Turbulens fra havbundens topografi kan forklare mangeårige spørgsmål om havcirkulation

På høje breddegrader, f.eks. i nærheden af ​​Antarktis og polarcirklen, havets overfladevand afkøles af frigide temperaturer og bliver så tætte, at de synker et par tusinde meter ned i havets afgrund.

Havvand antages at flyde langs et slags transportbånd, der transporterer dem mellem overfladen og dybet i en uendelig sløjfe. Imidlertid, det er stadig uklart, hvor det dybe vand stiger til overfladen, som de i sidste ende skal. Disse oplysninger ville hjælpe forskere med at vurdere, hvor længe havet må lagre kulstof i dets dybeste områder, før det returneres til overfladen.

Nu er forskere fra MIT, Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), og University of Southampton i U.K. har identificeret en mekanisme, hvormed vand kan stige fra havets dybder til dets øverste lag. Deres resultater offentliggøres i dag i tidsskriftet Naturkommunikation .

Gennem numerisk modellering og observationer i det sydlige ocean, teamet fandt ud af, at topografiske funktioner såsom sømounts, kamme, og kontinentale margener kan fange dybt vand fra at migrere til fladere, roligere dele af havet. Undersøiske kløfter og klipper genererer turbulente strømme, ligner vind, der pisker mellem en bys skyskrabere. Jo længere vand der er fanget blandt disse topografiske træk, jo mere det blander sig med de øverste lag af havet, hvirvler sig tilbage mod overfladen.

"I det afgrundsdybe hav, du har 4, 000 meter havbjerge og meget dybe trug, op og ned, og disse topografiske funktioner hjælper med at skabe turbulens, "siger Raffaele Ferrari, Cecil og Ida Green professor i oceanografi i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber. "Det ser ud til at dukke op er, at vand kommer tilbage fra afgrunden ved at bruge meget tid på disse steder, hvor turbulens er virkelig stærk."

At vide, at der er hotspots, hvor dybt vand vender tilbage til overfladen, kan hjælpe forskere med at identificere områder, hvor kulstof, en gang absorberet fra atmosfæren og lagret dybt i havet, stiger og frigives tilbage til atmosfæren.

"Den generelle forståelse er, at det tager få til flere tusinde år at vende tilbage til et afgrundsvand, "siger hovedforfatter og MIT postdoc Ali Mashayek." Hvis en betydelig mængde af sådan opstandelse sker hurtigt langs skrå grænser, kontinentale margener, og midthavsrygge, så kan tidsplanen for genbrug af afgrundsvand være kortere. "

Ferrari og Mashayeks medforfattere er Sophia Merrifield, en MIT -kandidatstuderende; Jim Ledwell og Lou St. Laurent fra WHOI; og Alberto Naveira Garabato fra University of Southampton.

Effekten af ​​10 pærer

I kolde polarområder, den mængde vand, der konstant synker til det dybe hav, anslås at være "omkring 107 kubikmeter i sekundet - 50 gange transporten af ​​Amazonfloden, "Siger Ferrari.

I 1966, den anerkendte oceanograf Walter Munk tog fat i puslespillet om, hvordan alt dette dybe vand vender tilbage til overfladen, foreslår, at lille havturbulens kan drive tungt, dybt vand for at blande og hæve. Denne turbulens, han stillede, har form af at bryde indre tyngdekraftsbølger, der bevæger sig mellem vandlag med forskellige tætheder, under havets overflade.

Munk beregnet den blandingskraft, der skulle genereres ved at bryde indre tyngdekraftsbølger for at bringe alt havets dybe vand tilbage til overfladen. Nummeret, Ferrari siger, svarer til "cirka 10 glødelamper pr. kubik kilometer af havet."

Siden da, oceanografer har identificeret begrænsede områder, såsom sømønstre og kamme, der skaber turbulens svarende til, hvad Munk teoretiserede.

"Men hvis du opsummerede de få steder, du syntes ikke at komme op på det nummer, du havde brug for for at bringe alt det vand tilbage, "Siger Ferrari.

Gør passage

I februar 2009, samarbejdspartnere fra WHOI indsatte et sporstof i det sydlige hav, omkring 1, 000 miles vest for Drake Passage, som en del af et projekt kaldet DIMES (Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean) for at analysere blanding af havvand.

"De frigav en klat farvestof, som en dråbe mælk i en kaffekop, og lad havet blande det rundt, "Siger Ferrari.

Over to år, de tog stikprøven på forskellige stationer nedstrøms fra, hvor den blev frigivet, og fandt ud af, at den oplevede meget lidt turbulens, eller blanding, i dele af havet med få topografiske træk. Imidlertid, når sporeren krydsede Drake Passage, den stødte på sømønstre og kamme, og "pludselig det begyndte at spredes i lodret ret hurtigt, tre gange den sats, Munk forudsagde, "Siger Ferrari.

Hvad drev denne accelererede blanding? At finde ud af, holdet, ledet af Mashayek, udviklet en numerisk model til at simulere regionen i det sydlige ocean - ingen lille opgave, da det var uklart, om en sådan model kunne have en høj nok opløsning til at gengive et sporers små bevægelser midt i en stor mængde havvand.

"Jeg lavede nogle indledende beregninger, bag på konvoluttens skøn, og indså, at vi ville have lige nok opløsning til at kunne gøre det, "Husker Mashayek.

Et sporstof, fanget

Forskerne brugte MIT's generelle cirkulationsmodel - en numerisk model designet til at studere Jordens atmosfære, ocean, og klima - som deres ramme, og programmerede i det alle de ydre kræfter, der vides at eksistere i det sydlige hav, herunder vindmønstre, solvarme, fordampning, og nedbør. De arbejdede derefter målinger fra DIMES -eksperimentet i modellen og ekstrapolerede turbulensen over hele havområdet, givet den underliggende topografi.

Holdet placerede derefter et sporstof i sin model på det samme sted, hvor den virkelige sporstof blev frigivet i det sydlige hav, og bemærkede, at Ja, det spredte sig lodret, i samme hastighed, som forskerne observerede i feltet, beviser, at modellen repræsenterede det virkelige havs turbulens.

Ser man nærmere på deres simuleringer, forskerne observerede, at regioner med topografi som sømounts og kamme i det væsentlige fangede sporstoffet i lange perioder, buffeterer og blander det lodret, før sporeren slap ud og drev gennem roligere farvande.

Forskerne mener, at den turbulens, der opstår i disse isolerede regioner over lange perioder, kan måle sig med den samlede mængde blanding, som Munk oprindeligt forudsagde. Denne blandingsproces kan således forklare, hvordan vand i det dybe hav svulmer op til overfladen.

"Blanding-induceret upwelling er globalt relevant, "Siger Mashayek." Hvis vores fund i det sydlige ocean strækker sig til andre blandingshotspots rundt om i verden, så vil det noget omforme vores forståelse af rollen som turbulent blanding i havets omkreds. Det har også vigtige konsekvenser for parameterisering af blandingsprocesser i klimamodeller. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.