科学解读海上“乳白海”的夜间现象

pictured here is the ocean at night. Scientists have been exploring a rare phenomenon whereby the ocean turns a luminous colour, called milky seas
For centuries, a rare nocturnal phenomenon has occurred called 'milky seas'.Image: Unsplash/Lukas Robertson
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  • “乳白海”是一种“罕见的夜间现象,海洋表面会持续发出明亮的光芒”。

  • 这种现象已被观测数百年,可覆盖数千平方英里的海域,有些还能持续一个多月。

  • 科学家已发现,乳白海是由定殖的发光细菌造成的。

  • 专家借助一项涉及卫星的新技术,还找到了探测乳白海的新方法。

“整个海洋的景象宛如覆盖着积雪的平原。天空中几乎没有云,但天空……却黑得如同暴风雨正在肆虐。这一景象既壮阔又令人敬畏,大海仿佛变成了磷光,天空被黑暗笼罩,星辰熄灭,似乎预示着整个自然界正在为那场最后的大火做准备,而人们相信,那场大火将毁灭这个物质世界。”

——1854年,印度尼西亚爪哇岛近海,美国快速帆船“射星号”船长金曼。

几个世纪以来,水手们一直在报告类似上述的奇异遭遇。这些现象被称为乳白海。它们是一种罕见的夜间现象,海洋表面会持续发出明亮的光芒。它们可覆盖数千平方英里的海域。得益于19世纪水手如金曼船长等人的生动描述,乳白海已成为海洋民间传说中广为人知的一部分。但由于其偏远且难以捉摸的特性,人们极难对其进行研究,因此它更多地存在于这些民间传说之中,而非科学领域。

我是一名大气科学教授,专攻用于研究地球的卫星。借助新一代先进的卫星,我和同事们开发出了一种新方法,用以探测乳白海。利用这项技术,我们旨在远程了解这些发光水域,并引导科考船前往那里,从而使我们能够开始将这些超现实的传说与科学认知相互印证。

水手关于乳白海的传说

迄今为止,仅有一艘科考船曾遭遇过乳白海。该船船员采集了样本,并发现了一种名为哈氏弧菌(Vibrio harveyi)的发光细菌株,它们在水面的藻类上定殖。

乳白海中的生物发光是由一类细菌引起的。Image: Steve. H. D. Haddock/MBARI, CC BY-ND

与近岸的生物发光不同(近岸处,被扰动时,名为甲藻的小型生物会发出耀眼的闪光),发光细菌的发光方式截然不同。一旦其数量足够庞大——约每毫升海水含有1亿个单细胞——便会有某种“内部生物开关被打开”,于是它们全都开始稳定地发光。内部生物开关被打开,它们便全都开始稳定地发光。

发光细菌会使它们所定殖的颗粒发光。研究人员认为,这种发光的目的可能是吸引以它们为食的鱼类。这些细菌在鱼类的肠道中大量繁殖,因此当它们的数量超出其主要食物来源所能承载的范围时,鱼的胃便成了极佳的次选之地。事实上,如果你走进一个冷藏鱼库并关掉灯,你可能会注意到,有些鱼会发出绿蓝色的光——这就是细菌光。

现在设想一下,若数量庞大的细菌分布在广阔的远洋海域中,并同时开始发光,那便形成了一片乳白海。

尽管生物学家对这些细菌已有深入了解,但造成这些大规模发光景象的原因仍是一个谜。如果附着在藻类上生长的细菌是乳白海的主要成因,那么它们将会在各地、随时随地出现。然而,据海面报告显示,全球每年仅出现两到三次乳白海,主要发生在西北印度洋海域以及印度尼西亚近海。

研究人员在索马里近海发现了一次乳白海事件,在左上角的图像中呈现为淡色的弧状光带。其他图板显示了海表温度、洋流和叶绿素的分布情况。Image: Steven D. Miller/NOAA

卫星解决方案

若科学家想进一步了解乳白海,就必须在其出现期间抵达现场。问题在于,乳白海极难捕捉,几乎无法对其进行采样。这正是我的研究发挥作用的地方。

卫星为监测广阔的海洋提供了切实可行的方法,但需要一种特殊仪器,能够探测到比日光暗约1亿倍的光线。我和同事们于2004年首次探索卫星的潜力,当时我们利用美国国防卫星图像,确认了一片乳白海,该海域曾由英国商船“SS Lima号”于1995年报告。但这些卫星的图像噪点很多,我们无法将其用作搜索工具。确认一片乳白海。然而,这些卫星图像噪点很多,我们根本无法将其用作搜索工具。

我们不得不等待更好的仪器——即日夜波段(Day/Night Band)——该仪器计划搭载于美国国家海洋和大气管理局的新型卫星星座上。这一新型传感器于2011年底投入使用,但我们最初的希望很快破灭,因为我们发现日夜波段的高灵敏度同时也探测到了空气分子发出的光。我们花了数年时间研究日夜波段的图像,才得以解读所见的内容。

终于,在2018年初一个晴朗无月的夜晚,索马里近海的日夜波段图像中出现了一个奇特的弧形光带。我们将其与前后几夜的图像进行了比对。尽管云层和大气辉光特征有所变化,但该弧形光带始终存在。我们终于找到了一片乳白海!而且,我们现在知道该如何寻找它们了。

这片位于爪哇岛近海的乳白海面积与肯塔基州相当,持续了一个多月。Image: Steven D. Miller/NOAA

揭示日夜波段全部潜力的“啊哈!”时刻出现在2019年。当时,我正在浏览图像,试图找出被误认为乳白海的云层,结果无意中发现了爪哇岛以南的一次惊人事件。我看到一个巨大的发光海洋漩涡,其面积超过4万平方英里(10万平方公里),大致相当于肯塔基州的面积。新型传感器提供的细节和清晰度,是我从未想象过的。我惊奇地看着这团光亮随着洋流缓缓漂移并不断变形。

从这一具有里程碑意义的案例中,我们学到了很多:乳白海与海表温度、生物量及洋流之间存在何种关联——这些都是理解其形成机制的重要线索。至于所涉及的细菌估计数量?约为1000亿亿个细胞——几乎相当于可观测宇宙中恒星的估计总数可观测宇宙中恒星的估计总数!

左侧两幅乳白海图像采用的是较早的卫星技术拍摄,而右侧图像则展示了日夜波段传感器生成的高清图像。Image: Steven D. Miller/NOAA

未来一片光明

与旧技术相比,观看日夜波段图像就像第一次戴上眼镜。自2013年以来,我和同事们已分析了数千张图像,目前已发现12片乳白海。其中大多数都出现在水手们数百年来一直报告其踪迹的同一海域。

也许最具实际意义的发现在于乳白海能够持续多久。虽然有些仅持续数天,但爪哇岛附近的那一片却持续了一个多月。这意味着,人们有机会在这些偏远事件发生期间,派遣科考船前往现场。这将使科学家能够以各种方式对其进行测量,从而揭示其完整成分、形成方式、罕见的原因以及它们在自然界中的生态意义。

如果像金曼船长那样,我有朝一日真的站在船甲板上,望着天空投下影子,我一定会跳进海里!

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