．ASIP是由Brian Ward(本文作者之一)开发的，主要研究海气界面的情况。ASIP可以在不与船只连接的情况下下入海洋——我们只需要将其放入海洋，然后将船只移出该区域即可。图3)．一旦进入水中，ASIP就会被其下端的一组推进器从水面拉到预定深度(最大100米)。图3一)．推进器一旦到达预定深度就会关闭。然后ASIP会在自身的升力下上升到海洋表面，就像你把一个漂浮物压在水下，然后它又会上升一样。随着它的上升，ASIP测量水剪切，这是由水粒子以不同的速度移动时产生的。我们可以用水切变来估计湍流的水平。ASIP被设计成在上升时进行测量，这样推进器产生的湍流就不会干扰测量。ASIP上的推进器和传感器由内部电池供电。由于推进器消耗的能量最多，潜水次数和深度决定了ASIP可以进行多长时间的测量。电池寿命允许大约6000米的总测量，例如，100米深~60次测量。当然，我们不想在海洋中丢失这台侧写仪，所以它配备了一个全球定位系统(GPS)每当ASIP到达海洋表面时，它就会把自己的准确位置发送给卫星(比如手机上的导航应用程序)。我们从卫星上接收位置，所以我们可以随时接收ASIP。所有数据都存储在ASIP中，当ASIP恢复时，我们可以下载这些数据。
- 图3 -海气相互作用剖面仪(ASIP)。
- (一)ASIP挂在起重机上，推进器可见。(B)ASIP在海洋中，只有传感器笼在水面上。
我们在公海上的发现
在我们的研究中，我们使用了大西洋上的ASIP，来自一艘名为Knorr的研究船。我们于2012年6月下旬在美国伍兹霍尔(Woods Hole)出发，7月中旬返回。在巡航过程中，我们用ASIP测量了海洋湍流。我们还测量了大气和海洋中的CO含量2使用安装在船上的仪器。从我们的测量中，我们第一次在开阔的海洋中发现，海洋湍流加速了空气-海洋气体交换。
利用ASIP的测量结果，我们表明海面附近的湍流可以解释CO2交流得很好。这些数据也使我们能够改进现有的理论。例如，我们可以使用这些数据来改进对表面粗糙度的描述，它可以告诉我们海洋表面有多平坦或多波浪。科学家们过去认为，海洋表面总是波浪起伏的，但有时它是相当平坦的，比如当没有风或表面有一层油膜时。
我们的结果很重要，因为它们提供了CO的准确描述2大气和海洋之间的交换。这些数据可以帮助科学家尽可能准确地预测地球未来的气候，这可以帮助人们为气候变暖造成的影响做好准备。这种影响可能是夏季的干旱或极端高温。此外，这些预测还有助于说服人们减少二氧化碳的消耗2避免全球气温进一步升高。
术语表
气候变化：↑在很长一段时间内天气状况模式的变化，例如全球温度在很长一段时间内的升高。
温室气体：↑大气中的气体吸收并释放热能，增加地球表面的温度。
二氧化碳(CO2）：↑一种自然存在于地球大气中的气体。燃烧化石燃料也会排放碳。它是地球大气中最重要的温室气体。
扩散：↑微粒运动:微粒从高浓度区域向低浓度区域的运动，一直持续到达到平衡为止
动荡：↑气流:以上下气流为特征的空气或水的不规则运动
海气相互作用剖面仪(ASIP)：↑除其他仪器外，测量海洋最上面100米附近的湍流。
水剪切：↑当相互接触的水粒子以不同的速度移动时，就会产生剪切。
全球定位系统(GPS)：↑利用卫星信号来确定地球表面位置的系统。
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。
原文
↑ester, L.， Landwehr, S.， Sutherland, G.， Bell, T. G.， Christensen, K. H.， Saltzman, E. S，等。2017。带耗散的气海气传递速度参数化。j .地球物理学。海洋》122:3041-56。jc012088 doi: 10.1002/2016
参考文献
[1]↑汤普森，J. 2012。用“SWIFT”漂移器观察到的破波耗散。j .大气压。海洋抛光工艺。29:1866 - 82。doi: 10.1175 / jtech - d - 12 - 00018.1
[２]↑贝隆，F.，肯德尔·梅尔维尔，W.和列南，L. 2009。海洋表面湍流和波浪-湍流相互作用的测量。期刊。Oceanogr。39:2310-23。jpo4019.1 doi: 10.1175/2009
[3]↑ten Doeschate, A.， Sutherland, G.， ester, L.， Wain, D.， Walesby, K.和Ward, B. 2017。ASIP:上层海洋剖面。海洋学30:33-5。doi: 10.5670 / oceanog.2017.216