Op hoge breedtegraden, zoals nabij Antarctica en de poolcirkel, de oppervlaktewateren van de oceaan worden gekoeld door ijskoude temperaturen en worden zo dicht dat ze een paar duizend meter in de afgrond van de oceaan zinken.

Men denkt dat oceaanwater langs een soort transportband stroomt die ze in een oneindige lus tussen het oppervlak en de diepte transporteert. Echter, het blijft onduidelijk waar de diepe wateren naar de oppervlakte komen, zoals ze uiteindelijk moeten. Deze informatie zou onderzoekers helpen inschatten hoe lang de oceaan koolstof in de diepste regio's kan opslaan voordat deze naar de oppervlakte terugkeert.

Nu wetenschappers van MIT, Woods Hole Oceanografische Instelling (WHOI), en de Universiteit van Southampton in het VK hebben een mechanisme geïdentificeerd waarmee water uit de diepten van de oceaan naar de bovenste lagen kan stijgen. Hun resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Door numerieke modellering en observaties in de Zuidelijke Oceaan, ontdekte het team dat topografische kenmerken zoals onderzeese bergen, richels, en continentale marges kunnen diepe wateren in de val lokken van migreren naar vlakker, rustigere delen van de oceaan. De onderwaterkloven en kliffen wekken turbulente stromingen op, vergelijkbaar met de wind die tussen de wolkenkrabbers van een stad zwiept. Hoe langer water vastzit tussen deze topografische kenmerken, hoe meer het zich vermengt met de bovenste lagen van de oceaan, wervelend zijn weg terug naar de oppervlakte.

"In de abyssale oceaan, je hebt er 4, 000 meter zeebergen en zeer diepe troggen, omhoog en omlaag, en deze topografische kenmerken helpen turbulentie te creëren, " zegt Raffaele Ferrari, de Cecil en Ida Green hoogleraar oceanografie aan het MIT's Department of Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen. "Wat lijkt te ontstaan, is dat water uit de afgrond terugkomt door veel tijd door te brengen op deze plaatsen waar de turbulentie echt sterk is."

Wetende dat er hotspots zijn waar diep water naar de oppervlakte terugkeert, kan wetenschappers helpen bij het identificeren van regio's waar koolstof, eenmaal geabsorbeerd uit de atmosfeer en diep in de oceaan opgeslagen, stijgt op en komt weer in de atmosfeer terecht.

"Het algemene begrip is dat abyssale wateren enkele tot duizenden jaren nodig hebben om weer op te duiken, ", zegt hoofdauteur en MIT-postdoc Ali Mashayek. "Als een aanzienlijke hoeveelheid van dergelijke opwelling snel optreedt langs hellende grenzen, continentale marges, en mid-oceanische ruggen, dan kan het tijdschema voor het recyclen van abyssaal water korter zijn."

De co-auteurs van Ferrari en Mashayek zijn Sophia Merrifield, een MIT-afgestudeerde student; Jim Ledwell en Lou St. Laurent van WHOI; en Alberto Naveira Garabato van de Universiteit van Southampton.

De kracht van 10 gloeilampen

In koude poolgebieden, de hoeveelheid water die voortdurend naar de diepe oceaan zinkt, wordt geschat op "ongeveer 107 kubieke meter per seconde - 50 keer het transport van de Amazone-rivier, ', zegt Ferrari.

In 1966, de veelgeprezen oceanograaf Walter Munk ging in op de puzzel hoe al dit diepe water naar de oppervlakte terugkeert, waarin wordt voorgesteld dat kleinschalige oceaanturbulentie zware, diep water om te mengen en te laten rijzen. Deze turbulentie, hij stelde, neemt de vorm aan van brekende interne zwaartekrachtgolven die zich verplaatsen tussen waterlagen van verschillende dichtheden, onder het oppervlak van de oceaan.

Munk berekende de mengkracht die zou moeten worden gegenereerd door interne zwaartekrachtgolven te breken om al het diepe water van de oceaan terug naar de oppervlakte te brengen. Het nummer, Ferrari zegt, is gelijk aan "ongeveer 10 gloeilampen per kubieke kilometer oceaan."

Vanaf dat moment, oceanografen hebben beperkte gebieden geïdentificeerd, zoals onderzeese bergen en richels, die turbulentie veroorzaken vergelijkbaar met wat Munk theoretiseerde.

"Maar als je die paar plaatsen bij elkaar optelt, je leek niet op het aantal te komen dat je nodig had om al dat water weer omhoog te brengen, ', zegt Ferrari.

Doorgang maken

In februari 2009 medewerkers van de WHOI hebben een tracer ingezet in de Zuidelijke Oceaan, ongeveer 1, 000 mijl ten westen van Drake Passage, als onderdeel van een project genaamd DIMES (Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean) om de vermenging van oceaanwater te analyseren.

"Ze lieten een klodder kleurstof los, als een druppel melk in een koffiekopje, en laat de oceaan het om zich heen mengen, ', zegt Ferrari.

Ruim twee jaar, ze bemonsterden de tracer op verschillende stations stroomafwaarts van waar het werd vrijgegeven, en ontdekte dat het heel weinig turbulentie ervoer, of mengen, in delen van de oceaan met weinig topografische kenmerken. Echter, zodra de tracer Drake Passage overstak, het stuitte op onderzeese bergen en richels, en "opeens, het begon zich vrij snel in de verticale richting te verspreiden, tegen drie keer de snelheid voorspeld door Munk, ', zegt Ferrari.

Wat dreef deze versnelde vermenging? Er achter komen, het team, geleid door Mashayek, een numeriek model ontwikkeld om de regio van de Zuidelijke Oceaan te simuleren - geen kleine taak, omdat het onduidelijk was of een dergelijk model een voldoende hoge resolutie zou kunnen hebben om de kleinschalige bewegingen van een tracer te midden van een enorme hoeveelheid zeewater te reproduceren.

"Ik heb wat voorlopige berekeningen gemaakt, achterkant van de envelop schattingen, en besefte dat we net genoeg resolutie zouden hebben om het te kunnen doen, " herinnert Mashayek zich.

een spoorzoeker, gevangen

De onderzoekers gebruikten het algemene circulatiemodel van MIT - een numeriek model dat is ontworpen om de atmosfeer van de aarde te bestuderen, oceaan, en klimaat - als hun kader, en erin geprogrammeerd alle externe krachten waarvan bekend is dat ze in de Zuidelijke Oceaan bestaan, inclusief windpatronen, zonne verwarming, verdamping, en neerslag. Vervolgens werkten ze metingen van het DIMES-experiment in het model en extrapoleerden ze de turbulentie over het hele oceaangebied, gezien de onderliggende topografie.

Het team plaatste vervolgens een tracer in zijn model op dezelfde locatie waar de echte tracer in de Zuidelijke Oceaan werd losgelaten, en constateerde dat, inderdaad, het verspreidde zich verticaal, in hetzelfde tempo als de onderzoekers in het veld hebben waargenomen, bewijzen dat het model de turbulentie van de echte oceaan weergeeft.

Als we hun simulaties nader bekijken, de onderzoekers merkten op dat regio's met topografie zoals onderzeese bergen en bergkammen de tracer in wezen voor lange tijd vasthielden, kloppen en verticaal mengen, voordat de tracer ontsnapte en door rustiger water dreef.

De onderzoekers denken dat de turbulentie die gedurende lange perioden in deze geïsoleerde gebieden optreedt, kan oplopen tot de totale hoeveelheid vermenging die Munk aanvankelijk voorspelde. Dit mengproces kan dus verklaren hoe water in de diepe oceaan terug naar de oppervlakte zwelt.

"Mixing-geïnduceerde opwelling is wereldwijd relevant, ", zegt Mashayek. "Als onze vondst in de Zuidelijke Oceaan zich uitstrekt tot andere meng-hotspots over de hele wereld, dan zal het ons begrip van de rol van turbulente vermenging in de oceaancirculatie enigszins hervormen. Het heeft ook belangrijke implicaties voor het parametriseren van mengprocessen in klimaatmodellen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.