科学家们重建了洋流的古老历史

研究共同作者包括地质科学和环境研究助理教授Molly Patterson，以及密苏里大学的Kenneth MacLeod、德克萨斯大学奥斯汀分校的Solveig Schilling、马萨诸塞大学阿默斯特分校的R. Mark Leckie、英格兰布里斯托大学的Andrew Fraass和特拉华大学的Nicholas Venti。

北太平洋的主要西部边界流，即黑潮延伸体区域，类似于沿北美东海岸流动的湾流。Lam解释说，在风的驱动下，边界流是海洋的“主力军”，将热量、盐分和气体从赤道海域转移到中纬度地区。

这种温暖源于沿赤道聚集在西太平洋的表层水，称为西太平洋暖池。黑潮（也称日本暖流）带着这些水向北走，经过日本海岸，然后在北纬36度向东走，在那里它加入了开放的太平洋。在这一点上，它成为黑潮延伸体区域。

海流和延伸线将大量的热量和水分从温暖的水中蒸发到北半球的低层大气中。正因为如此，它们帮助塑造了日本和北美西海岸的降水模式，以及台风的路径。除了影响天气之外，黑潮还可能影响气候，尽管它对千年和百万年的时间尺度的影响仍不清楚。

黑潮在生态系统和渔业方面也发挥着重要作用。在西北太平洋，它与亲潮（千岛寒流）相遇，亲潮将极地的冷水带向南方。在这两股洋流交汇的地方，由于冷暖水域的混合，形成了强烈的温度梯度。它还创造了一个上升流的区域，随着洋流向东流动，深海中营养丰富的水域被带到了海面。

不仅仅是水的混合：生活在各自洋流中的暖水和冷水生物也在生态系统之间的过渡区域流动，这被称为生态区。其居民包括几种鱼类和浮游生物，它们最终为日本多产的渔业提供动力，并构成该国经济的一个主要部分。

由于它们对生物多样性、天气和气候的影响，了解像黑潮这样的边界洋流将如何应对气候变化和大气中二氧化碳水平的增加是至关重要的。Lam说，今天，这些洋流的升温速度比海洋的其他区域快两到三倍。

海洋模型研究和观测数据也显示，黑潮延伸体区域正在向北移动，并增加其运输能力，但研究人员还不知道这些变化将如何影响生活在那里的生物体，或当地和区域的天气和气候模式。

最近发表的研究是第一个重建250万到500万年前的黑潮的研究，这个时期跨越了全球变暖和变冷的时期，以及现在中美洲的一个主要海道的关闭。观察海流的遥远过去可能会回答一些关于其未来的问题。

过去和未来的海洋

在横跨250万至530万年前的更新世，大气中的二氧化碳浓度接近我们今天面临的水平：约为350至450ppm。今天的大气中的二氧化碳浓度约为415ppm。

Lam说：“个时期的有趣之处在于，大陆的排列与今天相似，这使得上新世成为一个很好的时间段，可以用来模拟地球系统将如何应对二氧化碳浓度增加和变暖。”

她指出，在陆地方面存在着一些差异。直到大约250万年前，北美和南美之间还存在一条水道，使来自太平洋和大西洋的地表水混合在一起。当中美洲航道关闭时，它可能使黑潮延伸到目前的配置中。

上新世包括一个从300万年前到330万年前的时期，被称为"mid-Piacenzian Warm Period"（mPWP），该时期的二氧化碳水平增加，全球变暖。一旦这个时期结束，冷却就恢复了，伴随着北半球高纬度地区的冰川和海冰的增长。

在最近发表的研究中，研究人员利用曾经生活在黑潮地区表层水域的海洋浮游生物的壳化石的化学特征，重建了整个黑潮地区。

“我们的数据表明，在上新世间歇性变暖的第一阶段，海流变暖并可能将其纬度位置向北转移。”她说：“然后它又冷却下来，也许在一个短暂的全球冷却期将其位置移回南方。”

重建洋流

科学家们使用不同的技术来重建洋流的历史，这取决于有关的时间尺度。对于较短的时间尺度，他们依靠观测数据来观察洋流的路径在季节上、每年或每十年的变化。但是当涉及到气候变化时，该数据集可能会有所欠缺。

"这就是为什么利用数百万年前的沉积记录，通过深层时间重建西部边界海流的行为是有用和必要的，"Lam解释说。"通过沉积记录的镜头，海流的短期变化被平均化了，所以我们基本上只能恢复表明洋流的长期、较大变化的信号。"

在这项研究中，研究人员使用了从生活在表层海洋的浮游生物化石中获得的化学信号，以及从Shatsky海隆（西北太平洋海底的一个位置）获得的三个深海沉积物核心。在过去的1.7亿年里，浮游有孔虫一直生活在开放的海洋中；它们耐用的外壳，被称为"测试"，是由碳酸钙制成的，当它们死亡时，会积聚在洋底。

在之前的一项研究中，计算了后来的化学研究中使用的每个地点的浮游生物化石的多样性。她发现，从1200万年前到今天，沙茨基海隆最北端的地点的多样性是最高的。这一发现表明，由海流创造的生态区已经存在了很长时间–很可能黑潮也是如此。

研究人员不知道在mPWP期间海流是如何变化的，也不知道化学信号在多大程度上受到盐度和温度变化的影响。为了更好地了解情况，Lam和来自纽约州立大学其他学校的同事目前正在进行一项研究，将使用不同的化学方法来回答这些问题。

“海洋受到气候变化的巨大影响，我们必须思考如何保护海洋和海洋生物。”Lam说：“这对黑潮延伸体区域来说尤其如此，因为这个区域是我们世界海洋中生物多样性最高的地方。”