地震波也能測海溫—新聞—科學網

2020-11-30 科學網
地震波也能測海溫
中美地震學家合作成果為氣候變化研究提供新手段

 

 加州理工學院供圖

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。

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，導致了氣候系統中熱量增加，而海洋吸收了其中90%以上的熱量，在氣候變化中起著關鍵作用，因此監測海水溫度變化一直是氣候科學家的重要任務。現在中美地震學家合作研究發現，海底的地震聲信號可以為他們提供另一種監測海水溫度的工具。

美國加州理工學院地震學實驗室的吳文波、詹中文以及中科院精密測量科學與技術創新研究院大地測量與地球動力學國家重點實驗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，在與物理海洋學家合作的基礎上，獲得了2005至2016年間的赤道東印度洋深層海水溫度多時間尺度的變化特徵。該研究成果近日發表於《科學》。

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勳在接受《中國科學報》採訪時也表示，該研究為獲取大範圍長時序的深海溫度資料提供了一種新方法和手段。

Argo項目負責人Susan Wijffels認為「該工作相當卓越，非常有前景」。

聽，海底有低語

一直以來，深層海水溫度實測資料嚴重不足，人們對於海洋深處的溫度變化特徵了解十分有限，這制約了科學家對長期氣候變化的深入認識。

「深層海水溫度實測資料一般通過船載和Argo全球海洋觀測網攜帶的CTD（溫鹽深觀測儀）獲取。但CTD測量耗費時間長、成本高，而且人們通常認為2000米以下深海溫度變化不大，所以沒有特別項目需求，一般不會測量這麼深。」徐敏告訴《中國科學報》，「要真正實現全球深海Argo觀測需要將最大深度至少增加到6000米，而高壓環境下的浮標屬於『卡脖子』技術，其自主研製迫在眉睫。」

而得益於學科交叉，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。該低速層表現出波導性質，可將聲波限於其內部傳播而減少能量損失，進而可使其進行超遠距離傳播。

早在1944年，美國伍茲霍爾海洋研究所地球物理學家和海洋學家Maurice Ewing在大西洋中設計了海上試驗，該試驗成功在上千公裡外接收到了置於深海當量為2千克的炸藥所激發的聲波信號，從而首次證實了海洋聲道的存在。

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的地振動信號，發現震後十幾至二十分鐘出現了振幅異常強烈的信號，這些信號的到時遠遠晚於全程都在固體地球內部傳播的直達P波（Primary，首到波）和S波（Secondary，次到波）。最終，科學家將這些信號命名為T波（Tertiary，第三個到達的波）。

那麼，這些海底「低語」除了講述海洋學、地震學「故事」外，還能講述什麼？

上世紀70年代，聖地牙哥大學教授Walker Munk和麻省理工學院教授Carl Wunsch基於海洋聲道的波導特性提出了利用海洋聲波對大洋環境變量進行層析成像的概念，並對其進行了理論論證。他們在海洋中設置人造聲源，並在遠程接收聲波，通過測量聲波到時，反推海洋溫度及鹽度等環境變量的三維空間分布。

然而由於環保問題、經費限制以及學科間交流障礙等原因，相關研究一度停滯。

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技術大學攻讀研究生期間，就開展了T波的一系列研究。「自2008年起，我嘗試了利用地震波背景噪音互相關的方法，但不是很理想。這次，我們提出了利用重複地震取代人工源，並取得了成功。」

研究人員使用了全球地震臺網的地震波形數據，以及Argo項目和ECCO海洋模型產生的海洋學數據。該團隊對蘇門答臘地區的大量地震波形進行了分析，發現了豐富的重複地震事件。在此基礎上，他們準確測量了一系列重複地震的T波到時微弱變化，重構了2005至2016年期間T波到時變化的時間序列。

研究人員基於先進的地震波傳播算法，計算得到了T波對海水溫度變化的敏感核函數，並獲得了赤道東印度洋深層海水溫度隨時間變化特徵。「T波傳播速度的主要決定因素是海水溫度、鹽度和壓強（深度）等，其中溫度變化對其影響最大，進而影響T波在海水中傳播時間。大體來說，海水溫度升高1攝氏度可導致聲速增加約4米/秒。」倪四道說。

研究人員測量的T波到時變化總體在正負0.4秒以內，對應的平均海溫變化範圍為正負0.08攝氏度。地震T波敏感的深度範圍大約在水深1000~4000米，可以彌補Argo數據缺乏深層海洋（2000米以下）採樣的不足。

該項研究揭示了赤道東印度洋的深層海水溫度存在準雙周、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，明顯高於以前的研究結果。

「對於我們的T波採樣區域來說，Argo和ECCO給出的估計分別是0.026攝氏度/十年和0.039攝氏度/十年，而T波結果為0.044攝氏度/十年。這一變暖趨勢高出Argo測量值的50%以上。」吳文波說。

顯，交叉的優勢

「該研究是地震學與物理海洋交叉結合的典範，該方法繼承了主動源海洋聲學方法的優點，但利用天然地震激發的T波替代了人工源聲波。」徐敏告訴《中國科學報》，「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結構，可以拓展物理海洋學的淺層小尺度精細結構及其動力學過程研究；而通過被動源地震觀測，能拓展物理海洋學的大尺度，或是跨海盆尺度結構以及深層水體研究。」

魏澤勳也表示，利用自然地震產生的地震T波反演深層海水溫度是地震學和海洋學學科交叉的有益嘗試，是對傳統海洋學觀測方法的補充。

同期雜誌發表的美國麻省理工學院教授Carl Wunsch撰寫的評述文章認為「該工作展示了經典地震學與物理海洋學學科交叉的優勢，有望為建立全新的地球海洋觀測系統打開新的思路」。

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應用的可行性及其優勢，但該方法在包括極地在內的全球更多地區的應用還有待研究。另外，還需要更先進的測量與模擬算法和水聽器觀測網。

此外，徐敏表示，該工作主要基於岸邊的地震臺，如果能將T波觀測與光纖水聽器以及固定水聲監視陣列結合，可以將地震學海水溫度變化測量精度進一步提高。

「今後如能針對不同海域、不同深度進行反演試驗，進一步對該方法反演的深海溫度精度進行驗證、對方法進行優化和完善，並和其他技術手段融合互補，將為海洋和氣候變化研究提供更豐富的基礎資料。」魏澤勳說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb9519

https://doi.org/10.1126/science.abe0960

 

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