海洋中微小的浮游植物的色素使海洋至现出蓝与绿的基色，卫星得到的不断变化的海洋颜色的图像可以大大加深人们对温室效应过程的理解。

1978年10月下旬，一枚火箭在美国加利福尼亚范登堡空军基地升空，它上面的“雨云7号”卫星携带着一些将使海洋生物学发生革命性变革的仪器，其中之一是“海岸区域颜色扫描仪”（CZCS）。这台扫描仪的工作就是检验人们能否从空间观测海洋颜色的变化。卫星8年工作期间发回的大量图像显示出的海洋流动性远比任何人想象的剧烈得多，海洋在全球碳循环中所起的作用也比任何人想象的更为重要。现在科学家们认识到首批从卫星获得的图像所显示出的色彩纷呈的海洋情况对于了解地球气候在今后数十年的变化起着关键性的作用。

出海航行或从飞机上欣赏过海洋的人都知道海洋绚丽的景象是由各种不断变化的色彩拼出的。洁净的热带海域海水呈蔚蓝色；海岸地区的海水呈灰绿色，这两种颜色只是海洋色谱的两个极端。对于大部分海洋来说、由于不受陆地河水的影响，海水颜色的变化是由那些构成海洋食物链最低层的、四处飘荡的微小有机物——浮游植物的色素浓度变化引起的。海洋的颜色与浮游植物的繁殖率直接相关。

浮游植物通过光合作用得到的有机物是其它各种海洋生物——从最小的海洋动物到最大的鲸鱼维持生存所必的。同时光合作用还将溶解于海水中的无机碳还原成有机碳。鉴于光合作用在海洋的生物过程中起着极端重要的作用，因此光合作用的速度被称为“初级生产率”。

除了维持海洋其它生物的生存外，浮游植物在全球碳循环中还起着重要的地球化学作用。它们从上层海水中吸收无机碳以后将其转化为有机碳，其中一部分有机碳会逐渐沉到海底。因此，浮游植物清除了上层海水中的碳，造成了上层海水中的碳不足，这种碳不足可以通过吸收大气中的'二氧化碳而得到补充。只有在了解这一“生物泵”的工作机制后才有可能准确地预测大气中的二氧化碳的浓度在今后几十年中将会如何变化，进而预测气候变化情况。

在过去的一个世纪中，海洋生物学家的中心目标之一是测定、理解并最终预测海洋“初级生产率”的变化。鉴于大气中二氧化碳浓度的不断增加及全球温室效应日益明显，对初级生产率的研究变得更加紧迫。海洋生物学家们已研制出一系列测定初级生产率的技术，但都涉及到要在海洋观测船上进行测量，尽管这些方法对于弄清诸如日光及营养物浓度等因素对光合作用的影响是不可缺少的，但它们对于测定大面积海域内的初级生产率，对于测定长时间内的初级生产率变化情况还显得不够。要想预测海洋在全球碳循环中的作用，就必须了解初级生产率是如何随时间变化的。

25年前，马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的汉瑞 · 斯托麦尔就指出：对海洋过程进行观测研究时，保证观测规模与所研究的海洋学过程的变化规模相适应是极其重要的。浮游植物的浓度随时间和地点的变化是在许多不同尺度上发生的，因此初级生产率的变化也发生在许多不同尺度之上。海洋观测船一般行驶缓慢，而且通常每天只在一个地点采样，这样，在用海洋测量船进行测量时，只能沿着航线大约每隔400公里进行一次测量。地球上的海洋面积大约为三亿六千万平方公里，即便浮游植物的浓度不变，要进行一次全球性调查也将花费巨大的力量。更何况浮游植物是活的有机体，其浓度根本不是固定不变的。海洋是一个不断变化的动态流体环境。生物的生长、摄食和死亡等生物过程以及洋流运动一类的物理过程使得浮游生物处于不断变化的状态。对于试图通过观测船的取样来测定海洋生物在全球碳循环中的作用的方法，就像试图对每个城市的人口进行抽样调查（假设需要整整一代人的时间）来确定全球人口状况：等到一个城市的人口调查清楚后，上一个城市的人口早已变了样。

海洋浮游植物完成一代循环大约需要2~5天，因此，对全球海洋的生产率进行估测的唯一有效方法就是要在2~5天内完成对地球全部海洋表面的观测，这样庞大的任务只有借助在空间轨道运行的仪器才能得以实现。

早在60年代末和70年代初，一些海洋学家就开始考虑通过遥感观测海洋颜色来研究浮游生物浓度的变化。射到海洋表面的阳光被海水吸收的多少与上层海水中溶解的物质及微粒的种类有关。尤其是来自浮游植物或其残骸的色素浓度影响着海洋颜色的变化。生物很少的海洋其颜色呈深蓝即纯净的海水的颜色。靠近海岸的海域具有较高的初级生产率，其中的浮游植物的叶绿素和其它植物色素使海水呈绿色。一些海洋学家认为，观测海洋的颜色为估计海洋浮游植物的浓度及初级生产率提供了一种新方法。

遗憾的是，这个方法道理虽简单，要想实现却不容易，轨道上的颜色扫描仪中的传感器所收到的光信号主要是被大气中的微粒和分子所散射的，而不是被海洋表面反射回的。科学家们必须找到滤去大气中产生的光信号，留下只来自海洋的光信号的方法。迈阿密大学的霍华德 · 高登和法国海洋学家安德烈 · 莫瑞尔曾提出一种“大气校正法”。这种校正法的早期形式比较简单，但不适于高纬度地区。最新的大气校正法考虑了一些复杂物理过程对大气光信号的影响，因而准确得多。

滤去来自大气的光信号以后，余下的问题就是估计出有多少信号来自植物色素，有多少信号来自海水中的其它分子。加州大学的瑞 · 史密斯与全美国家海洋与大气总署的戴尼斯 · 克拉克参考有关海水光学性质的资料以及由观测船获得的色素浓度数据，计算出海水发出的绿光与蓝光的辐射强度相对值与植物色素浓度的关系，并由此得出了预测海水表面附近色素浓度的方程式。

卫星得到的是那些先向海洋深处传播，受到水中微粒散射后又向上传播的光，由上述方程式得出的色素浓度是一定深度（开阔海域为几十米，靠近海岸处更浅）范围的加权平均值。由于浮游植物的光学性质是变动的，所以由卫星测量得出的海洋色素值的误差达30%甚至100%。而根据测量船在海平面测量得出的色素值要准确得多，其误差在5%以内。可在短时间内测量大片海域的优势弥补了卫星测量精度较差的缺陷。海岸区域颜色扫描仪记录下来的68，000张图片中，每一张都反映着面积达200万平方公里的海域情况。根据这些图片可以计算出每一平方公里中未被云遮住的海域内的色素量。因此，通过每张图片得到的数据比测量船得到的海域情况的数据要多几个数量级。

经过对海岸区域颜色扫描仪所获得的全部数据分析后，绘出了许多海洋色素浓度图_有些是单一海域图，有些是由代表着世界海洋的某一部分或全部海洋在几周或几年时间内的色素浓度平均值数据绘成的合成图。人们一直对色素量与初级生产率以及其它一些因素如海洋表面的温度及射到海面上的阳光量之间相互作用的模型进行改进、完善。下一步就是要估计出海洋有机碳总量中有多大一部分又从上层海域中分离而沉到深海中。

卫星的观测结果大大加深了我们对制约海洋初级生产率变化的各种过程的了解，也使我们更进一步认识到各局部海域中的有机物在全球碳循环中所起的作用。这方面的第一个发现就是高纬度海域的浮游生物在春季出现“繁盛”景象。海洋学家们早就知道：在温带地区和高纬度地区海岸附近的海域中，冬季的狂风和洋流引起的波涛使深处海水所含的丰富营养物升到水面附近。海洋在春季时逐渐变暖并相对稳定。日照时间变长，浮游植物利用此时丰富的营养物迅速繁殖，导致数量剧增。

但浮游植物大量繁殖的地理范围之广则是没有人曾预测到的。有人把这种增殖称为地球上最强的生物信号。大部分在春季增殖高峰期中产生的浮游植物很快沉到海洋深处。海洋中水循环的特点之一是深处海水可在长达数千年的时间内都不浮到海面上与大气接触，因而春季产生的海洋浮游植物成了大气中二氧化碳的一个主要的“陷阱”。由于浮游植物在春季增殖的幅度很大，所以这个陷阱的规模也比任何人所曾预料的要大得多。

这些空间观测结果对于科学家们制定观测船实验计划已起到了帮助作用。这些实验将大大增进人们对那些造成浮游植物春季剧增的因素的了解。1989年春，西德、英国、加拿大、荷兰和美国等五国联合进行了一项试验性研究，这只是“全球海洋流量联合研究（JGOFS）”的一个开端，这一计划将至少持续十年之久，其目的是为了弄清并预测碳及其它生物元素在全球海洋中的变化情况以及它们与大气和深层海水间交换的方式。

由于颜色扫描仪对海洋可进行全球观测，它已获得了一些意外的发现。其中引人注目的一个发现是：在太平洋上沿着赤道有一条十分清晰的颜色线，这条线看起来就像是一个人用画笔顶在地球仪上后转动地球仪而画出的。由于地球的自转作用，沿着赤道的东向风使表层海水出现分流：赤道以北的海水向北流；赤道以南的海水向南流。深层富含营养物的海水于是浮到海面以补偿流向两极的海水，造成沿赤道一带的浮游植物迅速繁殖。海洋学家们现在还只是刚刚开始认识到赤道一带具有高度生物生产率的海域是多么广阔，同时他们也刚刚认识到赤道一带的海洋在全球碳循环中起着何等重要的作用。

科学家们得出的北大西洋地区和太平洋中位于赤道附近的海域内浮游植物的变化规律仅是应用从空间对海洋进行颜色观测获得成功的两个例子。而这些恰与全球碳循环密切相关，但这只利用了海岸区域颜色扫描仪8年工作期间获得的大量数据的皮毛而已，毫无疑问，人们将从其它数据中获得更多令人吃惊的东西。

可遗憾的是，为发射另一台颜色传感器的各种努力到目前为止均未成功。美国国家宇航局（NASA）计划在90年代初将若干海洋颜色传感器送入轨道，与计划定于90年代后期发射的“地球观测系统”一并进行工作。日本国家空间开发署（NASDA）计划在1996年用ADEOS卫星将一台海洋颜色和温度传感器送入轨道。

这类观测活动的必要性是无法估量的。海洋是地球上最大的碳储藏库。弄清海洋是如何吸收大气中的二氧化碳是一项应优先考虑的课题。海洋浮游植物在这一过程中起着关键作用。只有从外层空间这一居高临下的优越位置对海洋进行观测，才有可能理解丼预测海洋在决定地球未来气候中所起的作用。

南大洋是一片广袤无垠但不适于研究考察的海域。由于缺少大块的陆地，洋面上常巨浪滔天，极大地限制了观测船的工作。但卫星观测却能克服地理和气候带来的种种不便，实现对南大洋海洋现象和过程的分析。

南极洲的环极洋流是地球上仅有的绕整个地球流动的洋流。这种环流的影响可以从反映南大洋生物特性的第一幅空间鸟瞰图上明显地看到：不同浓度的浮游植物色素形成了许多绕南极洲的同心圆。色素浓度的差异反映了海面洋流的聚合与分离。

南大洋在全球碳循环中起着重要的作用，但在这—地区的生物过程促使碳从大气进入深海的规模尚不清楚。然而根据这些鸟瞰图资料，参考其它来自卫星传感器及测量船获得的资料，可以计算出这一规模的大小。将来，科学家们将更多地依靠这类数据而免受远洋航行的颠簸之苦了。

[New Scientist，1989年10月7日］