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超級風暴、突發性氣候變化以及被冰凍住的紐約市。這就是好萊塢大片《後天》中對大西洋環流突然停止及其災難性後果的描述。
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儘管好萊塢的設想有些誇張，但這部2004年的電影提出了一個嚴肅的問題：如果全球變暖導致對熱量從熱帶到北緯地區至關重要的大西洋經向翻轉環流停止，那麼氣候變化會有多突然和多嚴重？
在這部電影上映20年後，我們對大西洋環流有了更多的瞭解。從2004年開始部署在海洋中的儀器顯示，大西洋環流在過去二十年中已經明顯減緩，可能達到了近千年來最弱的狀態。研究還表明，環流已經達到了一個危險的臨界點，在過去曾使其陷入急劇的、不可阻擋的衰退，而且隨著地球變暖以及冰川和冰蓋融化，它可能會再次達到這個臨界點。
在一項使用最新一代地球氣候模型的新研究中，我們模擬了淡水的流動，直到海洋環流達到臨界點。
結果表明，環流在達到臨界點後可能會在一個世紀內完全停止，並且它正朝著這個方向發展。如果這種情況發生，北美、亞洲和歐洲部分地區的平均氣溫將下降幾度，並且世界各地的人們將看到嚴重的連鎖反應。
我們還發現了一種基於物理學的早期預警訊號，可以提醒世界大西洋環流何時接近其臨界點。
海洋的傳送帶
洋流由風、潮汐和水密度差異驅動。
在大西洋環流中，赤道附近相對溫暖和高鹽度的表層水流向格陵蘭。在它的旅程中，它穿過加勒比海，向上進入墨西哥灣，然後沿著美國東海岸流動，最後穿過大西洋。
這條洋流，也稱為墨西哥灣暖流，將熱量帶到歐洲。當它向北流動並冷卻時，水團變得更重。當它到達格陵蘭時，它開始下沉並向南流動。格陵蘭附近水的下沉會從大西洋的其他地方拉動水，並且迴圈重複，就像一個傳送帶。
來自融化的冰川和格陵蘭冰蓋的過多淡水會稀釋海水的鹽度，阻止其下沉，並削弱這種海洋傳送帶。 一個較弱的傳送帶向北輸送的熱量更少，也使得更少的高密度水到達格陵蘭，這進一步削弱了傳送帶的強度。一旦達到臨界點，它就會迅速停止。
在臨界點，氣候會發生什麼？
人們在20世紀60年代初大西洋環流的過度簡化模型中首次注意到了臨界點的存在。今天更詳細的氣候模型表明，在氣候變化下，傳送帶的強度持續減慢。然而，在這些氣候模型中，似乎不存在大西洋環流的突然停止。
這就是我們的研究發揮作用的地方。我們使用詳細的氣候模型進行了一項實驗，透過緩慢增加淡水的輸入來尋找突然停止的臨界點。
我們發現，一旦達到臨界點，傳送帶會在100年內停止。向北的熱量傳輸大大減少，導致突發的氣候變化。
結果：北方出現危險的寒冷
當環流停止時，受墨西哥灣暖流影響的地區接收到的熱量明顯減少。這使得北美和歐洲大陸降溫幾度。
歐洲的氣候比其他地區更受墨西哥灣暖流的影響。在我們的實驗中，這意味著該大陸的部分地區每十年變化超過5華氏度（3攝氏度）——遠遠快於今天每十年約0.36華氏度（0.2攝氏度）的全球變暖。我們發現，挪威部分地區的氣溫將下降超過36華氏度（20攝氏度）。另一方面，南半球地區將升溫幾度。
這些溫度變化在約100年內發生。這看起來似乎是很長的時間，但在典型氣候時間尺度上，它是突然的。
傳送帶的停止還會影響海平面和降水模式，這會將其他生態系統推向其臨界點。例如，亞馬遜熱帶雨林容易受到降水減少的影響。如果其森林生態系統轉變為草原，則這種轉變會向大氣釋放碳，並導致有價值的碳匯損失，從而進一步加速氣候變化。
大西洋環流在遙遠的過去已經顯著減緩。在冰期，當覆蓋地球大部分地區的冰蓋融化時，淡水的湧入減緩了大西洋環流，引發了巨大的氣候波動。
那麼，我們什麼時候會看到這個臨界點？
最大的問題——大西洋環流何時會達到臨界點——仍然沒有答案。觀測的歷史不夠久遠，無法提供明確的結果。雖然最近的一項研究表明，傳送帶正在迅速接近其臨界點，可能在幾年內達到，但這些統計分析做了一些產生不確定性的假設。
相反，我們能夠開發出一種基於物理學的、可觀測的早期預警訊號，其中涉及大西洋南部邊界的鹽度輸送。一旦達到閾值，臨界點可能會在1到40年內出現。
我們的研究得出的氣候影響強調了這種突然的傳送帶崩潰的嚴重性。溫度、海平面和降水變化將嚴重影響社會，並且氣候變化在人類時間尺度上是不可阻擋的。
隨著地球變暖，擔心極端寒冷似乎有悖常理，但是如果主要的大西洋環流因湧入過多的融水而停止，這就是未來的風險。