NO.2563-大海「變綠」了？
文字：張武昌
製圖：板栗 / 校稿：通麥 / 編輯：板栗
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本文作者系中國科學院海洋研究所研究員
近期，一則學術新聞佔據了諸多媒體的頭條：全世界的海水變綠了！
這原先只是一篇發表在學術期刊上的論文（Cael et al.，2023），但卻引發了人們的好奇，難道我們親眼所見的蔚藍大海，將會像2016年裡約奧運會跳水泳池一樣，變「碧池」？
沒想到大海還能如此瑰麗燦爛
（阿拉斯加普里比洛夫群島附近 圖：NASA）▼
海洋變綠的重磅訊息，攪動了人們不安的神經，這究竟是怎麼一回事？大海，真的要變臉了嗎？
大海，究竟是個什麼顏色？
當我們在海邊吹著海風時，望著無邊無際的湛藍大海，總想去伸手摸一摸海水，或是去遊個泳。但若你把海水裝進瓶中，多半是無色。這是怎麼回事？
大海那一抹藍深邃得讓人捉摸不透
（圖：shutterstock）▼
其實，我們看到的海洋的顏色不是海水的顏色，所以不能把海水裝進瓶中觀察顏色。海洋的顏色，會受到很多因素的影響。
當光線進入大海，不同波段的光在海水中的衰減速度是不一樣的。在純淨的海水（沒有任何懸浮顆粒和溶解有機物質）中，藍紫光衰減的速度最慢，並被海洋散射和反射回大氣中。如果海底足夠深，我們看到的就只是這些光線，所以海洋會呈現藍紫色。
如果是純淨的水，夠深的話都會呈現藍色▼
如果海底較淺，海底就可以反射一些光線，此時海水的顏色就受海底的影響了。例如熱帶沙灘附近的海水通常就不是藍色了。
在近岸受到懸浮淤泥、藻類和微生物的影響
海水往往會呈現偏綠的顏色
（圖：shutterstock）▼
如果海水中有懸浮顆粒和溶解有機物質，它們會反射和散射不同波長的光，使得海水呈現不同的顏色。
發生赤潮時，大量的浮游藻類也會使得海水變色。
鴛鴦鍋了屬於是
（圖：thehindu）▼
天空的顏色（晴朗或陰沉），還有大氣中的氣溶膠和雲朵等，這些因素也能影響到入射到海洋中的光線的光譜組成。
海水的顏色，一直是科學家們感興趣的話題。為了研究海水透明度，即光線在海洋中的穿透性，海洋學家們通常會使用天文物理學家賽奇（賽基，Angelo Secchi）在1865年發明的方法：將一個標準大小的白色圓盤（賽奇盤Secchi Disk）掛上鉛錘等重物下放，當白色圓盤開始看不到的深度即為賽奇深度（ZSD）。
賽奇盤是一個純白色圓盤，一般用來測量海水的透明度
改進的黑白盤是測量淡水的
（圖：shutterstock & NOAA）▼
但僅靠透明度，還不足以描述海洋的豐富多彩。為了定義海洋的顏色，科學家們給出了FU色標進行比對。
經過多年的實踐，科學家逐漸採用統一的水色測定方法。水色的測定方法與透明度掛鉤，先測定賽奇深度，再將賽奇盤提到賽奇深度的一半，觀察賽奇盤上方水體的顏色，與FU色標比對，給出讀數。
FU色標量表是一種簡單但實用的量表
不僅可以測量海水，還能測量河流、湖泊的顏色
（圖：citclops@J. Piera）▼
但不同人的眼神，總會有所差異。隨著科技的發展，對海洋光學的研究逐漸進入精密儀器階段。人們將海洋的透光性質用新的的指標——真光層深度來表達，即光線衰減到海面入射光強1%處的深度。
通常真光層的深度，約為賽奇深度的3倍。真光層深度在近岸海區為20米左右，在亞熱帶大洋為50米左右，在熱帶大洋可達200多米。
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今天，科學家們已經有了眼力更加強勁的工具——衛星來進行海洋顏色的觀測。
早在1978年，美國國家航空航天局（NASA）發射了「雨雲7」（Nimbus）衛星，其上搭載了海岸帶顏色掃描器（Coastal Zone Color Scanner，CZCS）衛星來驗證衛星遙感水色方法的可行性。1997年，第一顆專用海洋水色衛星「海星」（Seastar）。其他國家也有類似的海洋顏色衛星觀測計劃。
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這些衛星有不同的空間、時間覆蓋率，有不同感光的波長和頻寬。光線到達海水後，部分被海表面反射，部分被上層水體中的無機顆粒物質、有級顆粒物質（主要是浮游植物）和有機黃色物質輻射而逃逸出水面。
衛星遙感的工作原理是通過衛星傳感器接收上述光信號，來反演水體中影響海水光學性質的組分濃度，進而獲得海洋表層水體中的懸浮物、葉綠素和黃色物質等的組分和濃度。
海水的色彩：與你我共呼吸
為什麼全世界的科學家們，對海水的顏色如此關心？答案就在海洋裡那些微小的生靈——浮游植物。
浮游植物個體微小，只佔全球植物生物量的1%，卻提供了全球一半的光合作用生產量，同時貢獻了全球至少一半的氧氣產量。就這麼說，我們每呼吸兩口氧氣，就有一口是浮游植物貢獻的。全球變化對浮游生物的影響，與我們每個人相關。
浮游植物在生產氧氣的同時
也將大氣中的二氧化碳轉移到了海洋
（來源：wiki）▼
在1992年聯合國氣候變化框架公約（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC）中，指明瞭需要對地球氣候系統開展系統觀測。於是聯合國教科文組織下屬多個機構聯合成立了全球氣候觀測系統（Global Climate Observing System，GCOS）。而海洋顏色（Ocean Color, OC），就是其中的一個基本氣候變數——ECV。
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使用衛星水色遙感獲取的光信號，可以換算為表徵浮游植物的葉綠素濃度，從而實現在全球大範圍尺度上對浮游植物和懸浮顆粒的分佈開展研究。這就需要根據不同的海區、不同光波段。以海區而言，近岸海域有更多的懸浮無機顆粒物（例如泥沙），而大洋中的顆粒物主要為浮游植物。
塔斯馬尼亞及周邊水域的海岸帶顏色掃描器圖像
紅色和橙色表示浮游植物含量較高
綠色和藍色表示浮游植物較少
（圖：wiki）▼
遙感的資訊來自海面，這是一個平面，所以遙感得到的葉綠素濃度是平面的資料。
實際上，海水中的葉綠素在不同的水深有不同的濃度，所以遙感葉綠素濃度和水體葉綠素濃度不是一個概念。在渾濁的近岸水域，下層的葉綠素可能探測不到；在熱帶大洋，存在一個深層葉綠素最大層，可以達到100多米，能否被遙感衛星觀測到也是個問題。
科學家克服種種困難，已成功將海洋水色反演成海洋表層葉綠素濃度。全球海洋的週年平均葉綠素濃度約為0.32mg/m-3（Falkowski and Raven 2007），近岸和高緯度海區較高，南北緯40度之間的大洋較低，在5個大洋環流的中心最低。
這四張圖體現了NASA海洋顏色計劃的發展歷程：
從CZCS傳統多光譜儀器到SeaWiFS-MODIS-VIIRS時代
進入全球高光譜海洋顏色遙感時代的時機已經成熟▼
海洋透明度FU色標和衛星遙感都是科學家們使用的海洋光學資料，為了研究海洋浮游植物的長期變化，這些指標被分別通過各種演算法轉換成葉綠素濃度。
在2010年Boyce等人於頂極期刊《Nature》發表了一篇文章，使用1899年起的塞奇盤透明度資料和1959年起的實測葉綠素，通過演算法將兩類資料融合，估計了海洋不同分區葉綠素濃度在一個世紀之間的變化。
這一不同來源資料的融合研究十分有趣，但對研究方法可靠性的質疑立即引來大量的討論，併成為2010-2012年間海洋科學的熱門議題之一。
下圖是Boyce等人論文中用的兩種原始資料
處理後的資料
這樣的處理是否妥當只能說是見仁見智了
（圖：Boyce et al.， 2010）▼
既然透明度和實測葉綠素的結合爭議頗大，那麼同樣來自衛星遙感的資料之間應該有較好的質控和連續性吧？
但實際上衛星遙感技術一直在進步，衛星和傳感器分別在迭代升級，每一個型號的傳感器都有不同的設置且有一定的壽命，這意味著我們拿到的遙感長期觀測資料來自不同的衛星和遙感器，這些來自不同傳感器資料的互校也是一個引起混亂的因素。
演算法的不同，也導致面對同一份衛星遙感資料（美國NASA的四代衛星遙感資料），全球學術界也得出了差異甚大的結論。從全球尺度看，有人認為全球平均的葉綠素濃度從1990年代至今有降低的趨勢，但是也有人認為沒有明顯的變化，當然還有人認為葉綠素濃度在增加。
衛星的測量技術是在不斷迭代的
不同時期的資料難免會有些差異▼
對於各個不同的海區，也存在不同的葉綠素濃度變化趨勢。其中南北緯40度之間的熱帶和亞熱帶海區最引人注目，該海區佔全球總海區面積的56%，主要被5個亞熱帶環流佔據。由於這些環流是逆時針旋轉的反氣旋式環流，環流中心是下降流，所以沒有來自深層的營養鹽的補充。長期以來，人們一直認為這些亞熱帶環流由於變暖層化加劇，營養鹽更加缺乏，葉綠素濃度減少，水色變得更加透明。
一些研究表明全球海洋葉綠素在1998-2003年間
在沿海地區有增加的趨勢
但大西洋和太平洋的環流區域卻顯示有下降的趨勢▼
那為什麼有新聞說全世界的海水，尤其是南北緯40度之間的大洋變綠了呢？
所以，海水到底變綠了嗎？
迴歸本次引發「海水變綠」熱議的論文（Cael et al., 2023），這篇文章是今年7月發表在《Nature》上的，作者使用了新的演算法，稱為「自相關校正多元迴歸（autocorrelation-corrected multivariate regression）」，分析了Modis衛星的遙感資料，結論是近20年間南北緯40度的海區更綠了。
橫屏-看上去好像挺那麼回事的▼
那麼，這個結論到底靠不靠譜呢？
作者的提法有點狡猾，以往的研究都是明確說明葉綠素濃度的變化，而這篇研究只聲稱海區變綠（become greener），卻沒有說明是葉綠素濃度的變化。
在討論部分，作者指出變綠的原因可能是多方面，可能是因為非生命的碎屑顆粒增加了，也可能是浮游動物和有色溶解物質的增加。由於在這些海區有深層葉綠素最大層，海洋透明度的增加也可能使得深層葉綠素最大層被衛星觀測到，從而導致這個結果。
除了論文字身外，在原始新聞稿的文章中，相關作者避免使用「葉綠素濃度增加」的字眼。
但資訊仍在層層傳播中逐漸失真
（圖：phys.org）▼
部分國內媒體，可能並沒有看明白論文和原始新聞稿的意思，也並未真正理解該研究的含義，便匆匆落筆，造成社會大眾的嚴重誤解。或許他們也懶得真正理解，因為畢竟蹭新聞的熱度是第一要義嘛。
當然，也有許多比較靠譜的媒體創作者，說明了這篇論文不是關於葉綠素濃度的變化，大海變綠的原因還不清楚。
有些遺憾的是，這些文章的講法其實也不夠嚴謹。將大海變綠建立在「綠」等於葉綠素的設定來吸引讀者，然而事實上這一關係也並不成立。
總之，這一事件只是科學家用不同的演算法處理遙感資料得出的「光譜學」的趨勢研究，與浮游生物葉綠素長期變化研究相去甚遠。
海洋浮游生物葉綠素長期變化趨勢的子彈，還得飛一會兒。
最後多說幾句：
近年來隨著媒介技術的進步，原先與普通人距離甚遠的學術界最新成果也可以在手機上刷到。但即使是最為權威期刊上的論文，也不全是一錘定音的真理。
而寥寥幾句的結論背後，往往是一個學科長期的摸索和積累。看到某些「語不驚人死不休」的「權威結論」，不妨找來原文，細細品讀一番。
至少，不應輕信才是。
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上下滑動查看參考資料：
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