Eddies worden vaak gezien als het weer van de oceaan. Zoals grootschalige circulaties in de atmosfeer, wervelingen wervelen door de oceaan als langzaam bewegende zeecyclonen, het opvegen van voedingsstoffen en warmte, en ze over de hele wereld te vervoeren.

In de meeste oceanen, wervelingen worden op elke diepte waargenomen en zijn sterker aan de oppervlakte. Maar sinds de jaren zeventig onderzoekers hebben een eigenaardig patroon waargenomen in het noordpoolgebied:in de zomer, Arctische wervelingen lijken op hun tegenhangers in andere oceanen, opduiken in de hele waterkolom. Echter, met de terugkeer van winterijs, Arctische wateren worden stil, en draaikolken zijn nergens te vinden in de eerste 50 meter onder het ijs. In de tussentijd, diepere lagen blijven wervelingen opwekken, onaangetast door de abrupte verandering in ondieper water.

Deze seizoensgebonden ommekeer in Arctische wervelingsactiviteit heeft wetenschappers decennia lang voor een raadsel gehouden. Nu heeft een MIT-team een ​​verklaring. In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in de Journal of Physical Oceanography , de onderzoekers laten zien dat ijswrijving en oceaanstratificatie de belangrijkste ingrediënten zijn voor het aansturen van wervelgedrag in het noordpoolgebied.

Door de fysica van de oceaan te modelleren, ze ontdekten dat ijs in de winter werkt als een wrijvingsrem, oppervlaktewateren vertragen en voorkomen dat ze in turbulente wervelingen terechtkomen. Dit effect gaat alleen zo diep; tussen 50 en 300 meter diep, vonden de onderzoekers, de oceaan is zout, dichtere lagen werken om water te isoleren van wrijvingseffecten, waardoor wervelingen het hele jaar door kunnen wervelen.

De resultaten benadrukken een nieuw verband tussen wervelactiviteit, Arctisch ijs, en oceaanstratificatie, dat kan nu in klimaatmodellen worden verwerkt om nauwkeurigere voorspellingen te doen van de Arctische evolutie met klimaatverandering.

"Terwijl het noordpoolgebied opwarmt, dit dissipatiemechanisme voor wervelingen, d.w.z. de aanwezigheid van ijs, zal weggaan, omdat het ijs er in de zomer niet zal zijn en in de winter mobieler zal zijn, " zegt John Marshall, hoogleraar oceanografie aan het MIT. "Dus wat we in de toekomst verwachten te zien, is een Noordpoolgebied dat veel krachtiger onstabiel is, en dat heeft gevolgen voor de grootschalige dynamiek van het Arctische systeem."

Marshall's co-auteurs op het papier zijn onder meer hoofdauteur Gianluca Meneghello, een onderzoekswetenschapper in het MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen, samen met Camille Lique, vriend Erik Isachsen, Edward Doddridge, Jean Michel Campin, gezondheid Regan, en Claude Talandier.

Onder de oppervlakte

Voor hun studie de onderzoekers verzamelden gegevens over de activiteit in de Arctische oceaan die beschikbaar waren gesteld door de Woods Hole Oceanographic Institution. De gegevens zijn verzameld tussen 2003 en 2018, van sensoren die de snelheid van het water op verschillende diepten in de waterkolom meten.

Het team nam het gemiddelde van de gegevens om een ​​tijdreeks te produceren om een ​​typisch jaar van de snelheden van de Noordelijke IJszee met diepte te produceren. Uit deze waarnemingen er ontstond een duidelijke seizoenstrend:tijdens de zomermaanden met zeer weinig ijsbedekking, ze zagen hoge snelheden en meer wervelende activiteit op alle diepten van de oceaan. In de winter, toen het ijs groeide en dikker werd, ondiep water tot stilstand gekomen, en wervelingen verdwenen, terwijl diepere wateren nog steeds hogesnelheidsactiviteit vertoonden.

"In het grootste deel van de oceaan, deze wervelingen strekken zich helemaal uit tot aan de oppervlakte, ' zegt Marshall. 'Maar in de Arctische winter, we ontdekken dat wervelingen een soort van leven onder de oppervlakte, als onderzeeërs die op diepte rondhangen, en ze komen niet helemaal naar de oppervlakte."

Om te zien wat deze merkwaardige seizoensverandering in wervelactiviteit zou kunnen veroorzaken, de onderzoekers voerden een "baroklinische instabiliteitsanalyse" uit. Dit model gebruikt een reeks vergelijkingen die de fysica van de oceaan beschrijven, en bepaalt hoe instabiliteiten, zoals weersystemen in de atmosfeer en wervelingen in de oceaan, evolueren onder de gegeven omstandigheden.

Een ijzige wrijving

De onderzoekers stopten verschillende voorwaarden in het model, en voor elke toestand introduceerden ze kleine verstoringen vergelijkbaar met rimpelingen van oppervlaktewinden of een passerende boot, op verschillende diepten van de oceaan. Vervolgens lieten ze het model naar voren lopen om te zien of de verstoringen zouden evolueren naar grotere, snellere wervelingen.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer ze zowel het wrijvingseffect van zee-ijs als het effect van gelaagdheid inplugden, zoals in de verschillende dichtheidslagen van de Arctische wateren, het model produceerde watersnelheden die overeenkwamen met wat de onderzoekers aanvankelijk zagen in werkelijke waarnemingen. Dat is, ze zagen dat zonder wrijving van ijs, wervelingen vormden zich vrij op alle diepten van de oceaan. Met toenemende wrijving en ijsdikte, het water vertraagde en wervelingen verdwenen in de eerste 50 meter van de oceaan. Onder deze grens, waar de dichtheid van het water, d.w.z. de gelaagdheid, drastisch verandert, wervelingen bleven kolken.

Toen ze andere beginvoorwaarden inplugden, zoals een gelaagdheid die minder representatief was voor de echte Noordelijke IJszee, de resultaten van het model waren een zwakkere match met waarnemingen.

"We zijn de eersten die een eenvoudige verklaring geven voor wat we zien, dat wil zeggen dat ondergrondse wervelingen het hele jaar door krachtig blijven, en oppervlakte wervelingen, zodra er ijs in de buurt is, uitgewreven worden door wrijvingseffecten, ' legt Marshall uit.

Nu ze hebben bevestigd dat ijswrijving en gelaagdheid een effect hebben op Arctische wervelingen, de onderzoekers speculeren dat deze relatie een grote impact zal hebben op het vormgeven van het noordpoolgebied in de komende decennia. Er zijn andere studies die aantonen dat Arctisch ijs in de zomer, jaar na jaar al sneller achteruitgaan, zal tegen het jaar 2050 volledig verdwijnen. Met minder ijs, wateren zullen vrij zijn om op te kolken in wervelingen, aan de oppervlakte en in de diepte. Verhoogde wervelactiviteit in de zomer zou warmte uit andere delen van de wereld kunnen binnenhalen, het noordpoolgebied verder opwarmen.

Tegelijkertijd, het noordpoolgebied in de winter zal in de nabije toekomst met ijs bedekt zijn, merkt Meneghello op. Of een opwarmend noordpoolgebied zal resulteren in meer turbulentie in de oceaan gedurende het hele jaar of in een sterkere variabiliteit over de seizoenen zal afhangen van de sterkte van het zee-ijs.

Achteloos, "Als we naar een wereld gaan waar er in de zomer helemaal geen ijs is en in de winter zwakker, de wervelactiviteit zal toenemen, ", zegt Meneghello. "Dat heeft belangrijke implicaties voor dingen die zich in het water bewegen, zoals tracers en voedingsstoffen en warmte, en feedback op het ijs zelf."