综述：气泡在海气气体交换中的作用：批判性综述

《REVIEWS OF GEOPHYSICS》：The Role of Bubbles in Air-Sea Gas Exchange: A Critical Review

　　

海气气体交换调控着气候关键气体在海洋与大气之间的交换过程，塑造全球气候格局并驱动海洋生物地球化学循环。海表以下气泡通过提供平行于界面传输路径的额外通道增强该交换过程。尽管自20世纪80年代以来气泡对气体通量的作用一直存在争议，但近期实验室实验、现场观测与数值模拟的进展提供了新的认知。气泡介导的气体传输在三个关键方面区别于界面传输：（a）其与风速呈强非线性关系，这源于其与波浪破碎过程的耦合；（b）其依赖于气体溶解度，这是由气泡有限体积与短寿命决定的；（c）其通过浸没气泡的超压效应将平衡态向轻度过饱和偏移。这些特征使得气泡介导的气体传输难以量化，现有观测与模型显示气泡对海气二氧化碳和氧气交换的贡献存在约一个数量级的跨度。研究识别出三个关键知识缺口：（a）对近表层（0–1 m）气泡动力学认知有限，包括体积通量、粒径分布及演化过程，这些参数直接控制气泡介导气体交换的溶解度与扩散率依赖性；（b）缺乏覆盖全溶解度范围的统一现场约束；（c）缺乏将实验室结果外推至海洋环境的有效尺度转换方法。解决这些问题需要综合施策：结合近表层气泡观测与模拟、采用互补技术开展跨溶解度气体的现场气体交换观测，以及完善建模框架。

1 引言

海气间难溶气体（表1）如二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）、氧气（O₂）和二甲基硫（DMS）的交换对调节地球气候与海洋生态系统至关重要。全球海洋吸收约四分之一人为排放的CO₂，部分缓解全球变暖但也导致海洋酸化。准确理解海气气体交换是评估全球碳收支、预测未来气候与海洋环境、开发海洋碳移除（mCDR）等气候减缓策略的基础。本综述仅关注难溶气体，气泡介导传输对其有效，而对高溶性气体可忽略。难溶气体的海气交换主要受水侧扩散层限制，并受近表层湍流促进。风应力向海表输送动量，产生剪切层与表面湍流，驱动气跨海气界面的交换（即界面传输）。同时，风应力生成波浪，现场观测表明当10米高度风速（U₁₀）达4–5 m s^?1时波浪开始破碎。波浪破碎产生气泡并将空气卷入水中，提供气体交换的额外路径（即气泡介导的海气气体交换）。总气体传输速率（k）由界面传输分量（k_i）与气泡介导传输分量（k_b）组成，亨利定律溶解度（H）用于表征气水平衡浓度比，可转换为大尺度模型中常用的量纲化水相溶解度K₀。传统通量公式未显式包含气泡诱导的非对称传输通量。界面传输与气泡介导传输具有显著差异：首先，界面传输由风致剪切湍流驱动，传输速率与摩擦速度（u_*）呈近线性关系，进而与U₁₀相关；气泡介导传输则直接关联于波浪破碎这一能量耗散过程，与风速呈强非线性关系。其次，界面传输速率依赖于分子扩散系数（D）或施密特数（Sc），而气泡介导传输速率除扩散外还取决于气体溶解度——高溶性气体因气泡体积小而快速达到平衡，剩余寿命内交换基本停止，类似于短跑冲刺；难溶气体平衡慢，类似马拉松，虽瞬时通量低但累积传输量大。第三，界面传输发生在海平面压力下，完全平衡时饱和度为100%；而卷入气泡承受静水压力与拉普拉斯压力（表面张力引起），内部超压导致小气泡完全溶解，使气体交换偏向入侵方向，平衡态向轻度过饱和偏移。尽管两者性质迥异，传统通量公式未显式分离二者，应用于全球海洋通量估算时会引入显著不确定性，尤其在高风速条件下。自20世纪60年代起，理论与模拟研究、实验室实验及波浪破碎、气泡动力学、泡沫覆盖度观测逐步深化了对气泡介导传输的认知，惰性气体与N₂过饱和度观测、涡动协方差（EC）CO₂与DMS通量测量为量化传输速率与不对称性提供了关键约束。尽管进展显著，量化气泡介导传输仍具挑战性。本文聚焦气泡介导传输速率与气泡诱导过饱和度，按理论框架、实验室研究、现场观测、模型模拟的顺序展开论述，最后总结未解问题与未来方向，重点关注气候与生态意义显著的CO₂与O₂。

2 理论

2.1 气泡介导气体交换的理论框架

传统块体公式未显式考虑气泡贡献，为此发展出两个广泛使用的理论框架：Woolf框架与Keeling框架。Woolf框架将总传输速率分解为k_i与k_b，气泡压缩效应归因于超压因子δ或过饱和因子Δ_s，气泡介导通量与界面通量分别表达，总通量为二者之和。其中δ代表气泡内气体所受的相对超压，Δ_s代表无净交换时的平衡过饱和度，后者小于前者，因其反映气泡介导与界面传输的共同作用。该框架下所有气泡相关传输速率归于k_b，压缩效应归入δ或Δ_s，故k_b独立于气体饱和状态，对气体入侵与逸出相同。Keeling框架则将气泡相关交换速率与气泡诱导过饱和度嵌入饱和度依赖的传输速率中，分别定义纯入侵与纯逸出情景下的气泡介导传输速率，总通量由二者组合表达，对应过饱和因子可由公式导出。两框架数学等价，可通过纯入侵与纯逸出条件相互转换。区别在于物理诠释：气泡压缩提高泡内气体浓度，促进气体向入侵方向交换并使平衡向过饱和偏移，但并不改变湍流或分子扩散特性，因此不应影响传输速率本身。Woolf框架在动力学（k_b）与热力学效应（δ或Δ_s）的分离上更具物理透明性，而Keeling框架的研究也极大推进了对气泡诱导过饱和的理解。本综述主要采用Woolf框架，并明确标注所用研究的框架归属。

2.2 气泡介导气体传输与气泡动力学的关联

单气泡气体交换呈指数趋近平衡，平衡时间（τ_e）与溶解度成反比。对整个气泡羽流积分并结合气泡通量，总气泡介导传输速率可表达为关于气泡粒径分布Q(r)的函数。存在两个极限情形：若τ_e远大于气泡寿命τ_b（平衡慢），k_b正比于总气泡表面积通量S_b，此时气泡仅提供额外交换面积，传输行为类似界面传输，表现出施密特数依赖性；若τ_e远小于τ_b（平衡快），k_b正比于气泡体积通量V_b（亦称冲洗速率或空气夹带速率），且与溶解度成反比。过渡溶解度H_t分隔上述两 regime，其值取决于气泡体积与表面积之比，受粒径分布、穿透深度与行为控制。气泡诱导过饱和因子Δ_s依赖于超压因子δ及气泡贡献占比。δ由气泡穿透深度控制，小气泡穿透深、寿命长，对难溶气体过饱和度影响大；大气泡滞留浅层、快速上浮，主导高溶性气体交换。Laplace压力对超压的贡献仅在半径小于50 μm的微气泡中显著。理论框架为解读气泡介导传输特性奠定了基础。依据溶解度将难溶气体分为三类：最难溶气体（H ≤ 0.05）、中等溶性气体（0.05 < H < 5）与易溶气体（5 ≤ H < 500），分别对应不同传输机制。

3 实验室研究

实验室实验通过可控条件隔离关键变量，是揭示气泡介导机制的核心手段。按实验槽类型分类评述。

3.1 常风条件下线性风浪槽结果

传统线性风浪槽中风生波浪破碎强度有限。汉堡风浪槽的逸出实验首次发现，风速高于10 m s^?1时O₂传输速率显著高于CO₂，证实了气泡介导传输的溶解度依赖性及其对O₂的重要性。马赛设施因气泡生成不足，未观测到显著气泡效应，除非人工引入气泡。

3.2 人工引入气泡的槽体结果

为克服自然破碎不足，多项研究采用人工造泡。大型冲浪池实验显示最难溶与中等溶性气体传输速率随白帽覆盖率增加而显著提升。环形槽注气实验发现海水中的O₂传输强于淡水。专用白帽模拟槽实验明确了气泡的高效性及传输速率的溶解度依赖性，观测到入侵与逸出的显著不对称性：SF₆入侵速率比逸出高约50%，O₂高约5%，CO₂可忽略，对应过饱和度量级一致。马赛大型槽人工曝气后也观测到显著气泡效应，高浓度气泡羽流会降低难溶高扩散率气体的传输效率。喷射造泡水槽实验支持理论预测的过渡特征：最难溶气体区k_b依赖施密特数，较高溶气体区依赖溶解度；盐水传输强于淡水，过渡溶解度在盐水与淡水中分别为~0.06与~0.23。

3.3 环形风浪槽结果

环形槽无fetch限制，更利于模拟风致波浪破碎。大型环形槽气泡浓度比同等风速下线形槽高约一个量级，为研究气泡动力学提供了更好条件。

3.4 飓风条件线性风浪槽结果

京都高速风浪槽实验显示，风速超过~34 m s^?1后CO₂逸出速率陡增。使用两种溶解度气体的实验未发现低于~40 m s^?1时的显著差异，但低溶气体传输速率在高风速下可高出40%。涵盖更广溶解度范围的实验表明，淡水中k_b无明显溶解度依赖性；人工海水中最难溶气体k_b显著增强，CO₂类气体气泡贡献在U₁₀达68 m s^?1时仍低于10%，过渡溶解度与喷射槽结果一致。迈阿密SUSTAIN槽实验进一步表明，机械造波增强破碎后，风速低至10 m s^?1即可观测到显著惰性气体过饱和度，且随风速增加至~35 m s^?1后趋于平稳，符合理论预期。两类实验配置差异（纯风驱 vs 机械造波、纯逸出 vs 入侵主导）导致结果不可直接比较，凸显实验设置对量化的敏感性。

3.5 实验室实验的不确定性

气泡介导传输依赖于气泡动力学全过程，人工气泡与自然风生气泡行为迥异。线形槽fetch与深度受限，环形槽深度不足，均难以复现开阔大洋的波浪发展与深层气泡羽流（>1 m），而Langmuir环流等过程对难溶气体过饱和至关重要。自然交换常涉及双向通量，而实验室常采用单向实验。多数研究采用Keeling框架将气泡不对称性归入k，导致入侵与逸出速率差异。飓风实验的k值远超自然环境，可能涉及飞沫传输等新机制；且实验室与现场在高风速下的动量传输行为存在差异，制约了外推可靠性。

4 现场观测

现场观测是检验理论、评估实验与约束模型的基石。最难溶气体证据主要来自气体过饱和度，中等溶与易溶气体则主要依赖EC通量观测。

4.1 气体过饱和度测量

惰性气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe）过饱和度是最早的气泡介导证据。其溶解度跨一个量级，扩散率差约5倍，是量化气泡效应的理想示踪物。基于Keeling框架的分析显示，完全溶解微气泡与部分溶解大气泡的相对贡献在不同研究中差异显著（从>95%到约50%），可能源于方法差异及风浪条件改变粒径分布。另一种方法基于溶解气体存量变化反演气泡贡献，浮标与剖面浮标观测表明飓风条件下气体交换由气泡过程主导，非飓风环境也观测到O₂吸收超出无泡参数化预测，高分辨率N₂与惰性气体观测也支持此结论。该方法捕捉了气泡的综合影响，但无法直接约束k_b，且对背景交换与饱和态假设敏感，导致跨气体跨区域变率大。

4.2 涡动协方差观测

EC技术直接测量海气通量，是约束中等溶与易溶气体气泡效应的关键。DMS属于难溶但溶解度高于CO₂，气泡影响应极小，其传输速率k_{660_DMS}主要反映界面传输，与U₁₀呈近线性关系，散点源于测量误差及表面活性剂、对流等影响。高质量船载CO₂通量数据（经水汽交叉敏感校正）显示k_{660_CO2}与U₁₀呈近二次非线性增长，高风速下显著高于k_{660_DMS}，表明气泡贡献显著。由于温度敏感性相似，用Sc或H归一化结果几乎一致，本文采用Sc归一化以保持可比性。四航次同步观测显示k_{660_CO2}普遍高于k_{660_DMS}，差值Δk随风速增大，在U₁₀>10 m s^?1后显著。Δk与U₁₀³拟合优度较高，幂律拟合虽统计更优但物理一致性弱。摩擦速度与有效波高的乘积（u_*H_s）对Δk的解释力最强，表明海况参数是比风速更本质的控制因子。基于四航次数据的经验参数化可为平均状态提供参考。

4.3 现场观测的不确定性

过饱和度方法对惰性气体溶解度测量精度、物质平衡闭合度敏感，且将最难溶气体结论外推至CO₂需谨慎，因溶解度依赖性可能剧变。EC观测虽证实DMS气泡效应可忽略、CO₂效应显著，但个别航次未显示差异，且CO₂的k₆₆₀与双示踪剂（³He/SF₆）结果相近的原因尚未明晰，可能与气泡羽流内间隙水气体含量变化有关。现有双示踪剂数据在高风速段稀少，限制了约束能力。气泡测量的缺失是普遍局限，亟需加强直接观测以衔接实验与模型。

5 模型

气泡介导传输模型包含溶解度/施密特数依赖性与气泡体积通量两大核心。主要分为物理模型与经验模型。

5.1 气泡动力学

物理模型需耦合气泡动力学。波浪破碎统计（如破碎波峰长度分布Λ(c)）控制空气夹带，其高阶矩对应白帽覆盖率（W）与气泡体积通量V_b。气泡主要通过射流夹带与空腔坍缩两种机制生成，粒径谱以Hinze尺度（~1 mm）分界：超Hinze气泡受湍流破碎控制，服从-10/3幂律；亚Hinze气泡受表面张力稳定，服从-3/2幂律。虽然超Hinze气泡数量少，却主导体积与表面积。气泡羽流形成后，在浮力上升、湍流悬浮与气体溶解共同作用下演化，表层浅层羽流主导气体交换，Langmuir环流可将小气泡输运至深层，贡献难溶气体过饱和但对CO₂影响甚微。气泡穿透深度、上升速度、单气泡传输速率等关键参数仍缺乏约束，表面活性剂使“脏”气泡传输率远低于“清洁”气泡，而海洋表层普遍存在表面活性物质，增加了模型不确定性。

5.2 物理模型

早期物理模型奠定了理论基础。Woolf模型显式耦合气泡动力学与气体交换，理论预测k_b在最低溶区∝ Sc^?0.5，较高溶区∝ H^?1，过渡溶解度~1.5，与实验室趋势吻合。后续更新结合现场气泡观测与EC数据优化了Δ_s与V_b参数化，已被纳入COAREG算法。Keeling模型聚焦半径>500 μm的大气泡，认为其主导中等溶气体（如CO₂）交换，预测k_b ∝ H^?0.3Sc^?0.35，无明显过渡溶解度，其V_b参数化远低于Woolf模型。Deike等发展的海况依赖模型，利用实验室与EC数据约束系数，扩展了原框架以包含完全溶解气泡的贡献。Liang等的大涡模拟模型成功再现了深海惰性气体过饱和度，但假设k_b统一遵循Sc^?2/3标度，未显式考虑溶解度依赖性。

5.3 经验模型

经验模型基于观测约束，不解析气泡动力学。一类利用宽溶解度范围气体的实验室传输速率数据，如Asher等基于白帽模拟槽数据建立的参数化，但拟合系数导致最低溶气体k_b非物理下降及过大Δ_s；Mischler与Krall等的实验则支持了理论渐近行为，并量化了过渡溶解度，其模型预测典型海况下气泡贡献极低。另一类利用现场过饱和度数据，如Stanley等基于百慕大时间序列惰性气体数据，约束了完全与部分溶解气泡的贡献比例；Vagle等基于N₂/O₂数据、Ito等基于全球Ne均值进行了参数化，但结果差异大。第三类利用EC的CO₂与DMS数据，Yang等通过最小二乘法分离k_i与k_b，Dong等进一步联合气泡观测约束了CO₂的Δ_s。此类模型对特定气体约束有力，但未解析溶解度依赖性，外推需谨慎。

5.4 模型的不确定性

各模型预测的k_b与Δ_s可相差一个量级，即使近十年更新的模型离散度减半，仍有半数量级差异。核心不确定性源包括：气泡粒径分布的现场实测匮乏，导致过渡溶解度预测差异巨大；白帽覆盖率W的参数化分歧及其与V_b的转换关系不确定；表面活性剂对单气泡传输速率的抑制效应未被现有“清洁气泡”模型充分考虑；实验室到现场的的外推缺乏可靠尺度转换关系，线性槽与环形槽气泡浓度差异即反映了fetch的影响。

6 知识缺口与未来研究方向

6.1 共识与分歧

对最难溶气体（如O₂），气泡贡献重要已成共识，但具体量级仍存近一个量级的不确定性。对易溶气体（如DMS），共识认为气泡效应可忽略。对中等溶气体（如CO₂），作用仍存激烈争论：强人工造泡实验显示显著效应，但自然风驱线形槽实验显示微弱；EC观测总体支持显著贡献，但个别航次例外；模型预测跨度大。需注意本文溶解度分类均为相对难溶范畴。

6.2 关键知识缺口

首要缺口是气泡动力学与过渡溶解度认知不足。粒径分布、体积通量、演化过程的现场约束匮乏，导致溶解度依赖性函数形式不确定，直接影响跨气体外推能力。若CO₂溶解度高于H_t，则其k_b∝V_b/H，重要性取决于V_b；若低于H_t，则k_b弱依赖H而主要依赖Sc，或可解释CO₂与示踪剂结果相近的现象。第二缺口是缺乏跨溶解度类别的统一现场约束。目前过饱和度法与EC法分别约束最低溶与中等溶气体，二者协同观测与理论衔接的研究稀缺。第三缺口是实验室到现场的外推机制不明。fetch与水深对气泡生成的调控机理不清，缺乏连接不同实验装置与真实海洋的尺度转换框架。

6.3 未来研究优先方向

鉴于气泡过程对全球碳氧循环及海洋碳移除的重要性，未来应优先开展：综合高风速现场计划，同步观测近表层气泡动力学、多溶解度气体通量（双示踪剂、EC、过饱和度）；深化实验室机理研究，量化fetch与水深的作用，建立实验室-现场衔接的尺度转换框架；完善模型框架，利用新观测优化气泡动力学模块，发展统一溶解度谱的预测模型；推进传感器技术，扩展EC技术至最难溶气体（如CH₄、O₂），研发极端海况下的近表层观测技术，以支持模型验证。