Sinds de ontdekking van kapitein James Cook in de jaren 1770 dat water de zuidelijke breedtegraden van de aarde omvatte, oceanografen hebben de Zuidelijke Oceaan bestudeerd, zijn fysica, en hoe het interageert met de wereldwijde watercirculatie en het klimaat.

Door observaties en modellering, wetenschappers weten al lang dat grote, diepe stromingen in de Stille Oceaan, Atlantische en Indische oceanen stromen naar het zuiden, convergeren op Antarctica. Nadat ze de Zuidelijke Oceaan zijn binnengegaan, kantelen ze - waardoor water uit de diepere oceaan omhoog komt - voordat ze aan de oppervlakte terug naar het noorden gaan. Deze omkering voltooit de wereldwijde circulatielus, wat belangrijk is voor de oceanische opname van koolstof en warmte, de bevoorrading van nutriënten voor gebruik in de biologische productie, evenals het begrip van hoe ijsplaten smelten.

Maar de driedimensionale structuur van de paden die deze waterdeeltjes nemen om de gemengde oppervlaktelaag van de Zuidelijke Oceaan en de bijbehorende tijdschalen te bereiken, werd tot voor kort slecht begrepen. Nu hebben onderzoekers ontdekt dat diepe, relatief warm water uit de drie oceaanbekkens komt de Zuidelijke Oceaan binnen en spiralen naar het zuidoosten en omhoog rond Antarctica voordat het de gemengde laag van de oceaan bereikt, waar het in wisselwerking staat met de atmosfeer.

Het onderzoeksteam bestaat uit wetenschappers van MIT, het Scripps-instituut voor oceanografie, Princeton Universiteit, het Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, het Los Alamos Nationaal Laboratorium, de Universiteit van Washington, en NASA's Jet Propulsion Laboratory. De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , onthult ook dat sterke wervelingen, veroorzaakt door topografische interacties op vijf locaties binnen het huidige rond Antarctica, spelen een grote rol in dit opwellingsproces. De onderzoekers waren bovendien in staat om te bepalen hoeveel water uit elk oceaanbekken het vormde wat zij deze "wenteltrap, " en geloof dat deze reis veel sneller gaat dan eerdere schattingen suggereren.

In de Zuidelijke Oceaan, sterke interacties tussen oceaan en atmosfeer en wervelingen zorgen grotendeels voor opwelling, onderzoekers hebben gevonden. Westerse winden die rond Antarctica waaien, blazen koud, kooldioxiderijk oppervlaktewater noordwaarts van het continent over de Antarctische Circumpolaire Stroom (ACC). De ACC stroomt rond de noordelijke rand van de Zuidelijke Oceaan en is niet alleen de sterkste stroming ter wereld, maar ook de enige grote stroming die de wereld rondgaat zonder gehinderd door continenten. Veel van het koude water is afkomstig van smeltend ijs, veroorzaakt door warmere, voedingsrijke wateren die de ACC op diepte binnenkomen en geleidelijk opwellen vanaf ongeveer 1, 000-3, 000 meter diep.

Waarnemingen van de temperatuur en het zoutgehalte van de Zuidelijke Oceaan gaven aanwijzingen voor de structuur van deze omverwerping, maar pas onlangs waren computermodellen geavanceerd genoeg om realistische simulaties uit te voeren, waardoor onderzoekers kunnen onderzoeken of en hoe opwelling varieert in de driedimensionale ruimte en wat de opwelling-structuur regelt. Om deze vragen te onderzoeken, de onderzoekers gebruikten drie atmosfeer-oceaanmodellen, in staat om kritieke kenmerken van oceanische circulatie vast te leggen die op kleine schaal voorkomen. Vervolgens volgden ze virtuele waterdeeltjes van waaruit ze de Zuidelijke Oceaan binnenkwamen rond 30 Zuid en tussen 1, 000 en 3, 000 meter diep tot waar ze de grens van de gemengde laag overschreden, die als 200 meter diep werd beschouwd. De omstandigheden die in de experimenten met klimaatmodellen werden gebruikt, kwamen redelijk overeen met die van het jaar 2000; deze werden vervolgens gedurende 200 jaar in deze eeuwigdurende staat uitgevoerd. Gedurende deze tijd kwamen virtuele waterdeeltjes vrij in de modellen.

"We hebben miljoenen van deze deeltjes gevolgd terwijl ze opwellen. Daarna hebben we hun paden in kaart gebracht, en we kunnen bepalen ... en het volumetransport - hoeveel water wordt verplaatst - door deze stromingen scheiden. Dus, we kunnen vergelijken hoe belangrijk deze verschillende regionale routes zijn, " zegt co-auteur Henri Drake, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS), en lid van het Programma Atmospheres, Oceanen en klimaat. Ze noteerden ook de tijd die de deeltjes nodig hadden om de gemengde laag te bereiken, evenals locaties van verbeterde opwelling.

Uit hun analyse bleek dat de waterpercelen de neiging hadden om naar het zuiden te stromen, voornamelijk langs westelijke en oostelijke grensstromen in de Atlantische Oceaan, Indisch, en de Stille Oceaan, waar ze de ACC-tracking binnengingen met dichtheidsoppervlakken. Interacties van de ACC en wervelingen rond onderwaterterrein speelden ook een belangrijke rol in het opwellingsproces.

"In de diepe oceaan, waterpakketten volgen dichtheidsoppervlakken ... die heel diep beginnen waar we de deeltjes vrijgeven en dan ondieper worden naarmate je naar het zuiden gaat, "zegt Drake. "Dus als je een deeltje hebt dat naar het zuiden reist langs een oppervlak met dezelfde dichtheid, het wordt hoger in de waterkolom, totdat uiteindelijk het dichtheidsoppervlak de gemengde laag kruist."

Aanvullend, vijf belangrijke topografische locaties in de ACC - de Southwest Indian Ridge, het Kerguelen-plateau, de Macquarie Ridge, de Pacifisch-Antarctische rug, en de Drake Passage - creëerde gebieden met turbulentie en hoge kinetische energie, die hielpen om het grootste deel van het water op te pompen.

"Eddies zijn in feite deze draaikolken in de Zuidelijke Oceaan die echt belangrijk zijn voor het transporteren van water, "zegt Drake. "Als je geen wervelingen hebt, het water zou waarschijnlijk rond Antarctica gaan en op dezelfde breedtegraad terugkomen. Maar met wervelingen, wanneer de deeltjes in deze stroomlijnen reizen, ze gaan naar een plaats met een hoge wervelende kinetische energie en stijgen naar het zuiden en omhoog naar de volgende stroomlijn."

Onderzoekers ontdekten ook dat de helft van het water dat de gemengde laag bereikte, afkomstig was uit de Atlantische Oceaan, terwijl de Indische en de Stille Oceaan elk ongeveer een vierde bijdroegen. De meeste van deze wateren overschreden deze drempel na 28-81 jaar. In het model met de hoogste resolutie, deze tijdschaal is maar liefst 10 keer sneller dan eerdere schattingen geproduceerd door niet-wervelende modellen, die dichter bij 150-250 jaar waren. Dit toont aan dat de snelheid van opwelling van cruciaal belang kan zijn voor het smelten van Antarctisch ijs in relatie tot toekomstige klimaatverandering, zegt Adele Morrison, een co-auteur aan de Australian National University die aan het werk heeft bijgedragen terwijl hij aan de Princeton University werkte. De modellen waren het grotendeels eens, de robuustheid van het resultaat laten zien, ze zegt.

"wetenschappelijk, dit is aanzienlijk, omdat we lange tijd hebben gedacht dat de opwelling voornamelijk door de wind wordt aangedreven, die vrijwel uniform zijn rond de Zuidelijke Oceaan, ", zegt Morrison. "Maar hier hebben we aangetoond dat de structuur van de opwelling echt wordt gecontroleerd door de onderzeese topografie en het wervelveld."

John Marshall, de Cecil en Ida Green hoogleraar oceanografie in EAPS, die geen deel uitmaakte van de studie, zegt dat het onderzoek bevestigt dat opwelling in de Zuidelijke Oceaan "wordt gemedieerd door wervelingen, maar het benadrukt hoe belangrijk wervelingen zijn en hoe gelokaliseerd een deel van de wervelactiviteit is - dus het maakt het moeilijk om het weer te geven in modellen die geen wervelingen hebben."

"Ik denk dat de communicatietijdschalen misschien iets sneller zijn dan we dachten tussen het interieur en het oppervlak, ' zegt Marshall.

De groep is van plan het werk voort te zetten, onderzoek naar oceaan-atmosfeer interfaces, de trajecten van het waterdeeltje, en de verspreiding van signalen van klimaatverandering van diepwatervorming in de noordelijke Atlantische Oceaan naar de Zuidelijke Oceaan.

"Onze beschrijving van de paden die de diepe oceaan verbinden met de oppervlakte-oceaan, opent de deur voor toekomstige studies om de vloeistofmechanica van de diepe oceaan te verbinden met uitwisselingen van warmte, koolstof, en voedingsstoffen op het raakvlak van de oceaan en de atmosfeer die het klimaat op aarde beïnvloeden, ' zegt Drake.

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.