В высоких широтах, таких как вблизи Антарктиды и Полярного круга, поверхностные воды океана охлаждаются холодными температурами и становятся настолько плотными, что погружаются на несколько тысяч метров в бездну океана.
Океанские воды, как полагают, текут по своего рода конвейерной ленте, которая транспортирует их между поверхностью и глубиной по бесконечной петле. Однако остается неясным, где глубокие воды поднимаются на поверхность, как они в конечном итоге и должны. Эта информация поможет исследователям оценить, как долго океан может хранить углерод в своих самых глубоких частях, прежде чем вернуть его на поверхность.
С помощью численного моделирования и наблюдений в Южном океане команда обнаружила, что топографические особенности, такие как подводные горы, хребты и окраины континентов, могут удерживать глубокие воды от миграции в более плоские и более спокойные части океана. Подводные ущелья и скалы создают турбулентные потоки, подобные ветру, который дует между городскими небоскребами. Чем дольше вода задерживается среди этих топографических объектов, тем больше она смешивается с верхними слоями океана, возвращаясь к поверхности.
«В бездонном океане у вас есть морские горы высотой 4000 метров и очень глубокие впадины, вверх и вниз, и эти топографические особенности помогают создавать турбулентность», - говорит Раффаэле Феррари, профессор океанографии Сесила и Иды Грин. на факультете наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. «Похоже, что вода возвращается из бездны, проводя много времени в этих местах, где турбулентность действительно сильна."
Знание о том, что есть горячие точки, где глубокие воды возвращаются на поверхность, может помочь ученым определить регионы, где углерод, когда-то поглощенный из атмосферы и хранящийся глубоко в океане, поднимается и высвобождается обратно в атмосферу.
«Общее понимание состоит в том, что глубоководным водам требуется от нескольких тысяч лет, чтобы всплыть на поверхность», - говорит ведущий автор и постдоктор Массачусетского технологического института Али Машайек. «Если значительное количество таких апвеллингов происходит быстро вдоль наклонных границ, окраин континентов и срединно-океанических хребтов, то временной масштаб повторного использования глубинных вод может быть короче».
Соавторы Феррари и Машайека - София Меррифилд, аспирантка Массачусетского технологического института; Джим Ледуэлл и Лу Сен-Лоран из WHOI; и Альберто Навейра Гарабато из Университета Саутгемптона.
Мощность 10 лампочек
В холодных полярных регионах количество воды, которое постоянно опускается в глубины океана, оценивается примерно в 107 кубических метров в секунду, что в 50 раз превышает транспортировку Река Амазонка», - говорит Феррари.
В 1966 году известный океанограф Уолтер Мунк решил загадку того, как вся эта глубинная вода возвращается на поверхность, предположив, что мелкомасштабная океанская турбулентность может заставлять тяжелую, глубоководную воду смешиваться и подниматься. Он утверждал, что эта турбулентность принимает форму разрыва внутренних гравитационных волн, которые распространяются между слоями воды разной плотности под поверхностью океана.
Мунк рассчитал мощность перемешивания, которая должна быть получена за счет разрушения внутренних гравитационных волн, чтобы вернуть всю глубину океана на поверхность. По словам Феррари, это число эквивалентно «около 10 лампочкам на кубический километр океана».
С тех пор океанографы определили ограниченные области, такие как подводные горы и хребты, которые создают турбулентность, подобную той, которую теоретизировал Мунк.
"Но если вы просуммируете эти несколько мест, вы, похоже, не получите того числа, которое вам нужно, чтобы вернуть всю эту воду", - говорит Феррари.
Делаем проход
В феврале 2009 года сотрудники WHOI разместили трассер в Южном океане, примерно в 1000 милях к западу от пролива Дрейка, в рамках проекта под названием DIMES (Диапикнальный и изопикнальный эксперимент по смешиванию в Южном океане) для анализа смешение океанских вод.
«Они выпустили каплю красителя, как каплю молока в кофейную чашку, и позволили океану смешать ее», - говорит Феррари.
В течение двух лет они отбирали пробы трассера на различных станциях ниже по течению от того места, где он был выпущен, и обнаружили, что он испытывает очень небольшую турбулентность или перемешивание в частях океана с небольшими топографическими особенностями. Однако, как только трассер пересек пролив Дрейка, он столкнулся с подводными горами и хребтами, и «внезапно он начал распространяться по вертикали довольно быстро, в три раза быстрее, чем предсказывал Мунк», - говорит Феррари.
Что двигало этим ускоренным микшированием? Чтобы выяснить это, команда под руководством Машайека разработала численную модель для моделирования региона Южного океана - задача не из легких, поскольку было неясно, сможет ли такая модель иметь достаточно высокое разрешение, чтобы воспроизвести мелкомасштабные движения трассера на фоне обширного пространства. объем морской воды.
«Я сделал некоторые предварительные расчеты, запредельные оценки, и понял, что у нас будет достаточно разрешения, чтобы сделать это», - вспоминает Машайек.
Трейсер, пойманный в ловушку
Исследователи использовали модель общей циркуляции Массачусетского технологического института - численную модель, предназначенную для изучения атмосферы, океана и климата Земли - в качестве своей основы и запрограммировали в нее все внешние силы, которые, как известно, существуют в Южном океане, в том числе ветровой режим, солнечное нагревание, испарение и осадки. Затем они перенесли измерения из эксперимента DIMES в модель и экстраполировали турбулентность на весь океанский регион с учетом основной топографии.
Затем команда поместила трассер в свою модель в том же месте, где настоящий трассер был выпущен в Южный океан, и заметила, что он действительно распространялся вертикально с той же скоростью, которую исследователи наблюдали в полевых условиях., доказывая, что модель представляла реальную турбулентность океана.
Внимательно изучив свои модели, исследователи заметили, что регионы с рельефом, таким как подводные горы и хребты, по существу улавливали трассер в течение длительных периодов времени, толкая и перемешивая его по вертикали, прежде чем трассер ускользнул и дрейфовал в более спокойных водах..
Исследователи считают, что турбулентность, которая возникает в этих изолированных регионах в течение длительных периодов времени, может достигать общего количества перемешивания, которое первоначально предсказал Манк. Таким образом, этот процесс смешивания может объяснить, как воды в глубинах океана поднимаются обратно на поверхность.
«Апвеллинг, вызванный смешиванием, актуален во всем мире», - говорит Машайек. «Если наше открытие в Южном океане распространится на другие горячие точки перемешивания по всему земному шару, то это несколько изменит наше понимание роли турбулентного перемешивания в опрокидывающей циркуляции океана. Это также имеет важные последствия для параметризации процессов перемешивания в климатических моделях».