1974, beelden verkregen van NOAA-satellieten onthulden een raadselachtig fenomeen:een 250, 000 vierkante kilometer opening in het winterse zee-ijs in de Weddellzee, zuiden van Zuid-Amerika. De opening, bekend als een polynya, hield drie winters stand. Dergelijke uitgestrekte ijsvrije gebieden in de oceaan rond Antarctica zijn sindsdien niet meer gezien, hoewel vorig jaar een kleine polynya werd gezien.

In een nieuwe analyse van klimaatmodellen, onderzoekers van de Universiteit van Pennslyvania, Het Spaanse Instituut voor Mariene Wetenschappen en de Johns Hopkins University onthullen de significante wereldwijde effecten die deze schijnbaar afwijkende polynyas kunnen hebben. Hun bevindingen geven aan dat warmte die door deze openingen uit de oceaan ontsnapt, invloed heeft op de zee- en atmosferische temperaturen en windpatronen over de hele wereld en zelfs op regenval rond de tropen. Hoewel dit proces deel uitmaakt van een natuurlijk patroon van klimaatvariabiliteit, het heeft implicaties voor hoe het mondiale klimaat zal reageren op toekomstige antropogene opwarming.

"Deze kleine, geïsoleerde opening in het zee-ijs in de Zuidelijke Oceaan kan aanzienlijke, grootschalige klimaatimplicaties, " zei Irina Marinov, een studie auteur en assistent-professor in Penn's Department of Earth and Enviromental Science in de School of Arts &Sciences. "Klimaatmodellen suggereren dat, in jaren en decennia met een grote polynya, de hele atmosfeer warmt wereldwijd op, en we zien veranderingen in de wind op het zuidelijk halfrond en een zuidwaartse verschuiving in de equatoriale regengordel. Dit is toe te schrijven aan de polynya."

De studie verschijnt in de Tijdschrift voor Klimaat . Marinov co-auteur van het werk met Anna Cabre, een voormalig postdoc in het laboratorium van Marinov en nu een oceanograaf bij het Instituut voor Mariene Wetenschappen in Barcelona, en Anand Gnanadesikan, een professor in de afdeling Aard- en Planetaire Wetenschappen aan de Johns Hopkins.

Typisch, de Zuidelijke Oceaan is bedekt met ijs tijdens het zuidelijk halfrond

winter. Polynyas komen voor wanneer warme ondergrondse wateren van Noord-Atlantische en equatoriale oorsprong plaatselijk vermengen met koud oppervlaktewater, een proces dat bekend staat als convectie in de open oceaan.

Tot voor kort, klimaatwetenschappers en oceanografen geloofden dat atmosferische en oceaanomstandigheden rond de tropen de belangrijkste drijfveren waren bij het beïnvloeden van de omstandigheden buiten de tropen. Maar de laatste jaren, Marinov en medewerkers en anderen hebben aangetoond dat het tegenovergestelde ook waar is:de Zuidelijke Oceaan speelt een belangrijke rol bij het beïnvloeden van tropische klimaten en klimaten op het noordelijk halfrond.

In het huidige werk Marinov en collega's gebruikten krachtige modellen die het klimaat uit het verleden en de toekomst simuleren om te bepalen hoe de effecten van polynya zich over de hele wereld verspreiden.

Hun model gaf aan dat polynyas en bijbehorende convectie in de open oceaan ongeveer elke 75 jaar voorkomen. Wanneer ze zich voordoen, observeerden de onderzoekers, ze fungeren als een uitlaatklep voor de hitte van de oceaan. Niet alleen wordt de directe omgeving warm, maar er zijn ook stijgingen van de totale temperatuur van het zeeoppervlak en de atmosfeer op het hele zuidelijk halfrond en, in mindere mate, het noordelijk halfrond, ook.

Veranderingen in noord-zuid temperatuurgradiënten leiden ook tot veranderingen in windpatronen.

"We zien een afname van wat we het westen van het zuidelijk halfrond noemen en veranderingen in passaatwinden, "Zei Marinov. "En deze winden beïnvloeden stormen, neerslag en wolken."

Een van deze veranderingen in neerslag is een verschuiving in de intertropische convergentiezone, een equatoriale gordel waar passaatwinden samenkomen, waardoor er veel neerslag valt. Wanneer een polynya optreedt, deze regenband beweegt een paar graden naar het zuiden en blijft daar 20 tot 30 jaar voordat hij terugschuift.

"Dit heeft gevolgen voor de watervoorraden in, bijvoorbeeld, Indonesië, Zuid-Amerika en Afrika bezuiden de Sahara, " zei Marinov. "We hebben een natuurlijke variatie in het klimaat die kan zijn, onder andere effecten, gevolgen hebben voor de landbouwproductie in dichtbevolkte regio's van de wereld."

Gezien deze grootschalige implicaties van een fenomeen in de Zuidelijke Oceaan, Marinov onderstreept de noodzaak om de monitoring in de regio te versterken. Ze maakt deel uit van een inspanning genaamd SOCCOM, voor koolstof- en klimaatwaarnemingen en modellering in de Zuidelijke Oceaan, het plaatsen van robotdobbers in de Zuidelijke Oceaan om gegevens te verzamelen over de oceaantemperatuur, zoutgehalte, koolstof, voedingsstoffen en zuurstof.

"We dringen er ook bij mensen op aan om de satellieten nauwlettend in de gaten te houden om naar andere polynyas te zoeken, dit jaar en in de toekomst, ' zei Marnov.

Eerder onderzoek door de groep en medewerkers van Marinov suggereerde dat, onder klimaatverandering, polynyas kan minder frequent worden. Als zee-ijs smelt, verfrist het de bovenste laag van het zeeoppervlak, waardoor het lichter wordt en minder snel vermengd wordt met het zwaardere bodemwater. Marinov merkt op dat het feit dat er vanaf het midden van de jaren zeventig tot vorig jaar geen significante polynieën zijn ontstaan, mogelijk heeft bijgedragen aan de zogenaamde "klimaathiaat" aan het einde van de jaren negentig en het begin van de jaren 2000, toen de wereldwijde gemiddelde oppervlaktetemperaturen leken te stagneren in hun anders aanhoudende opwaartse klim.

"Tijdens deze onderbrekingsperiode werden abnormale hoeveelheden warmte opgeslagen in het ondergrondse oceaanwater", zei Marinov. "De meeste onderzoeken hebben deze onderbreking toegeschreven aan een langdurige La Niña-periode, resulterend in een opslag van warmte in de Stille Oceaan op lage breedtegraden. Maar ik denk dat het ontbreken van een Weddellzee-polynya ook heeft bijgedragen, meer warmte opslaan in de Zuidelijke Oceaan en voorkomen dat er extra warmte aan de atmosfeer vrijkomt."

Het werk roept veel nieuwe vragen op, zoals hoe een afnemende omvang van het zee-ijs, inclusief het recente afbreken van een enorm stuk van het Antarctische schiereiland, zal de frequentie van polynyas beïnvloeden en hoe de aanwezigheid of afwezigheid van polynyas van invloed zal zijn op hoeveel atmosferische temperaturen opwarmen als reactie op antropogene klimaatverandering.

"Dit onderzoek naar polynyas en convectie in de Zuidelijke Oceaan bleek een zeer belangrijk en interessant verhaal te zijn voor het wereldwijde klimaat waarvan we denken dat veel mensen het komende decennium zullen studeren, ' zei Marnov.