海洋和大氣如何在地球和其他行星體周圍移動熱量

2020-12-05 專注科學時事

2020年3月20日，麻省理工學院

該可視化顯示了墨西哥灣流的海面電流和溫度。圖片來源：MIT / JPL項目，名為「估算海洋的環流和氣候，第二階段（ECCO2）」

想像一下，一大杯冷稠的奶油和熱咖啡倒在上面。現在將其放在旋轉臺上。隨著時間的流逝，流體將緩慢地混合在一起，並且咖啡中的熱量最終將到達杯子的底部。但是，正如我們大多數不耐煩的咖啡飲用者所知道的那樣，將各層攪拌在一起是一種更有效的方式來散發熱量並享受不會燙傷或冰冷的飲料。關鍵是在湍流的液體中形成的漩渦或渦流。

麻省理工學院地球，大氣與行星學系的塞西爾和艾達·格林海洋學教授拉斐爾·費拉裡說：「如果您只是等著看分子擴散是否能夠做到，那將永遠長存，而且您將永遠無法獲得咖啡和牛奶。」科學（EAPS）。

這種類比有助於解釋關於地球以及其他帶有大氣和/或海洋的旋轉行星的複雜氣候系統的新理論，該論文由EAPS客座研究員，法援社的法拉利和巴西勒·加勒特（Perrari Gallet）在最近的PNAS論文中概述。 EtatCondensé，法國CEA Saclay。

看起來直覺是地球的太陽赤道很熱，而相對缺乏太陽的兩極則很冷，並且溫度梯度介於兩者之間。但是，與實際情況相比，該溫度梯度的實際跨度相對較小，這是因為地球系統將熱量在全球範圍內物理地傳遞到較涼爽的區域，從而減輕了極端情況。

否則，「您將在赤道遇到難以忍受的高溫，並且將[溫帶緯度]凍結，」法拉利說。「因此，據我們所知，行星宜居這一事實與熱從赤道到兩極的傳遞有關。」

然而，儘管全球熱通量對於維持地球的現代氣候非常重要，但驅動該過程的機制仍未完全理解。這就是法拉利和加勒特最近工作的地方：他們的研究對物理進行了數學描述，從而加強了海洋和大氣渦旋在全球系統中重新分配熱量的作用。

Ferrari和Gallet的工作建立在麻省理工學院另一位教授，已故的氣象學家諾曼·菲利普斯（Norman Phillips）的工作基礎上，他於1956年提出了一套方程式，即「菲利普斯模型」，用以描述全球熱傳輸。菲利普斯（Phillips）的模型將大氣層和海洋表示為彼此不同的兩層不同密度的層。儘管這些方程式捕獲了湍流的發展並以相對準確的方式預測了地球上的溫度分布，但它們仍然非常複雜，需要用計算機解決。法拉利（Ferrari）和加勒（Gallet）提出的新理論為方程提供了解析解，並定量預測了局部熱通量，為渦流提供動力的能量以及大規模的流動特性。及其理論框架 具有可擴展性，這意味著它適用於海洋中較小且密集的渦流以及較大大氣中的旋風分離器。

啟動過程

咖啡杯中渦流背後的物理原理與自然界不同。諸如大氣和海洋之類的流體介質的特徵在於溫度和密度的變化。在旋轉的行星上，這些變化會加速強流，而在海洋和大氣層底部的摩擦會降低它們的速度。這場拔河導致大電流流動不穩定，並產生不規則的湍流，我們在大氣中不斷變化的天氣中會遇到這種湍流。

渦流-空氣或水的封閉循環流動-是由於這種不穩定而產生的。在大氣中，它們被稱為旋風和反旋風（天氣模式）；在海洋中，它們被稱為渦流。在這兩種情況下，它們都是短暫的，有序的編隊，有些不規律地出現並且隨時間消散。當它們從下面的湍流中旋轉出來時，它們也受到摩擦的阻礙，導致其最終耗散，從而完成了熱量從赤道（熱咖啡的頂部）到極點（奶油的底部）的傳遞。 。

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儘管地球系統要比兩層系統複雜得多，但用Phillips簡化模型分析熱傳輸有助於科學家解決基本的物理問題。法拉利和加勒特發現，儘管有方向性的混亂，但由於渦流引起的熱量傳遞最終比更快流動的系統更快地將熱量傳遞到極點。根據法拉利的說法，「渦流做的是傳熱，而不是混亂的運動（湍流）。」

數學上不可能解釋形成和消失的每個渦流特徵，因此研究人員開發了簡化的計算，以基於緯度（溫度梯度）和摩擦參數確定渦旋行為的整體影響。此外，他們將每個渦旋視為氣體流體中的單個粒子。當他們將計算結果整合到現有模型中時，所得的模擬結果相當準確地預測了地球的實際溫度狀況，並揭示了氣候系統中渦流的形成和功能對摩擦阻力的影響比預期的要敏感得多。

Ferrari強調，所有建模工作都需要簡化，並且不能完美代表自然系統-在這種情況下，大氣和海洋被表示為簡單的兩層系統，而地球的球形度並未考慮在內。即使有這些缺點，加勒特和法拉利的理論也引起了其他海洋學家的關注。

斯克裡普斯海洋學研究所物理海洋學教授比爾·揚說：「自1956年以來，氣象學家和海洋學家就試圖理解這種菲利普斯模型，但一直以失敗告終。 Phillips模型中的熱通量隨溫度梯度而變化。」

法拉利表示，回答有關傳熱功能將如何使科學家更全面地了解地球氣候系統的基本問題。例如，在地球的深處，有時候我們的星球要溫暖得多，鱷魚在北極遊動，棕櫚樹伸向加拿大，有時甚至更冷，中緯度被冰覆蓋。他說：「顯然，熱傳遞會在不同的氣候中發生變化，因此您希望能夠對其進行預測。」 「長期以來，這一直是人們心目中的理論問題。」

在過去100年中，由於全球平均氣溫升高超過1攝氏度，並且其發展速度已遠遠超過了下個世紀，因此，對於社區，政府，政府，和行業適應當前不斷變化的環境。

加萊特說：「我認為將湍流的基本原理應用於這樣一個及時的問題是非常有益的，從長遠來看，這種基於物理學的方法將是減少氣候模擬不確定性的關鍵。」

跟隨諾曼·菲利普斯（Norman Phillips），朱爾·查尼（Jule Charney）和彼得·斯通（Peter Stone）等氣象學巨人的腳步，他們在麻省理工學院創立了開創性的氣候理論，這項工作也堅持了阿爾伯特·愛因斯坦的告誡：「擺脫混亂，找尋簡單」。

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