文|苏墨栀

编辑|苏墨栀

前言

决定可居住性的一个关键因素是行星气候，它在很大程度上受到液态水海洋的影响，特别是这些海洋在行星周围输送的热量。这里研究了海洋平均盐度的影响，这是决定水的密度的一个关键属性，对海洋状态的影响。研究表明，对地球具有足够不同的平均盐度的海洋由方向相反的环流组成：在热带地区下沉，使深海充满暖水，并最终使极地地区变暖。因此，海洋特性的变化可以扩大系外行星的可居住性范围。

最广为接受的宜居行星

随着系外行星的不断发现，人们自然会对它们的可居住性提出质疑,最广为接受的宜居行星的定义是一个能在其表面维持液态水的行星，这通常意味着一个行星接受恒星辐射水平的轨道半径范围，使表面液态水得以维持。可居住性和气候也取决于热量在行星周围的有效传输，这是通过大气和海洋的循环实现的。

有许多研究描述了系外行星大气环流和气候的模拟，但大多数研究要么没有海洋，要么是一个严重简化的板状海洋。只有最近的研究考虑了动态海洋，即使在这些研究中，也一直假定海洋具有与地球上海洋相似的特性。这样的假设可能被证明是过于简单化了,最近，人们开始研究海洋属性的变化，例如，海洋深度，以及这里的盐度，它对密度有重大影响。

广泛的海洋质量

地球上有证据表明，自太古时代以来，海洋的平均盐度已经比原来下降两倍,此外，行星形成过程中的水输送模型得出结论，可能存在广泛的海洋质量。可居住区的行星可能有海洋，其体积是地球上海洋的一小部分到数百倍，这将对行星的地质演变和任何海洋的盐度产生重要影响。海洋盐度也会受到行星属性的影响，例如，一个非常深的海洋底部的巨大压力可能会在海洋底部保持一层冰。这种情况会限制任何增加盐度的地质过程，从而保持海洋的低盐度。

这里用一个著名的海洋环流概念性双箱模型以及一个更复杂的三维海洋总环流模型（OGCM）来研究海洋平均盐度的影响，以便与概念性模型进行比较。本研究将考虑三个具体的盐度范围，它们跨越了在地球上发现的范围：低、中、高，它们的典型盐度值分别为0（淡水）、35（地球海洋）和260 g⋅kg-1（死海）。

状态方程

状态方程是一种连接温度、盐度、压力和密度的经验关系，这意味着需要对每个盐度范围进行单独的实验研究以获得它。每个方程只在温度、盐度和压力的范围内有效，而在设计方程的研究中，对水质量进行了检查。由此产生的不连续性妨碍了对大范围盐度值的连续调查。在每种情况下，对完整的状态方程进行适当的近似，以获得箱体模型的精确解（材料和方法）。

近似的状态方程也在OGCM中使用，以便于概念模型进行最密切的比较。对于低盐度情况，状态方程是温度的非单调函数，由温度和密度之间的二次关系近似。这种行为在盐度达到27.4g⋅kg-1时是明显的，尽管随着盐度向这一极限的增加，非单调行为发生的温度范围缩小了。对于中盐度和高盐度的情况，密度随着温度的降低和盐度的增加而单调地增加，这种方式适合于状态方程的线性近似。

为了确定低盐度范围内的箱体模型的解析解，考虑了淡水情况，在中盐度和高盐度范围内，通过将问题减少到取决于温度和盐度强迫的梯度而获得解析解。值得注意的是，盐度梯度大约与平均盐度成正比（材料和方法）,这种关系意味着，向盐度较高的水体输入相同价值的淡水，将导致盐度的绝对变化较大,对于这两个模型，淡水交换的影响由盐通量来表示。

气候配置对地表水的影响

Stommel箱体模型的解决方案决定了一个特定的气候配置是否会导致地表水向极地流动（正循环）或地表水向赤道流动（负循环）的循环（材料与方法）。在淡水方案中，随着每个盒子的温度强制力的变化，环流是如何变化的，表层温度被强迫在0-8℃范围内，选择这个范围是因为最大密度发生在4℃，冰点是0℃。

由于状态方程的非线性行为，当低纬度箱体的温度比高纬度箱体的温度更接近4℃时，环流为负值：这种行为与所考虑的其他情景有本质的不同。中高纬度情况下的环流方向，温度强迫保持不变，评估了改变盐度强迫的影响。结果显示，在盐度强迫的低梯度下，环流为正，在中等梯度下为多解，在较高的盐度梯度下，环流逆转为负，盐度驱动的制度。

在多解范围之外，模型结果显示，在中度和高度情况下，盐度强迫的梯度分别为3.5和8 g⋅kg-1，导致盐度驱动的环流。这一差异相当于高盐度情况下盐度驱动环流的相对强迫程度比中段情况小五倍，请注意，尽管绝对值较大，但由于平均盐度和盐度梯度之间的比例关系，高盐度情况下的盐度强迫值相对较弱。因此，在高盐度情况下，更有可能发生负循环，在赤道下沉，暖水在深处向极地流动：与地球上看到的情况相反。盒式模型的简化限制了可能得出的结论的定量适用性；然而，它确实为系统的一般定性行为提供了一个有用的总结。

环流方向与三个变量的关系

平均温度、赤道-极地温度梯度和赤道-极地盐度梯度。网格化的表面代表没有环流的数值，表面以上是正环流（向极地流动的表面水），下面是负环流（向赤道流动的表面水）。随着与海面的距离（以及盒子之间的密度差）的增加，环流的大小会加强，该图说明了随着平均盐度的增加，负环流的可能性越来越大，表现为表面向上倾斜，盐度梯度增加。

关键因素是温度和盐度强迫之间的平衡，因为它们的作用方向是相反的，例如，如果温度梯度足够小（图2中的表面以下），在中等盐度下会出现负盐度驱动的循环。这种情况发生的一个例子可能是在一个大气密度比地球大得多的星球上，这导致赤道-极点温度梯度明显变小。

这种想法在试图解释白垩纪存在温暖深层水的证据中很有特色，据推测，这是蒸发率明显提高而不是平均盐度提高的结果。同样的三种盐度情况也用OGCM进行了研究，在这种情况下是模块化海洋模型-阵列处理器版本（MOMA），应用与箱体模型相同的近似状态方程。

翻转流函数的轮廓

每条流线都是按照水的分区平均流动的，因此，通过定位流线远离或向海面上升的纬度，显示了深水形成和上涌的位置。淡水海洋的结果是在0-8℃范围内有一个表面强迫，以更清楚地显示环流的结构，图3A显示，深层水在45°N/S区域形成，该区域对应于分区平均温度的4℃等值线，是水密度最大的温度。

深水形成的这个位置在每个半球形成了两个翻转单元，以相反的方向循环，最大的输送发生在更接近赤道的单元中，这限制了绝大部分的海洋热输送到低纬度地区。0.023佩塔瓦（PW=1015W）的极向热传输峰值出现在4°N/S，该纬度对应于向大气的最大表面热通量0.7W⋅m-2。

穿过4℃等值线的质量和热量传输可以忽略不计，尽管很小，但由于冷水在地表向赤道方向流动，深海形成区极地的地表热流进入海洋。正如预期的那样，中段盐度情景具有在地球上观察到的一般行为；每个半球都有一个温度驱动的单元，在两极形成深水，在赤道有上升气流。这种环流将温暖的赤道表层水输送到高纬度地区，输送的热量被散发到大气中，1.3PW的热传输峰值出现在20°N/S区域。

盐度对水温的影响

在高盐度情况下，单元的配置与低盐度情况类似：在高纬度和低纬度分别有四个负方向和正方向的单元。在这种情况下，低纬度的单元向下延伸到深海，而向极地的单元则要浅得多。深水形成的位置在北纬20°/S，形成了每个半球内两个单元之间的边界，也是被迫达到最大表面密度的纬度。在20°N/S附近，向极地输送的热量在0.7PW达到峰值，另一个局部峰值在50°N/S。由于深海形成的位置发生在如此低的纬度，深海充满了温暖的盐水。

在高纬度地区，来自负环流单元的上升气流将这些温暖的深层水带到海面，使海面热通量峰值达到80W⋅m-2（图3I），是中线盐度情况下海面热通量峰值的两倍以上。在最高纬度的水面上，迅速与大气交换热量；然后这些被冷却的水在海洋表面向赤道方向移动，导致热通量进入50-40°N/S之间的海洋。在这一体系中，海洋通过深海将热量带到极地，这与地球上的海洋环流有根本的不同，在地球上，热量是在表面向极地输送的。

除了浮力作用外，海洋的表面风应力也可能对大尺度海洋环流和由此产生的热量传输产生重大影响。在每个盐度范围的相同配置下，使用OGCM对这种影响进行了研究，但加入了风的强迫。风迫使的最明显影响是在淡水方案中，翻转的强度明显增加，导致海洋热传输的峰值大了一个多数量级。

在这种情况下，密度差异小，因此浮力驱动的翻转强度弱，这意味着风的作用对环流的大小有很大影响。在中盐度和高盐度情况下，风的作用使海洋热传输的峰值增加一倍。在淡水和高盐度情况下，观察到高纬度单元的加深和相对加强，增加了这些区域的热传输量，在高盐度情况下，将海洋热传输的峰值定位在这个单元。

结论：

由于认识到海洋对气候的重要性，对地外行星气候的模拟研究现在包括了海洋环流的影响，事实上，地球上赤道-极地海洋热传输的峰值几乎是大气的一半。然而，这些研究都是假设基本的海洋属性，如盐度、温度和深度，与地球相似，这种假设的结果是类似于地球的环流，经向翻转，暖水在表面向极地移动，被冷却，在高纬度地区下沉，在深处向赤道移动。

这里表明，具有不同盐度的系外海洋可以以相反的方向循环：极地水在表面向赤道流动，在热带地区下沉，并在深海中充满暖水。这种替代性的流动制度导致极地地区的急剧变暖，在此使用概念模型和海洋总循环模型进行了证明。这些结果强调了海洋盐度对系外行星气候和随之而来的可居住性的重要性，以及在未来的研究中考虑它的必要性。

参考文献：

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