深海測溫計——地震波?

2020-11-24 澎湃新聞

隨著疫情防控的常態化，大家可能漸漸習慣了出入公共場所時，工作人員拿著紅外測溫儀，對著你的小手一「嗶」。體溫測量能夠儘早發現發燒症狀，避免病毒擴散。

同樣的，當我的研究對象轉向地球，由於溫室氣體阻礙地球散熱，90%的熱量被海水吸收，測量海洋各部分溫度的升高情況有助於我們更好地給「發燒」的地球做出診斷。

2020年9月《science》期刊上發表的《seismic ocean thermotry》一文，吳文波等地球物理學家採用了一種開創性的海水測溫方法——地震學海溫測量。「我們利用重複地震產生的聲波在不同溫度海水中的走時差異，來推出海盆尺度的深海溫度變化」他們如是說，「在2005年到2016年間，我們得到了海溫在一年的、六個月的和十天左右的尺度波動情況；並且推斷東印度洋海域在十年間有變暖的整體趨勢，大大超出先前其他方法的預測結果」

一直以來，海溫的取樣監測都是一個難題在過去20年裡，Argo自動測量剖面浮標（見注處1）相較於傳統的船舶觀測，時間和空間的覆蓋率大大提升。但是2000m以下的深度及海冰覆蓋的區域仍然難以測量。除此之外，至少2006年以前argo測量系統的採樣還較為稀疏，而更為稀疏的船舶採樣還受到儀器定標的限制。

圖1 船舶氣象站

Argo計劃Argo計劃名字起源於希臘神話中勇士伊阿宋（Jason）和阿爾戈英雄（Argonauts）尋找金色羊毛時所乘的船。Argo觀測系統由大量布放在全球海洋中小型、自由漂移的自動探測設備浮標組成。

圖2 Argo浮標的分布示意圖

圖3 浮標結構示意圖

獨闢蹊徑地，這個研究並未將「測溫計」放入海水中。它利用地表臺站接收到震源的T波的走時變化，來探測溫度的變化。「多虧了海水中部的聲波波導,波可以在其中長距離傳播，衰減很少」，這使得較遠的臺站的有明顯的地震波波形記錄，使研究成為可能。

圖4 光纖是一種常見的波導結構，裡層波速較小，光在界面處發生全發射，能量向外散失少

地震的能量大部分以地震波傳播出去。地震波在海底的固液界面處轉換成海洋聲波，海洋聲波在海水低速層中傳播，近岸時再變成地震波最終被臺站接收。由於海水中聲波傳播速度很慢，它在地震P波和S波之後到達，故稱T波（tertiary第三）。如圖五A所示，右下角圓圈處為地震發生位置，左上角三角形處為臺站及其記錄到的地震波信息。海洋中部兩千米位置左右，可以看到淺藍色的聲波低速層。

圖5 研究圖示

基於節能和對水生動物友好的考慮，研究採用天然地震而非人工海洋震源；研究區域選在東印度洋海域，那裡因為板塊俯衝的原因而頻發地震。如圖五所示，B黑點是在目錄的地震，紅點是用於研究的重複地震對。「重複地震對是指震源位置和破裂模式等相近的地震事件」。利用重複地震事件對，排除掉震源位置等對走時的影響，海溫變化引起的微小走時差異才能體現出來。

「我們對近十年間溫度變化的整體趨勢進行擬合，得到了0.0440.002K東印度洋的十年海溫變化；大於Argo氣象數據每十年0.026 ± 0.001 K和ECCO的數據每十年0.039 ± 0.001 K。可以看出T波走時增加了海洋變暖研究的的約束條件。」

這一研究的成功將促進地震學方法在全球海溫變化探測中的進一步應用。

主要譯自《science》期刊原文：

Wenbo Wu，Zhongwen Zhan，Shirui Peng, Sidao Ni, Jörn Callies..Seismic ocean thermometry. Science 18 Sep 2020:Vol. 369, Issue 6510, pp. 1510-1515 DOI: 10.1126/science.abb9519

https://science.sciencemag.org/content/369/6510/1510.full

圖片來源：

[1] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a0/2016-04-countries.png/800px-2016-04-countries.png

[2] https://baike.baidu.com/pic/%E8%88%B9%E8%88%B6%E6%B0%94%E8%B1%A1%E7%AB%99/22149629/0/0eb30f2442a7d9335c5f9b79a64bd11372f001c0?fr=lemma&ct=single#aid=0&pic=0eb30f2442a7d9335c5f9b79a64bd11372f001c0

[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/Argo%E8%AE%A1%E5%88%92#/media/File:Argo_FloatInsides.jpg

[4] http://www.htxd.net.cn/?id=980225

參考文獻：

[1] https://cosmosmagazine.com/earth/earth-sciences/shaky-way-to-check-on-ocean-warming/

[2] https://zh.wikipedia.org/zh-hans/Argo%E8%AE%A1%E5%88%92

[3] https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.1292477

撰稿：彭靜萱

美編：麥李婷

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