Et polynya, eller en åbning i havisen, var til stede i det sydlige ocean i 1970'erne. Dette billede viser haviskoncentrationen i gennemsnit over tre septembermåneder 1974-1976 under Weddell Polynya, lavet med data fra NIMBUS-V satellitten fra National Snow Ice Data Center. Kredit:University of Pennsylvania
I 1974, billeder erhvervet fra NOAA-satellitter afslørede et gådefuldt fænomen:en 250, 000 kvadratkilometer åbning i vinterhavisen i Weddellhavet, syd for Sydamerika. Åbningen, kendt som en polynya, varede i tre vintre. Sådanne ekspansive isfrie områder i havet omkring Antarktis er ikke set siden, selvom en lille polynya blev set sidste år.
I en ny analyse af klimamodeller, forskere fra University of Pennslyvania, Spaniens Institut for Havvidenskab og Johns Hopkins Universitet afslører de betydelige globale virkninger, som disse tilsyneladende unormale polynyer kan have. Deres resultater indikerer, at varme, der slipper ud fra havet gennem disse åbninger, påvirker havets og atmosfæriske temperaturer og vindmønstre rundt om på kloden og endda nedbør omkring troperne. Selvom denne proces er en del af et naturligt mønster af klimavariabilitet, det har betydning for, hvordan det globale klima vil reagere på fremtidig menneskeskabt opvarmning.
"Denne lille, isoleret åbning i havisen i det sydlige ocean kan have betydelige, store klimakonsekvenser, " sagde Irina Marinov, en undersøgelsesforfatter og adjunkt i Penns Department of Earth and Enviromental Science i School of Arts &Sciences. "Klimamodeller tyder på, at i år og årtier med et stort polynya, hele atmosfæren varmer globalt, og vi ser ændringer i vindene på den sydlige halvkugle og et skift mod syd i det ækvatoriale regnbælte. Dette kan tilskrives polynyen."
Undersøgelsen fremgår af Tidsskrift for Klima . Marinov var medforfatter til arbejdet med Anna Cabre, en tidligere postdoc i Marinovs laboratorium og nu oceanograf ved Institut for Havvidenskab i Barcelona, og Anand Gnanadesikan, en professor ved Institut for Jord- og Planetvidenskab ved Johns Hopkins.
Typisk, det sydlige ocean er dækket af is under den sydlige halvkugles
vinter. Polynyer opstår, når varmt underjordisk vand af nordatlantisk og ækvatorial oprindelse blandes lokalt med koldt overfladevand, en proces kendt som åben-hav konvektion.
Indtil for nylig, klimaforskere og oceanografer mente, at atmosfæriske og havforhold omkring troperne var de primære drivkræfter i at påvirke forholdene uden for troperne. Men i de sidste par år, Marinov og samarbejdspartnere og andre har vist, at det modsatte også er tilfældet:Det sydlige Ocean spiller en vigtig rolle i at påvirke klimaet på tropisk og nordlig halvkugle.
I det nuværende arbejde, Marinov og kolleger brugte kraftfulde modeller, der simulerer fortidens og fremtidens klima til at bestemme, hvordan virkningerne af polynya bølger ud over hele kloden.
Deres model indikerede, at polynyer og medfølgende konvektion i åbent hav forekommer omtrent hvert 75. år. Når de opstår, forskerne observerede, de fungerer som en udløsningsventil for havets varme. Ikke alene varmer nærområdet, men der er også stigninger i overordnede havoverflade- og atmosfæriske temperaturer på hele den sydlige halvkugle og, i mindre grad, den nordlige halvkugle, såvel.
Ændringer i nord-sydlige temperaturgradienter fører også til ændringer i vindmønstre.
"Vi ser et fald i det, vi kalder den sydlige halvkugles vestlige områder og ændringer i passatvinde, " sagde Marinov. "Og disse vinde påvirker storme, nedbør og skyer."
Blandt disse ændringer i nedbør er et skift i den intertropiske konvergenszone, et ækvatorialbælte, hvor passatvinde konvergerer, hvilket resulterer i intens nedbør. Når der opstår en polyny, dette regnbælte bevæger sig et par grader sydpå og bliver der i 20 til 30 år, før det skifter tilbage.
"Dette påvirker vandressourcerne i, for eksempel, Indonesien, Sydamerika og Afrika syd for Sahara, " sagde Marinov. "Vi har en naturlig variation i klimaet, der kan være, blandt andre effekter, påvirker landbrugsproduktionen i tæt befolkede regioner i verden."
I betragtning af disse omfattende implikationer af et fænomen i det sydlige ocean, Marinov understreger behovet for at øge overvågningen i regionen. Hun er en del af en indsats kaldet SOCCOM, for kulstof- og klimaobservationer og modellering i det sydlige Ocean, at placere robotflydere i det sydlige ocean for at indsamle data om havets temperatur, saltholdighed, kulstof, næringsstoffer og ilt.
"Vi opfordrer også folk til at holde et vågent øje med satellitterne for at lede efter andre polynyer, i år og fremover, " sagde Marinov.
Tidligere forskning fra Marinovs gruppe og samarbejdspartnere antydede, at under klimaændringer, polynyer kan blive mindre hyppige. Når havisen smelter, frisker den det øverste lag af havoverfladen op, hvilket gør den lettere og mindre tilbøjelig til at blande sig med det tungere bundvand. Marinov bemærker, at det faktum, at ingen væsentlige polynyer åbnede sig fra midten af 1970'erne til sidste år, kan have bidraget til den såkaldte "klimahiatus" i slutningen af 1990'erne og begyndelsen af 2000'erne, da globale gennemsnitlige overfladetemperaturer så ud til at gå i stå i deres ellers vedvarende opadgående stigning.
"I denne pauseperiode blev unormale mængder varme lagret i havvandene under overfladen," sagde Marinov. "Det meste forskning har tilskrevet denne pause til en længere La Niña-periode, resulterer i en lagring af varme i Stillehavet på den lave breddegrad. Men jeg tror, at mangel på en Weddell Sea polynya også bidrog, lagre mere varme i det sydlige ocean og forhindre yderligere frigivelse af varme til atmosfæren."
Arbejdet rejser mange nye spørgsmål, såsom hvordan en faldende udbredelse af havis, inklusive den nylige afbrydelse af en massiv del af den antarktiske halvø, vil påvirke hyppigheden af polynyer, og hvordan tilstedeværelsen eller fraværet af polynyer vil påvirke, hvor meget atmosfæriske temperaturer opvarmes som reaktion på menneskeskabte klimaændringer.
"Denne undersøgelse af polynyer og konvektion i det sydlige ocean viste sig at være en meget vigtig og interessant historie for det globale klima, som vi tror, at mange mennesker vil studere i det næste årti, " sagde Marinov.