Βοήθεια ρομποτικών δεδομένων Εξηγήστε μυστηριώδεις τρύπες

Το γάιδαρο της θάλασσας polynya, αρχικά 3700 τετραγωνικά μίλια, το 2017. Το ψεύτικο χρώμα της δορυφορικής εικόνας της NASA δείχνει τον πάγο σε μπλε, τα σύννεφα σε λευκό. (Φωτογραφία: Ίδρυμα Ωκεανογραφίας του Scripps)

Ο χειμώνας πάγος στην επιφάνεια της θάλασσας της θάλασσας της Ανταρκτικής αναπτύσσεται περιστασιακά μια τεράστια τρύπα. Το 2016 και το 2017, μια τέτοια οπή επέστησε έντονη περιέργεια από τους επιστήμονες και τα μέσα ενημέρωσης.

Αν και μεγαλύτερα κενά είχαν διαμορφωθεί πριν από δεκαετίες, αυτή ήταν η πρώτη φορά που οι ωκεανογράφοι είχαν την ευκαιρία να παρακολουθήσουν πραγματικά το απροσδόκητο κενό στον πάγο της θαλάσσης από την Ανταρκτική. Ήταν μια ευκαιρία που ήρθε ως αποτέλεσμα του παράξενου χρονισμού και μια έμπειρη oceanographer τη γνώση της θάλασσας.

Μια νέα μελέτη, η οποία συνεντεύχθηκε από ερευνητές του Ινστιτούτου Ωκεανογραφίας Scripps του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, συνδυάζει τις δορυφορικές εικόνες της κάλυψης πάγου της θάλασσας και τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από ρομποτικούς drifters και ακόμη και σφραγίδες εξοπλισμένες με αισθητήρες για την καλύτερη κατανόηση του φαινομένου. Η έρευνα που διεξάγεται από το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον (UW) διερευνά γιατί αυτή η τρύπα εμφανίζεται μόνο μερικά χρόνια και ποιος θα μπορούσε να παίξει στη μεγαλύτερη ωκεάνια κυκλοφορία.

Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στις 10 Ιουνίου στο περιοδικό Nature , αγγίζει μια περιοχή που θεωρείται κρίσιμη για το κλίμα από τους ωκεανογράφους. Ο Νότιος Ωκεανός θεωρείται ότι διαδραματίζει βασικό ρόλο στα παγκόσμια ωκεάνια ρεύματα και τους κύκλους άνθρακα, αλλά η συμπεριφορά του είναι ελάχιστα κατανοητή. Φιλοξενεί μερικές από τις πιο έντονες καταιγίδες στον πλανήτη, με τους ανέμους να χτυπάνε αδιάκοπα γύρω από την Ανταρκτική στο 24ωρο σκοτάδι του πολικού χειμώνα. Η μελέτη δείχνει ότι τα φαινόμενα που ανέτρεψαν οι άνεμοι μπορεί να έχουν συνέπειες για το κλίμα παγκοσμίως.

"Σκεφτήκαμε ότι αυτή η μεγάλη τρύπα στον πάγο της θάλασσας, γνωστή ως polynya, ήταν κάτι σπάνιο, ίσως μια διαδικασία που εξαφανίστηκε, αλλά τα γεγονότα του 2016 και του 2017 μας ανάγκασε να το επαναξιολογήσουμε", δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Ethan Campbell, ένας διδακτορικός φοιτητής UW στην ωκεανογραφία. "Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι οι πρόσφατες πολυγύνοι άνοιξαν από ένα συνδυασμό παραγόντων: το ένα είναι οι ασυνήθιστες συνθήκες των ωκεανών και το άλλο είναι μια σειρά πολύ έντονων καταιγίδων που στροβιλίστηκαν πάνω από τη Θάλασσα Weddell με άνεμους σχεδόν τυφώδεις».

Μια "πολυνία", μια ρωσική λέξη που σημαίνει κατά προσέγγιση "τρύπα στον πάγο", μπορεί να σχηματιστεί κοντά στην ακτή καθώς ο άνεμος ωθεί τον πάγο γύρω. Αλλά μπορεί επίσης να εμφανιστεί μακριά από την ακτή και να παραμείνει για εβδομάδες έως μήνες, όπου λειτουργεί ως όαση για πιγκουίνους, φάλαινες και σφραγίδες για να αναδυθεί και να αναπνεύσει.

Αυτό το συγκεκριμένο σημείο μακριά από την ακτή της Ανταρκτικής έχει συχνά μικρά ανοίγματα και έχει δει μεγάλα polynyas πριν. Οι μεγαλύτεροι γνωστοί πολυώνες στη συγκεκριμένη τοποθεσία βρίσκονταν το 1974, 1975 και 1976, λίγο μετά την εκτόξευση των πρώτων δορυφόρων, όταν μια περιοχή μεγέθους της Νέας Ζηλανδίας παρέμεινε χωρίς πάγο μέσα από τρεις συνεχείς χειμώνες της Ανταρκτικής, παρά τις θερμοκρασίες του αέρα πολύ κάτω από το πάγωμα.

Η νέα μελέτη χρησιμοποίησε παρατηρήσεις από το έργο Southern Carbon and Climate Observations and Modeling ή από την SOCCOM, η οποία έχει αναπτύξει μέσα από το 2014, τα οποία μετακινούνται με τα ρεύματα για να παρακολουθούν τις συνθήκες της Ανταρκτικής. Το κλειδί για την επιτυχία του έργου ήταν η επιλογή τοποθεσιών στη Θάλασσα Weddell όπου αναπτύχθηκαν τα μέσα. Στα τέλη του 2014, ο ωκεανογράφος Scripps Lynne Talley, ένας από τους κορυφαίους επιστήμονες της SOCCOM, επέλεξε τη θέση εν μέρει λόγω ενός ξεχωριστού χαρακτηριστικού - ενός υποθαλάσσιου βουνού γνωστού ως Maud Rise. Η ερευνητική ομάδα ξεκίνησε τροποποιημένες εκδόσεις των πλωτήρων που κατασκευάστηκαν αρχικά για το Argo - ένα δίκτυο περίπου 4.000 ρομπότ που συλλέγει βασικά δεδομένα σε βάθη 2.000 μέτρων (6.500 πόδια) σε όλο τον κόσμο. Αυτές οι εξειδικευμένες μονάδες - γνωστές ως βιογεωχημικές πλωτήρες Argo - διαθέτουν επιπλέον όργανα που επιτρέπουν μετρήσεις που σχετίζονται με τη βιολογική δραστηριότητα.

Μια συν-συγγραφέας της μελέτης, η Talley είπε ότι στοχεύει στην περιοχή του Maud Rise επειδή γνώριζε ότι σχετίζεται με ενδιαφέροντα φαινόμενα του κλίματος. Ήξερε ότι υπήρχε μια καλή πιθανότητα η φυσική των ωκεανών γύρω από το βουνό να μπορεί να παρασύρει τους πλωτήρες γύρω από το βουνό, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια φρεσκάδα δεδομένων.

"Αλλά δεν είχαμε καμία ένδειξη ότι το μεγαλύτερο γεγονός από τα μέσα της δεκαετίας του '70 θα συνέβαινε μόλις βάζαμε αυτά τα πλωτά μέσα", πρόσθεσε.

Κατά τύχη, ο σχηματισμός της γιγαντιαίας πολυνύας έλαβε χώρα το 2016, όταν οι πλωτήρες ήταν ακόμα παρόντες στην περιοχή για να συλλάβουν το γεγονός. Μια δορυφορική εικόνα της NASA τον Αύγουστο του ίδιου έτους αποκάλυψε ένα κενό 33.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων που εμφανίστηκε για τρεις εβδομάδες. Ένα ακόμη μεγαλύτερο χάσμα που αυξήθηκε στα 50.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα (19.000 τετραγωνικά μίλια) εμφανίστηκε το Σεπτέμβριο και τον Οκτώβριο του 2017.

"Αναγνωρίζοντας τη σημασία της περιοχής του Maud Rise για το κλίμα, η Lynne εξασφάλισε την παρουσία πλωμάτων Argo στην περιοχή ως μέρος του έργου SOCCOM", δήλωσε ο ερευνητής του Scripps Matt Mazloff, συν-συγγραφέας της εφημερίδας. "Τα δεδομένα float επέτρεψαν μια διεξοδική μελέτη των αιτιών και των επιπτώσεων αυτού του ανοίγματος πάγου, καθώς και μια νέα κατανόηση των ιστορικών γεγονότων".

Η μελέτη χρησιμοποίησε άλλα στοιχεία της Argo καθώς και στοιχεία που συλλέχθηκαν από σφραγίδες ελέφαντα εξοπλισμένες με ετικέτες που τους έδωσαν πίσω στην ακτή, μετεωρολογικούς σταθμούς, ατμοσφαιρική ανασκόπηση και δεκαετίες δορυφορικών εικόνων.

"Αυτή η μελέτη δείχνει ότι αυτή η polynya προκαλείται από διάφορους παράγοντες που όλοι πρέπει να προσαρμοστούν για να συμβεί", δήλωσε ο συν-συγγραφέας Stephen Riser, καθηγητής ωκεανογραφίας UW. "Σε κάθε δεδομένο έτος θα μπορούσατε να έχετε πολλά από αυτά τα πράγματα να συμβαίνουν, αλλά αν δεν τα πάρετε όλα, τότε δεν θα πάρετε μια polynya."

Η μελέτη δείχνει ότι όταν οι άνεμοι που περιβάλλουν την Ανταρκτική προσελκύονται πιο κοντά στην ακτή, προωθούν ισχυρότερη ανάμιξη των υδάτων στην Ανατολική Θάλασσα Weddell. Σε αυτή την περιοχή, ο Maud Rise αναγκάζει πυκνό θαλασσινό νερό γύρω από αυτό και αφήνει πάνω του μια περιστρεφόμενη δίνη. Δύο όργανα της SOCCOM παγιδεύτηκαν στη δίνη πάνω από το Maud Rise και κατέγραψαν εδώ και χρόνια παρατηρήσεις.

Η ανάλυση δείχνει ότι όταν οι επιφανειακοί ωκεανοί είναι ιδιαίτερα αλμυροί, όπως παρατηρήθηκε όλο το 2016, ισχυρές χειμωνιάτικες καταιγίδες μπορούν να ξεκινήσουν μια ανατροπή της κυκλοφορίας στην οποία θερμότερο, πιο αλάτι νερό από τα βάθη παίρνει αναδεύεται στην επιφάνεια. Εκεί ψύχει ο αέρας και το καθιστά πυκνότερο από το νερό κάτω. Καθώς το νερό καταβυθίζεται, το σχετικά θερμό βαθύ νερό περίπου 1 ℃ (34 ℉) το αντικαθιστά στην επιφάνεια, δημιουργώντας ένα βρόχο ανατροφοδότησης όπου ο πάγος δεν μπορεί να ξαναμορφώσει.

"Η ανάμειξη που βρήκε ο Ethan πάνω από το Maud Rise αναμειγνύει επίσης θρεπτικά συστατικά και συνέβαλε σε μια μεγάλη και πρώιμη άνθηση χλωροφύλλης που μετρήθηκε από τα βιογεωχημικά πλωτά μέσα της SOCCOM", δήλωσε ο Talley, "έτσι έχουμε πολλά περισσότερα για να ανακαλύψουμε και να καταλάβουμε αυτό το γεγονός".

Με την αλλαγή του κλίματος, το γλυκό νερό από τη δημιουργία παγετώνων και άλλες πηγές αναμένεται να καταστήσει το επιφανειακό στρώμα του νότιου ωκεανού λιγότερο πυκνό, πράγμα που ίσως σημαίνει λιγότερες πολυγύρες στο μέλλον. Αλλά η νέα μελέτη αμφισβητεί αυτήν την παραδοχή. Πολλά μοντέλα δείχνουν ότι οι άνεμοι που περιβάλλουν την Ανταρκτική θα γίνουν ισχυρότεροι και θα προσεγγίσουν την ακτή. Το νέο έγγραφο υποδηλώνει ότι αυτό θα ενθάρρυνε τη δημιουργία περισσότερων polynyas, όχι λιγότερων.

Αυτές είναι οι πρώτες παρατηρήσεις που αποδεικνύουν ότι ακόμη και μια μικρότερη polynya όπως το 2016 κινεί το νερό από την επιφάνεια μέχρι τον βαθύ ωκεανό.

"Ουσιαστικά, είναι μια ανατροπή ολόκληρου του ωκεανού και όχι μια έγχυση επιφανειακών υδάτων σε ένα μονοπάτι από την επιφάνεια προς το βάθος", δήλωσε ο συνάδελφός Earle Wilson, ο οποίος πρόσφατα ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στην ωκεανογραφία στο UW.

Ένας τρόπος με τον οποίο μια επιφάνεια polynya επηρεάζει το κλίμα είναι μέσω βαθύ νερό γνωστό ως Ανταρκτική Bottom Water. Πού και πώς δημιουργείται το βαθύ νερό επηρεάζει τα χαρακτηριστικά του και αυτό θα έχει κυματισμούς σε άλλα μεγάλα ρεύματα των ωκεανών.

"Αυτή τη στιγμή οι άνθρωποι σκέφτονται ότι το μεγαλύτερο μέρος του νερού κάτω σχηματίζεται στο ράφι της Ανταρκτικής, αλλά αυτές οι μεγάλες υπεράκτιες πολυώνες μπορεί να ήταν πιο συχνές στο παρελθόν", δήλωσε ο Riser. «Πρέπει να βελτιώσουμε τα μοντέλα μας ώστε να μπορέσουμε να μελετήσουμε αυτή τη διαδικασία, η οποία θα μπορούσε να έχει κλιματικές επιπτώσεις μεγαλύτερης κλίμακας».

Μεγάλες και μακράς διαρκείας πολυνύες μπορούν επίσης να επηρεάσουν την ατμόσφαιρα, επειδή τα βαθιά νερά περιέχουν άνθρακα από μορφές ζωής που έχουν βυθιστεί εδώ και αιώνες και διαλύονται στο δρόμο προς τα κάτω. Όταν το νερό φτάσει στην επιφάνεια, ο άνθρακας μπορεί να απελευθερωθεί.

"Αυτή η βαθιά δεξαμενή άνθρακα έχει κλειδωθεί για εκατοντάδες χρόνια, και σε μια polynya μπορεί να αερίζεται στην επιφάνεια μέσω αυτής της πραγματικά βίαιης ανάμιξης", δήλωσε ο Campbell. "Ένα μεγάλο φαινόμενο εξάπλωσης άνθρακα θα μπορούσε πραγματικά να χτυπήσει το κλιματικό σύστημα αν συνέβαινε πολλά χρόνια στη σειρά."

"Αυτή η polynya ήταν ένα σημαντικό γεγονός με σημαντικές επιπτώσεις στο μεταβαλλόμενο κλίμα μας. Ήταν χάρη στη σοφία του Lynne να αναπτύξει πλωτήρες πάνω από το Maud Rise ότι ήταν τόσο καλά τεκμηριωμένο », είπε ο Mazloff. "Εκτός από αυτή τη μελέτη, αρχίζουν να αναδύονται και άλλες αναλύσεις, οι οποίες αποδεικνύουν τόσο τη σημασία του γεγονότος όσο και την ποσότητα των πληροφοριών που έχουμε συγκεντρώσει πάνω του χάρη στην SOCCOM".

Άλλοι συν-συγγραφείς στο χαρτί είναι ο Kent Moore στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, ο οποίος ήταν ο Καναδάς Fulbright 2016-17 Visiting Chair στις Αρκτικές Σπουδές στο UW. και Casey Brayton στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καρολίνας, η οποία ξεκίνησε τις εργασίες της στο πλαίσιο του προγράμματος Summer Scouting Research Fellowship (SURF) στο Scripps.

Το SOCCOM χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών. Ο Campbell υποστηρίχθηκε από το Υπουργείο Άμυνας μέσω του προγράμματος της Εθνικής Αμυντικής Επιστήμης & Μηχανικής Μεταπτυχιακής Φιλολογίας. Πρόσθετη χρηματοδότηση προέρχεται από την NSF, την Εθνική Ωκεανική και Ατμοσφαιρική Διοίκηση, την UW και την Ωκεανογραφία Scripps.

- Προσαρμογή από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον