洋底高含量的溶解氧从哪里来？

物理实验与要刻画的实际研究对象，若尺度差异太大，可能造成错误的判断。热盐环流(温盐环流)两次物理实验，奠定了海洋学中大洋环流的基础。但实验室尺度的实验，用来类比整个海洋，且横纵比被严重扭曲，可能也是海洋学的一个重大的Bug。该问题涉及一个世纪之争：海洋是否为“热机”。

本月我们发表的文章《局限环境下水体深度对有机质富集的控制作用》(点击可下载)一文阐述了海洋溶解氧的来源，主要观点是，溶解氧含量随深度增加不是减少到最终缺氧，而是逐渐增加到海底富氧。溶解氧受控于海面温度与海底温度的温差形成的垂向对流强弱产生的差异。此后，在与海洋学专家讨论中低纬度地区海洋中层极小值(最小含氧带OMZ)之下溶解氧随深度增加而增加这个现象时，海洋学专家坚持，深海海底富氧是因为高纬度低温水密度大，下沉至海底，并通过热盐环流，将富氧水带到中低纬度。翻了翻教科书，的确都是这样写的。这显然代表了主流观点。这是世纪之争的一派-海洋热机学派-目前仍占主导的一派所主张的观点。

是我没学习好教科书？如果我当时学好了，可能就没有这篇博文了。

共有2个实验支撑这一观点，最早一个实验是1906年由Sandström J W完成。另一个实验是由Rossby 实验示意图(1965)所做，如下图。在实验室内，完成了温盐实验的最重要的实验，冷水下沉，热水上浮。该模型至今仍是海洋学的主流观点：

图1 Rossby (1965)实验示意图

下图为Paul R. Pinet的著作《Invitation to Oceanography Second Edition》P159，受上面实验的影响，将上面的模型米级尺度1米*2米的实验模型，扩大到整个海洋5公里*10000公里。

图2 海洋的密度结构

在2009年陈敏的《化学海洋学》P51也有类似描述，在中层极小值层(OMZ)以深，溶解氧含量逐渐增加，这与全球深海热盐环流有密切的关系。在北大西洋与南大洋的高纬度海域，富含溶解氧的表层水下沉，之后沿深海热盐环流的路径运移，在运移过程中，深海水中的溶解氧仍然会被深海的动物和细菌逐渐利用，从而导致深海水溶解氧含量沿运移路径逐渐降低，这也就是北大西洋深层水溶解氧含量明显高于北太平洋深层水的原因(下图)。

图3 北太平洋，北大西洋溶解氧垂直分布

     陶平(2016)所著《化学海洋》P147指出，在OMZ下面的深水层，由于高纬度区从表层下沉的水的循环，使得这一层中氧的浓度逐渐增加。

至此，海洋热机学派占据了主导。这个推理的核心是将实验室尺度1米*2米推广到全球海洋，5公里*10000公里。将实验室尺度的模型变形，横向相对于纵向放大（拉伸）2000倍。如下图4，为由赤道到北极，横向长1万公里，纵向5.5公里的模型, 实际该图已在原1比1模型之上，在横向上已缩短10倍，即只有1000km的海洋。这样的类比，只要一上数值模拟，就会露出原形！显然，在计算热传导和热对流时，需要按1比1模型来计算。

图4 不同比例尺下海洋模型（横向缩短10倍）

最新的数值模拟实验，证实了另外的观点，深海环流机械能驱动理论-海洋非热机学派的观点。

Nycander(2007)的数值模拟证实，在不考虑风的作用(左图)，热盐环流主要发生在60m-600m；一旦考虑风的作用，模拟结果与传统的热盐环流观点则完全相反(右图) ：热盐环流只发生在12m-120m深的海洋表层，120m-800m的范围内，则以机械能驱动环流为主，800m以下的海洋，机械能的影响也很小，这个深度恰恰是洋流影响的底界。即，热盐环流影响不到120m以下的海洋。

图5 理想模型翻转流函数ψ(T, z) (Sv). (a) 不考虑风τ₀=0;马 (b)考虑风 τ₀=0.05 N/m². 负值蓝色代表热盐环流; 正值红色为风力环流.

因此，热盐环流，或风力驱动环流，均影响不到最小含氧带(OMZ)的底界，水深1200m之下的溶解氧含量，更影响不到深达4000m的海底的富氧状态。

物理实验直接用于类比地球海洋的问题是，图1是实验室尺度，因温度差异垂向对流时，会很严重侧向干扰。而地球表面，冷却的一端在两极，加热的一端在赤，横向距离10000公里，而垂向只有4-5公里，数学模型上相当于一个长杆，和图1差太远。海面在季节性高温差下，在垂向上会在1年内因热传导，热对流产生平衡。而在海底的温度，高纬度与赤道的海底温差极小，更难驱动“热盐环流”，且在向赤道走5km的距离时，已被周围的海水加热，使温度平衡。要走10000公里，需要多长时间？

实际上，我们根据统计，也获得了和非热机学派相同的结论，认为海洋的溶解氧与海面温度绝对控制。当海面变热，或在中低纬度时，由于海面热，海底冷，海洋分层，导致OMZ带出现。且随深度增加，海洋温度降低，压力增加，溶解氧含量递增。海面越暖，OMZ越厚，海面越冷，OMZ越薄。太平洋温度高于大西洋，如美国西部，太平洋东部，冬季仍很暖和，如旧金山、洛彬矶、圣迭戈；而美国东部，大西洋西部，冬季较冷。因而太平洋分层稳定，易出现更厚的OMZ，且厚度大，且溶解氧含量更低。

Sandstrom在1908-1916年所做的实验，已很接近真理了。如图6，其主要结论是，在某深度Z加热，只要另一端冷却点深度小于Z，才会产生温盐环流，图6b所示。如果加热在上，冷却在下，则不会产生环流。由于季节或纬度，使高纬度的温度低，低纬度的温度高，其加热点在海面。但后来者仍将这个实验模型，类比到横向有距离10000公里的实际地球系统中。

图6 Sandstrom实验示意图

结论：温盐环流所影响的海洋，是在OMZ之上，浪基面之下60米-120米范围；风力，潮汐作用引起的温盐环流，可以影响到800米，但更深的海洋无法波级；1200米以下的海洋，随深度增加，溶解氧递增，到海底富氧，与温盐环流无关。

主要参考文献：

[1]黄姣凤.2008.世纪之争： 海洋是否为“热机”？———Sandström 猜想发表一百周年侧记.

[2]Nycander J‚Nilsson J‚Döös K‚et al．Thermodynamic analysis of ocean circulation．J Phys Oceanogr‚2007‚37：2038—2052.

[3]毛小平,陈修蓉,李书现,杨帆,李振,李学慧,杨岳兴.2025.局限环境下水体深度对有机质富集的控制作用[J].地质学报,99(4):1353-1368.