Oceanografer har en forklaring på Arktis forvirrende havturbulens

Hvirvler ses ofte som havets vejr. Ligesom store cirkulationer i atmosfæren, hvirvler hvirvler gennem havet som langsomt bevægende havcykloner, feje næringsstoffer og varme op, og transportere dem rundt i verden.

I de fleste oceaner, hvirvler observeres i hver dybde og er stærkere ved overfladen. Men siden 1970'erne, forskere har observeret et ejendommeligt mønster i Arktis:Om sommeren, Arktiske hvirvler ligner deres modstykker i andre oceaner, dukker op i hele vandsøjlen. Imidlertid, med vinterisens tilbagevenden, Arktiske farvande bliver stille, og hvirvler er ingen steder at finde i de første 50 meter under isen. I mellemtiden dybere lag fortsætter med at ophidse hvirvler, upåvirket af den bratte ændring i lavt vand.

Denne sæsonbestemte vending i arktisk hvirvelaktivitet har undret videnskabsmænd i årtier. Nu har et MIT-hold en forklaring. I et papir offentliggjort i dag i Journal of Physical Oceanography , forskerne viser, at hovedingredienserne til at drive hvirveladfærd i Arktis er isfriktion og havlagdeling.

Ved at modellere havets fysik, de fandt ud af, at vinteris fungerer som en friktionsbremse, bremse overfladevand og forhindre dem i at suse ind i turbulente hvirvler. Denne effekt går kun så dybt; mellem 50 og 300 meter dyb, fandt forskerne, havets salte, tættere lag virker til at isolere vand mod friktionspåvirkninger, tillader hvirvler at hvirvle året rundt.

Resultaterne fremhæver en ny sammenhæng mellem hvirvelaktivitet, arktisk is, og havlagdeling, som nu kan indregnes i klimamodeller for at producere mere præcise forudsigelser af arktisk udvikling med klimaændringer.

"Når Arktis varmes op, denne spredningsmekanisme for hvirvler, dvs. tilstedeværelsen af ​​is, vil gå væk, fordi isen ikke vil være der om sommeren og vil være mere mobil om vinteren, " siger John Marshall, professor i oceanografi ved MIT. "Så det, vi forventer at se bevæge sig ind i fremtiden, er et Arktis, der er meget mere kraftigt ustabilt, og det har konsekvenser for storskaladynamikken i det arktiske system."

Marshalls medforfattere på papiret inkluderer hovedforfatter Gianluca Meneghello, en forsker i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber, sammen med Camille Lique, Pal Erik Isachsen, Edward Doddridge, Jean-Michel Campin, Sunder Regan, og Claude Talandier.

Under overfladen

Til deres studie, forskerne samlede data om arktisk havaktivitet, som blev stillet til rådighed af Woods Hole Oceanographic Institution. Dataene blev indsamlet mellem 2003 og 2018, fra sensorer, der måler vandets hastighed i forskellige dybder i hele vandsøjlen.

Holdet tog gennemsnittet af dataene for at producere en tidsserie for at producere et typisk år med det arktiske oceans hastigheder med dybde. Ud fra disse observationer, en klar sæsonbestemt tendens dukkede op:I sommermånederne med meget lidt isdække, de så høje hastigheder og mere hvirvelstrøm på alle dybder af havet. Om vinteren, efterhånden som is voksede og voksede i tykkelse, lavt vand er gået i stå, og hvirvler forsvandt, hvorimod dybere vand fortsatte med at vise højhastighedsaktivitet.

"I det meste af havet, disse hvirvler strækker sig helt til overfladen, " siger Marshall. "Men i den arktiske vinter, vi opdager, at hvirvler på en måde lever under overfladen, som ubåde, der hænger ud i dybden, og de kommer ikke helt op til overfladen."

For at se, hvad der kan forårsage denne mærkelige sæsonmæssige ændring i hvirvelstrømsaktivitet, forskerne udførte en "baroklinisk ustabilitetsanalyse." Denne model bruger et sæt ligninger, der beskriver havets fysik, og bestemmer, hvordan ustabilitet, såsom vejrsystemer i atmosfæren og hvirvler i havet, udvikle sig under givne forhold.

En iskold rub

Forskerne tilsluttede forskellige forhold i modellen, og for hver tilstand introducerede de små forstyrrelser, der ligner krusninger fra overfladevinde eller en passerende båd, på forskellige havdybder. De kørte derefter modellen frem for at se, om forstyrrelserne ville udvikle sig til større, hurtigere hvirvler.

Forskerne fandt ud af, at når de tilsluttede både havisens friktionseffekt og effekten af ​​lagdeling, som i de varierende tæthedslag i de arktiske farvande, modellen producerede vandhastigheder, der matchede, hvad forskerne oprindeligt så i faktiske observationer. Det er, de så det uden friktion fra is, hvirvler dannet frit på alle havdybder. Med stigende friktion og istykkelse, vandet blev langsommere, og hvirvler forsvandt i havets første 50 meter. Under denne grænse, hvor vandets tæthed, dvs. dens stratificering, ændrer sig dramatisk, hvirvler fortsatte med at hvirvle.

Når de tilsluttede andre startforhold, såsom en lagdeling, der var mindre repræsentativ for det virkelige arktiske hav, modellens resultater var et svagere match med observationer.

"Vi er de første til at fremsætte en simpel forklaring på det, vi ser, hvilket er, at underjordiske hvirvler forbliver kraftige hele året rundt, og overfladehvirvler, så snart der er is omkring, blive gnidet ud på grund af friktionseffekter, " forklarer Marshall.

Nu hvor de har bekræftet, at isfriktion og lagdeling har en effekt på arktiske hvirvler, forskerne spekulerer i, at dette forhold vil have stor indflydelse på udformningen af ​​Arktis i de næste par årtier. Der har været andre undersøgelser, der viser, at sommerens arktiske is, går allerede hurtigere tilbage år for år, vil helt forsvinde i år 2050. Med mindre is, vand vil frit kunne hvirvle op i hvirvler, i overfladen og i dybden. Øget hvirvelaktivitet om sommeren kan bringe varme ind fra andre dele af verden, yderligere opvarmning af Arktis.

På samme tid, vintertid Arktis vil være dækket af is i en overskuelig fremtid, bemærker Menegello. Hvorvidt et opvarmende Arktis vil resultere i mere havturbulens i løbet af året eller i en stærkere variation over årstiderne vil afhænge af havisens styrke.

Uanset, "hvis vi bevæger os ind i en verden, hvor der slet ikke er is om sommeren og svagere is om vinteren, hvirvelaktiviteten vil stige, Meneghello siger. "Det har vigtige konsekvenser for ting, der bevæger sig rundt i vandet, som sporstoffer og næringsstoffer og varme, og feedback på selve isen."