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深海测温计——地震波?

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随着疫情防控的常态化,大家可能渐渐习惯了出入公共场所时,工作人员拿着红外测温仪,对着你的小手一“哔”。体温测量能够尽早发现发烧症状,避免病毒扩散。

同样的,当我的研究对象转向地球,由于温室气体阻碍地球散热,90%的热量被海水吸收,测量海洋各部分温度的升高情况有助于我们更好地给“发烧”的地球做出诊断。

2020年9月《science》期刊上发表的《seismic ocean thermotry》一文,吴文波等地球物理学家采用了一种开创性的海水测温方法——地震学海温测量。“我们利用重复地震产生的声波在不同温度海水中的走时差异,来推出海盆尺度的深海温度变化”他们如是说,“在2005年到2016年间,我们得到了海温在一年的、六个月的和十天左右的尺度波动情况;并且推断东印度洋海域在十年间有变暖的整体趋势,大大超出先前其他方法的预测结果”

一直以来

海温的取样监测都是一个难题

在过去20年里,Argo自动测量剖面浮标(见注处1)相较于传统的船舶观测,时间和空间的覆盖率大大提升。但是2000m以下的深度及海冰覆盖的区域仍然难以测量。除此之外,至少2006年以前argo测量系统的采样还较为稀疏,而更为稀疏的船舶采样还受到仪器定标的限制。


图1 船舶气象站

Argo计划

Argo计划名字起源于希腊神话中勇士伊阿宋(Jason)和阿尔戈英雄(Argonauts)寻找金色羊毛时所乘的船。Argo观测系统由大量布放在全球海洋中小型、自由漂移的自动探测设备浮标组成。


图2 Argo浮标的分布示意图


图3 浮标结构示意图

独辟蹊径地,这个研究并未将“测温计”放入海水中。它利用地表台站接收到震源的T波的走时变化,来探测温度的变化。“多亏了海水中部的声波波导,波可以在其中长距离传播,衰减很少”,这使得较远的台站的有明显的地震波波形记录,使研究成为可能。


图4 光纤是一种常见的波导结构,里层波速较小,光在界面处发生全发射,能量向外散失少

地震的能量大部分以地震波传播出去。地震波在海底的固液界面处转换成海洋声波,海洋声波在海水低速层中传播,近岸时再变成地震波最终被台站接收。由于海水中声波传播速度很慢,它在地震P波和S波之后到达,故称T波(tertiary第三)。如图五A所示,右下角圆圈处为地震发生位置,左上角三角形处为台站及其记录到的地震波信息。海洋中部两千米位置左右,可以看到浅蓝色的声波低速层。


图5 研究图示

基于节能和对水生动物友好的考虑,研究采用天然地震而非人工海洋震源;研究区域选在东印度洋海域,那里因为板块俯冲的原因而频发地震。如图五所示,B黑点是在目录的地震,红点是用于研究的重复地震对。“重复地震对是指震源位置和破裂模式等相近的地震事件”。利用重复地震事件对,排除掉震源位置等对走时的影响,海温变化引起的微小走时差异才能体现出来。

“我们对近十年间温度变化的整体趋势进行拟合,得到了0.0440.002K东印度洋的十年海温变化;大于Argo气象数据每十年0.026 ± 0.001 K和ECCO的数据每十年0.039 ± 0.001 K。可以看出T波走时增加了海洋变暖研究的的约束条件。”

这一研究的成功将促进地震学方法在全球海温变化探测中的进一步应用。

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主要译自《science》期刊原文:

Wenbo Wu,Zhongwen Zhan,Shirui Peng, Sidao Ni, Jrn 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

图片来源:

[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

参考文献:

[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:彭静萱

美编:麦李婷


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