Dybt vand spiraler opad omkring Antarktis

Siden kaptajn James Cooks opdagelse i 1770'erne, at vand omfattede jordens sydlige breddegrader, oceanografer har studeret det sydlige ocean, dens fysik, og hvordan det interagerer med den globale vandcirkulation og klimaet.

Gennem observationer og modellering, videnskabsmænd har længe vidst, at store, dybe strømme i Stillehavet, Atlanterhavet og det indiske ocean strømmer sydpå, konvergerer mod Antarktis. Efter at være kommet ind i det sydlige Ocean vælter de - bringer vand op fra det dybere hav - før de bevæger sig tilbage mod nord ved overfladen. Denne væltning fuldender den globale cirkulationsløkke, som er vigtig for oceanernes optagelse af kulstof og varme, genforsyning af næringsstoffer til brug i biologisk produktion samt forståelsen af, hvordan ishylder smelter.

Alligevel var den tredimensionelle struktur af de veje, som disse vandpartikler tager for at nå det sydlige Oceans overfladeblandede lag og deres tilhørende tidsskalaer dårligt forstået indtil for nylig. Nu har forskere fundet ud af, at dybt, relativt varmt vand fra de tre havbassiner kommer ind i det sydlige ocean og spiralerer sydøstpå og opad omkring Antarktis, før det når havets blandede lag, hvor det interagerer med atmosfæren.

Forskerholdet omfatter forskere fra MIT, Scripps Institution of Oceanography, Princeton University, Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Los Alamos National Laboratory, University of Washington, og NASA's Jet Propulsion Laboratory. Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , afslører også, at stærke hvirvler, forårsaget af topografiske interaktioner på fem steder i det nuværende cirkulerende Antarktis, spiller en stor rolle i denne opvoksningsproces. Forskerne var desuden i stand til at bestemme, hvor meget vand fra hvert havbassin, der udgjorde det, de kalder denne "vindeltrappe, " og tror, ​​at denne rejse sker meget hurtigere, end tidligere skøn antyder.

I det sydlige Ocean, stærke hav-atmosfære-interaktioner og hvirvler driver i høj grad opstrømning, forskere har fundet. Vestlige vinde, der kredser omkring Antarktis, blæser koldt, kuldioxid-rigt overfladevand nordpå fra kontinentet over den antarktiske cirkumpolære strøm (ACC). ACC flyder rundt om den nordlige kant af det sydlige ocean og er ikke kun verdens stærkeste strøm, men også den eneste store strøm, der cirkulerer kloden uhindret af kontinenter. Meget af det kolde vand kommer fra issmeltning, forårsaget af varmere, næringsrige farvande, der kommer ind i ACC i dybden og gradvist vokser op fra omkring 1, 000-3, 000 meter dyb.

Observationer af det sydlige oceans temperatur og saltholdighed gav fingerpeg om strukturen af ​​denne væltning, men det var først for nylig, at computermodeller var sofistikerede nok til at køre realistiske simuleringer, giver forskere mulighed for at undersøge, om og hvordan opstrømning varierer i tredimensionelt rum, og hvad der styrer opstrømningsstrukturen. For at undersøge disse spørgsmål, forskerne brugte tre atmosfære-hav-modeller, i stand til at fange kritiske træk ved oceanisk cirkulation, der forekommer i små skalaer. De fulgte derefter virtuelle vandpartikler, hvorfra de kom ind i det sydlige Ocean omkring 30 syd og mellem 1, 000 og 3, 000 meter dybt til hvor de krydsede grænsen mellem det blandede lag, som blev anset for at være 200 meter dyb. De anvendte betingelser i klimamodelforsøgene var nogenlunde konsistente med forholdene i år 2000; disse blev derefter kørt i 200 år i denne evige tilstand. I løbet af denne tid blev virtuelle vandpartikler frigivet i modellerne.

"Vi sporede millioner af disse partikler, mens de voksede op. Derefter kortlagde vi deres veje, og vi kan bestemme ... og adskille volumentransporten - hvor meget vand der flyttes - af disse strømme. Så, vi er i stand til at sammenligne, hvor vigtige disse forskellige regionale veje er, "siger medforfatter Henri Drake, en kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS), og medlem af programmet i atmosfærer, Oceaner og klima. De noterede også den tid, det tog partiklerne at nå det blandede lag samt steder med forbedret opstrømning.

Deres analyse afslørede, at vandpakkerne havde en tendens til at flyde sydpå, primært langs vestlige og østlige grænsestrømme i Atlanterhavet, indisk, og Stillehavet, hvor de kom ind i ACC-sporingen med tæthedsoverflader. Interaktioner mellem ACC og hvirvler omkring undervandsterræn spillede også en vigtig rolle i opstrømningsprocessen.

"I det dybe hav, vandpakker følger tæthedsoverflader … som starter rigtigt dybt ude, hvor vi frigiver partiklerne og derefter bliver mere lavvandede, når du går sydpå, " siger Drake. "Så hvis du har en partikel, der rejser sydpå langs overfladen med samme tæthed, det kommer til at blive højere i vandsøjlen, indtil til sidst densitetsoverfladen skærer med det blandede lag. "

Derudover fem store topografiske steder i ACC - Southwest Indian Ridge, Kerguelen -plateauet, Macquarie Ridge, Stillehavs-antarktiske højderyg, og Drake Passage – skabte områder med turbulens og høj kinetisk energi, som var med til at vælde størstedelen af ​​vandet op.

"Hvirvler er dybest set disse hvirvler i det sydlige ocean, som er virkelig vigtige for at transportere vand, "siger Drake." Hvis du ikke har nogen virvler, vandet ville sandsynligvis gå rundt om Antarktis og komme tilbage på samme breddegrad. Men med hvirvler, når partiklerne bevæger sig i disse strømlinjer, de kommer til et sted med høj kinetisk hvirvelenergi og bølger sydpå og op til den næste strømlinje."

Forskere fandt også ud af, at halvdelen af ​​vandet, der nåede det blandede lag, stammede fra Atlanterhavet, mens Det Indiske Hav og Stillehavet hver bidrog med cirka en fjerdedel. Størstedelen af ​​disse farvande passerede denne tærskel efter 28-81 år. I den højeste opløsningsmodel, denne tidsskala er så meget som 10 gange hurtigere end tidligere estimater produceret af ikke-hvirvlende modeller, som var nærmere 150-250 år. Dette viser, at opstrømningshastigheder kan være kritiske for Antarktis issmeltning i forhold til fremtidige klimaændringer, siger Adele Morrison, en medforfatter ved Australian National University, der bidrog til arbejdet, mens han var på Princeton University. Modellerne var stort set enige, viser robustheden af ​​resultatet, hun siger.

"Videnskabeligt dette er væsentligt, fordi vi i lang tid har tænkt på, at opstrømningen primært er drevet af vinden, som er stort set ensartede omkring det sydlige ocean, " siger Morrison. "Men her har vi vist, at strukturen af ​​opstrømningen virkelig er styret af undersøisk topografi og hvirvelfeltet."

John Marshall, Cecil og Ida Green professor i oceanografi i EAPS, som ikke var en del af undersøgelsen, siger, at forskningen bekræfter, at opstrømning i det sydlige ocean "medieres af hvirvler, men det understreger, hvor vigtige hvirvler er, og hvor lokaliseret noget af hvirvelaktiviteten er - så det gør det svært at repræsentere i modeller, der ikke har nogen hvirvler."

"Jeg tror, ​​at kommunikationstiderne kan være en smule hurtigere, end vi troede, de var mellem interiøret og overfladen, " siger Marshall.

Gruppen planlægger at fortsætte arbejdet, undersøge grænseflader mellem hav og atmosfære, vandpartikelbaner, og udbredelsen af ​​klimaændringssignaler fra dybvandsdannelse i det nordlige Atlanterhav til det sydlige ocean.

"Vores beskrivelse af de veje, der forbinder det dybe hav med overfladehavet, åbner døren for fremtidige undersøgelser for at forbinde dybehavets væskemekanik med varmeudvekslinger, kulstof, og næringsstoffer ved grænsefladen mellem hav og atmosfære, der påvirker Jordens klima, " siger Drake.

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.