Arktisk is sætter hastighedsgrænse for større havstrømme

Beaufort Gyre er en enorm, 600 kilometer bred pool af hvirvlende kulde, ferskvand i det arktiske hav, lige nord for Alaska og Canada. Om vinteren, denne strøm er dækket af en tyk iskappe. Hver sommer, som isen smelter væk, det blottede gyre samler havis og flodafstrømning, og trækker det ned for at skabe et stort reservoir af koldt ferskvand, lig med volumenet af alle de store søer tilsammen.

Forskere ved MIT har nu identificeret en nøglemekanisme, som de kalder "ishavets guvernør, ", der styrer, hvor hurtigt Beaufort Gyre snurrer, og hvor meget ferskvand den opbevarer. I et papir offentliggjort i dag i Geofysiske forskningsbreve , forskerne rapporterer, at Arktis isdække i det væsentlige sætter en hastighedsgrænse for gyrets spin.

I de sidste to årtier, da temperaturerne er steget globalt, Arktis' sommeris er gradvist skrumpet i størrelse. Holdet har observeret, at med mindre is tilgængelig til at kontrollere Beaufort Gyres spin, strømmen er steget de seneste år, samler mere havisen op og udvider sig i både volumen og dybde.

Hvis de globale temperaturer fortsætter med at stige, forskerne forventer, at mekanismen, der styrer gyrets spin, vil aftage. Uden en guvernør til at begrænse dens hastighed, forskerne siger, at gyren sandsynligvis vil gå over i "et nyt regime" og til sidst smitte af, som et overfyldt badekar, frigiver store mængder kulde, ferskvand ud i Nordatlanten, som kan påvirke det globale klima og havcirkulationen.

"Dette skiftende isdække i Arktis ændrer det system, der driver Beaufort Gyre, og ændre dens stabilitet og intensitet, " siger Gianluca Meneghello, en forsker i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber. "Hvis alt dette ferskvand frigives, det vil påvirke cirkulationen af ​​Atlanterhavet."

Meneghello er medforfatter af papiret, sammen med John Marshall, Cecil og Ida Green professor i oceanografi, Jean-Michel Campin og Edward Doddridge fra MIT, og Mary-Louise Timmermans fra Yale University.

Et "nyt arktisk hav"

Der har været en håndfuld gange i fortiden, hvor Beaufort Gyre er væltet over, begyndende med den store salinitetsanomali i slutningen af ​​1960'erne, da gyret sendte en bølge af kulde, ferskvand mod syd. Ferskvand har potentialet til at dæmpe havets væltende cirkulation, påvirker overfladetemperaturer og måske storm og klima.

Lignende begivenheder kan ske, hvis den arktiske is, der kontrollerer Beaufort Gyres spin, fortsætter med at trække sig tilbage hvert år.

"Hvis denne ishavguvernør forsvinder, så vil vi ende med stort set et nyt arktisk hav, " siger Marshall.

"Naturen har en naturlig guvernør"

Forskerne begyndte at undersøge dynamikken i Beaufort Gyre for flere år siden. På det tidspunkt, de brugte målinger taget af satellitter mellem 2003 og 2014, at spore bevægelsen af ​​det arktiske isdække, sammen med den arktiske vinds hastighed. De brugte disse målinger af is og vindhastighed til at estimere, hvor hurtigt Beaufort Gyre skal være nedadgående, eller snurrer ned under isen. Men antallet, de kom frem til, var meget mindre, end de forventede.

"Vi troede, der var en kodefejl, " husker Marshall. "Men det viser sig, at der var noget andet, der sparkede tilbage." Med andre ord, der må være en anden mekanisme, der var begrænsende, eller sænke farten, gyrets spin.

Holdet genberegnede gyrets hastighed, denne gang ved at inkludere estimater af havstrømsaktivitet i og omkring gyre, hvilket de udledte fra satellitmålinger af havoverfladehøjder. Det nye skøn, Menegello siger, var "meget mere rimeligt."

I dette nye blad, forskerne studerede isens samspil, vind, og havstrømme i mere dybde, bruger en høj opløsning, idealiseret repræsentation af havcirkulation baseret på MIT General Circulation Model, bygget af Marshalls gruppe. De brugte denne model til at simulere den sæsonbestemte aktivitet af Beaufort Gyre, når den arktiske is udvider og trækker sig tilbage hvert år.

De fandt ud af, at i foråret, som den arktiske is smelter væk, gyre er udsat for vinden, som virker til at piske havstrømmen op, får det til at snurre hurtigere og trække mere ferskvand ned fra Arktis flodafstrømning og smeltende is. Om vinteren, efterhånden som det arktiske indlandsis udvides, isen fungerer som låg, skærmer gyret mod de hurtige vinde. Som resultat, gyret snurrer mod undersiden af ​​isen og bremser til sidst.

"Isen bevæger sig meget langsommere end vinden, og når gyret når isens hastighed, på dette tidspunkt, der er ingen friktion – de roterer sammen, og der er intet, der belaster [for at fremskynde gyre], " siger Meneghello. "Dette er den mekanisme, der styrer gyrets hastighed."

"I mekaniske systemer, guvernøren, eller begrænser, sætter ind, når tingene går for hurtigt, " tilføjer Marshall. "Vi fandt ud af, at naturen har en naturlig guvernør i Arktis."

Marshall og Meneghello bemærker, at da de arktiske temperaturer er steget i de sidste to årtier, og sommerisen er skrumpet for hvert år, hastigheden på Beaufort Gyre er steget. Dens strømme er blevet mere variable og uforudsigelige, og bliver kun lidt bremset af isens tilbagevenden om vinteren.

"På et tidspunkt, hvis denne tendens fortsætter, gyren kan ikke sluge alt det friske vand, som det trækker ned, " siger Marshall. Til sidst, digen vil sandsynligvis gå i stykker, og gyren vil briste, frigiver hundredvis af milliarder af gallons kulde, ferskvand ud i Nordatlanten.

En stadig mere ustabil Beaufort Gyre kan også forstyrre Arktis haloklin - laget af havvand, der ligger under gyrets kolde ferskvand, som isolerer det fra meget dybere, varmere, og saltere vand. Hvis haloklinen på en eller anden måde er svækket af en mere ustabil gyre, dette kunne tilskynde varmere vand til at stige op, yderligere smeltning af den arktiske is.

"Dette er en del af det, vi ser i en opvarmende verden, " siger Marshall. "Vi ved, at de globale middeltemperaturer stiger, men de arktiske temperaturer stiger endnu mere. Så Arktis er meget sårbart over for klimaændringer. Og vi kommer til at leve gennem en periode, hvor guvernøren forsvinder, i det væsentlige."

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.