微小涡旋可输送海洋中的重要营养盐，并有助于维持海洋生物的健康。
麻省理工学院的研究人员指出，这种营养盐的分布还可能有助于维持亚热带海洋的碳储存。
这与许多气候模型的预测形成对比，这些模型倾向于预测未来几十年海洋的碳封存能力将下降。
亚热带环流是巨大的旋转海流，在地球赤道以北和以南的亚热带地区形成持续的环流。这些环流是缓慢移动的漩涡，在全球各个大型海盆内循环，随着海流从海岸到海岸的流转，它们会汇集营养盐、生物，有时还会汇集垃圾。
多年来，海洋学家一直对亚热带环流内相互矛盾的观测结果感到困惑。在海面上，这些巨大的海流似乎承载着健康的浮游生物种群。浮游生物是微生物，为整个海洋食物链提供养分，并负责吸收大气中很大一部分二氧化碳。
但根据科学家对环流动力学的认识，他们估计海流本身无法保持足以维持所观察到的浮游生物的营养盐。那么，这些微生物是如何生长繁盛的呢？
如今，麻省理工学院的研究人员发现，浮游生物可能从环流外部获得营养盐补给，而这种输送载体是涡旋，即在环流边缘旋转的小得多的海流。这些涡旋将营养盐从营养丰富的赤道地区吸入，并将其推送至环流中心，随后这些营养盐被其他海流吸收，并被泵送至海面，以供浮游生物摄取。
研究团队发现，海洋涡旋似乎是亚热带环流中营养盐的重要来源。研究人员将其补给作用称为“营养盐接力”，它有助于维持浮游生物种群，而浮游生物在海洋从大气中封存碳的能力中起着核心作用。尽管气候模型倾向于预测未来几十年海洋的碳封存能力将下降，但这种“营养盐接力”可能有助于维持亚热带海洋的碳储存。
“随着气候持续变化，海洋碳循环将如何演变，仍存在很大的不确定性。”加州理工学院博士后研究员、曾在麻省理工学院攻读研究生期间领导该项研究的穆昆德·古普塔（Mukund Gupta）说，“正如我们的论文所示，准确把握碳的分布并非易事，它取决于对海洋中涡旋及其他精细尺度运动作用的理解。”
古普塔及其同事本周在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上发表了他们的研究成果。该研究的合著者包括麻省理工学院的乔纳森·劳德代尔（Jonathan Lauderdale）、奥利弗·让（Oliver Jahn）、克里斯托弗·希尔（Christopher Hill）、斯特凡妮·杜特凯维奇（Stephanie Dutkiewicz）和迈克尔·福洛斯（Michael Follows），以及利物浦大学的理查德·威廉姆斯（Richard Williams）。
一个关于雪的谜题
海洋环流的横截面类似于一摞按密度分层的嵌套碗：较暖、较轻的水层位于表层，而较冷、较重的水则构成深层。浮游生物生活在海洋顶部的阳光层中，微生物需要阳光、温暖的水温和营养盐才能生长。
浮游生物死亡后，会以“海洋雪”的形式穿过海洋各层下沉。其中一部分海洋雪会将营养盐释放回海流中，随后这些营养盐被泵送回上层，用于供养新的微生物。其余的海洋雪则沉出环流，直至海洋最深层。雪下沉得越深，就越难被泵送回海面。随后，这些海洋雪连同未释放的碳和营养盐被困住，即被封存。
海洋学家此前认为，亚热带环流中营养盐的主要来源是循环再利用的海洋雪。但由于这些海洋雪中的一部分必然会沉至海底，因此必定还存在另一种营养盐来源，才能解释海面上健康的浮游生物种群。古普塔表示，这一来源究竟是什么，“在一段时间内让海洋学界感到有些困惑”。
边缘的涡旋
在新研究中，研究团队试图模拟一个亚热带环流，以观察可能还起作用的其他动力机制。他们聚焦于北太平洋环流，它是地球五大主要环流之一，覆盖北太平洋的大部分海域，面积超过2000万平方公里。
研究团队首先使用了MITgcm，这是一种模拟大气和海洋中物理环流模式的大气与海洋环流模型。为尽可能真实地重现北太平洋环流的动力过程，研究团队采用了一种此前由美国国家航空航天局（NASA）和麻省理工学院共同开发的MITgcm算法。该算法可使模型与海洋的实际观测数据相吻合，例如卫星记录的海流，以及船只和漂流浮标测得的温度和盐度数据。
“在模型本身的能力和现有观测数据的限制下，我们使用的海洋物理模拟已尽可能贴近现实，”劳德代尔说。
动画展示了北太平洋在海面以下500米处的磷酸盐浓度。漩涡代表微小的涡旋，它们将磷酸盐从营养丰富的赤道（较浅色）向北输送至营养匮乏的亚热带（较深色）。这种营养盐接力机制有助于维持亚热带海洋的生物活动和碳封存。
这一逼真的模型捕捉到了更精细的细节，其分辨率低于每像素20公里，而其他分辨率较为有限的模型则无法做到。研究团队将海洋物理行为的模拟与达尔文模型相结合。达尔文模型用于模拟浮游生物等微生物群落，以及它们如何随海洋环境条件生长和演变。
研究团队对北太平洋环流进行了长达十年的综合模拟，并制作了动画，以展示环流周围洋流的运动模式以及洋流所携带的营养盐。结果显示，沿巨大环流边缘出现了小型涡旋，它们似乎富含营养盐。
“我们观察到的是微小的涡旋运动，基本上类似于海洋中的天气系统，”劳德代尔说，“这些涡旋将来自赤道的高营养盐水团向北输送至环流中心，并沿着碗状结构的两侧向下输送。我们想知道，这些涡旋的输送是否是一种重要的输送机制。”
令人惊讶的是，营养盐首先会向更深处、远离阳光的方向移动，然后才被向上输送回浮游生物所在的区域。研究团队发现，海洋涡旋可提供亚热带环流中高达50%的营养盐。
“这一点非常重要，”古普塔说，“从海洋雪中循环再利用营养盐的垂直过程只是故事的一半。另一半则是这些涡旋的补给作用。由于亚热带环流贡献了全球海洋的很大一部分，我们认为这种营养盐接力具有全球意义。”
