| 中美地震學(xué)家合作成果為氣候變化研究提供新手段 |
加州理工學(xué)院供圖
海底地震震動的或許不只小丑魚“尼莫”和它的朋友們，還有氣候科學(xué)。
氣候變化造成了異常溫暖的冬季和融化的冰川。大氣中二氧化碳等溫室氣體濃度上升，導(dǎo)致了氣候系統(tǒng)中熱量增加，而海洋吸收了其中90%以上的熱量，在氣候變化中起著關(guān)鍵作用，因此監(jiān)測海水溫度變化一直是氣候科學(xué)家的重要任務(wù)?，F(xiàn)在中美地震學(xué)家合作研究發(fā)現(xiàn)，海底的地震聲信號可以為他們提供另一種監(jiān)測海水溫度的工具。
美國加州理工學(xué)院地震學(xué)實(shí)驗(yàn)室的吳文波、詹中文以及中科院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測量與地球動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員倪四道等人，提出了利用地震T波測量深海溫度變化的新方法，在與物理海洋學(xué)家合作的基礎(chǔ)上，獲得了2005至2016年間的赤道東印度洋深層海水溫度多時(shí)間尺度的變化特征。該研究成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。
未參與該研究的中科院南海海洋研究所研究員徐敏表示，該方法為物理海洋學(xué)及氣候變化研究提供了新手段。
國家海洋局第一海洋研究所研究員魏澤勛在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)也表示，該研究為獲取大范圍長時(shí)序的深海溫度資料提供了一種新方法和手段。
Argo項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Susan Wijffels認(rèn)為“該工作相當(dāng)卓越，非常有前景”。
聽，海底有低語
一直以來，深層海水溫度實(shí)測資料嚴(yán)重不足，人們對于海洋深處的溫度變化特征了解十分有限，這制約了科學(xué)家對長期氣候變化的深入認(rèn)識。
“深層海水溫度實(shí)測資料一般通過船載和Argo全球海洋觀測網(wǎng)攜帶的CTD（溫鹽深觀測儀）獲取。但CTD測量耗費(fèi)時(shí)間長、成本高，而且人們通常認(rèn)為2000米以下深海溫度變化不大，所以沒有特別項(xiàng)目需求，一般不會測量這么深。”徐敏告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“要真正實(shí)現(xiàn)全球深海Argo觀測需要將最大深度至少增加到6000米，而高壓環(huán)境下的浮標(biāo)屬于‘卡脖子’技術(shù)，其自主研制迫在眉睫?！?/p>
而得益于學(xué)科交叉，吳文波等從海洋聲道找到一條“蹊徑”。海洋聲道是指海洋上層在壓力、鹽度和溫度的綜合作用下形成的聲波低速層。該低速層表現(xiàn)出波導(dǎo)性質(zhì)，可將聲波限于其內(nèi)部傳播而減少能量損失，進(jìn)而可使其進(jìn)行超遠(yuǎn)距離傳播。
早在1944年，美國伍茲霍爾海洋研究所地球物理學(xué)家和海洋學(xué)家Maurice Ewing在大西洋中設(shè)計(jì)了海上試驗(yàn)，該試驗(yàn)成功在上千公里外接收到了置于深海當(dāng)量為2千克的炸藥所激發(fā)的聲波信號，從而首次證實(shí)了海洋聲道的存在。
同一年代稍早，研究人員分析了北美西部若干地震臺記錄到的大量西印度群島地震激發(fā)的地振動信號，發(fā)現(xiàn)震后十幾至二十分鐘出現(xiàn)了振幅異常強(qiáng)烈的信號，這些信號的到時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于全程都在固體地球內(nèi)部傳播的直達(dá)P波（Primary，首到波）和S波（Secondary，次到波）。最終，科學(xué)家將這些信號命名為T波（Tertiary，第三個到達(dá)的波）。
那么，這些海底“低語”除了講述海洋學(xué)、地震學(xué)“故事”外，還能講述什么？
上世紀(jì)70年代，圣地亞哥大學(xué)教授Walker Munk和麻省理工學(xué)院教授Carl Wunsch基于海洋聲道的波導(dǎo)特性提出了利用海洋聲波對大洋環(huán)境變量進(jìn)行層析成像的概念，并對其進(jìn)行了理論論證。他們在海洋中設(shè)置人造聲源，并在遠(yuǎn)程接收聲波，通過測量聲波到時(shí)，反推海洋溫度及鹽度等環(huán)境變量的三維空間分布。
然而由于環(huán)保問題、經(jīng)費(fèi)限制以及學(xué)科間交流障礙等原因，相關(guān)研究一度停滯。
看，氣候在變暖
論文第一作者及通訊作者吳文波在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻讀研究生期間，就開展了T波的一系列研究?！白?008年起，我嘗試了利用地震波背景噪音互相關(guān)的方法，但不是很理想。這次，我們提出了利用重復(fù)地震取代人工源，并取得了成功?！?/p>
研究人員使用了全球地震臺網(wǎng)的地震波形數(shù)據(jù)，以及Argo項(xiàng)目和ECCO海洋模型產(chǎn)生的海洋學(xué)數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)對蘇門答臘地區(qū)的大量地震波形進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了豐富的重復(fù)地震事件。在此基礎(chǔ)上，他們準(zhǔn)確測量了一系列重復(fù)地震的T波到時(shí)微弱變化，重構(gòu)了2005至2016年期間T波到時(shí)變化的時(shí)間序列。
研究人員基于先進(jìn)的地震波傳播算法，計(jì)算得到了T波對海水溫度變化的敏感核函數(shù)，并獲得了赤道東印度洋深層海水溫度隨時(shí)間變化特征。“T波傳播速度的主要決定因素是海水溫度、鹽度和壓強(qiáng)（深度）等，其中溫度變化對其影響最大，進(jìn)而影響T波在海水中傳播時(shí)間。大體來說，海水溫度升高1攝氏度可導(dǎo)致聲速增加約4米/秒?！蹦咚牡勒f。
研究人員測量的T波到時(shí)變化總體在正負(fù)0.4秒以內(nèi)，對應(yīng)的平均海溫變化范圍為正負(fù)0.08攝氏度。地震T波敏感的深度范圍大約在水深1000~4000米，可以彌補(bǔ)Argo數(shù)據(jù)缺乏深層海洋（2000米以下）采樣的不足。
該項(xiàng)研究揭示了赤道東印度洋的深層海水溫度存在準(zhǔn)雙周、半年和年周期等變化，而且新方法測量得到的溫度存在十年的線性增長趨勢，明顯高于以前的研究結(jié)果。
“對于我們的T波采樣區(qū)域來說，Argo和ECCO給出的估計(jì)分別是0.026攝氏度/十年和0.039攝氏度/十年，而T波結(jié)果為0.044攝氏度/十年。這一變暖趨勢高出Argo測量值的50%以上?！眳俏牟ㄕf。
顯，交叉的優(yōu)勢
“該研究是地震學(xué)與物理海洋交叉結(jié)合的典范，該方法繼承了主動源海洋聲學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)，但利用天然地震激發(fā)的T波替代了人工源聲波?！毙烀舾嬖V《中國科學(xué)報(bào)》，“通常，通過主動源地震探測，例如多道反射地震研究水體精細(xì)結(jié)構(gòu)，可以拓展物理海洋學(xué)的淺層小尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)過程研究；而通過被動源地震觀測，能拓展物理海洋學(xué)的大尺度，或是跨海盆尺度結(jié)構(gòu)以及深層水體研究?！?/p>
魏澤勛也表示，利用自然地震產(chǎn)生的地震T波反演深層海水溫度是地震學(xué)和海洋學(xué)學(xué)科交叉的有益嘗試，是對傳統(tǒng)海洋學(xué)觀測方法的補(bǔ)充。
同期雜志發(fā)表的美國麻省理工學(xué)院教授Carl Wunsch撰寫的評述文章認(rèn)為“該工作展示了經(jīng)典地震學(xué)與物理海洋學(xué)學(xué)科交叉的優(yōu)勢，有望為建立全新的地球海洋觀測系統(tǒng)打開新的思路”。
吳文波表示，該研究展示了地震波測量海溫方法在赤道印度洋地區(qū)應(yīng)用的可行性及其優(yōu)勢，但該方法在包括極地在內(nèi)的全球更多地區(qū)的應(yīng)用還有待研究。另外，還需要更先進(jìn)的測量與模擬算法和水聽器觀測網(wǎng)。
此外，徐敏表示，該工作主要基于岸邊的地震臺，如果能將T波觀測與光纖水聽器以及固定水聲監(jiān)視陣列結(jié)合，可以將地震學(xué)海水溫度變化測量精度進(jìn)一步提高。
“今后如能針對不同海域、不同深度進(jìn)行反演試驗(yàn)，進(jìn)一步對該方法反演的深海溫度精度進(jìn)行驗(yàn)證、對方法進(jìn)行優(yōu)化和完善，并和其他技術(shù)手段融合互補(bǔ)，將為海洋和氣候變化研究提供更豐富的基礎(chǔ)資料?！蔽簼蓜渍f。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb9519
https://doi.org/10.1126/science.abe0960
