Считается, что океанские воды текут по своего рода конвейерной ленте, которая перемещает их между поверхностью и глубиной по бесконечной петле. Однако остается неясным, где глубокие воды поднимаются на поверхность, что в конечном итоге и должно происходить. Эта информация поможет исследователям оценить, как долго океан может хранить углерод в своих самых глубоких областях, прежде чем вернуть его на поверхность.
Теперь ученые из Массачусетского технологического института, Океанографического института Вудс-Холла (WHOI) и Саутгемптонского университета в Великобритании определили механизм, с помощью которого вода может подниматься из глубин океана в его самые верхние слои. Их результаты опубликованы в журнале Nature Communications.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 пропасти и скалы создают бурные потоки, похожие на ветер, который проносится между небоскребами города. Чем дольше вода задерживается среди этих топографических объектов, тем больше она смешивается с верхними слоями океана, возвращаясь к поверхности.«В бездонном океане 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 в Департаменте Земли, Атмосфера Массачусетского технологического института. и планетарные науки. «Кажется, что всплывает то, что вода возвращается из бездны, проводя много времени в этих местах, где действительно сильная турбулентность».
Знание о том, что существуют горячие точки, в которых глубокие воды возвращаются на поверхность, может помочь ученым определить регионы, где углерод, однажды поглощенный из атмосферы и хранящийся глубоко в океане, поднимается и возвращается обратно в атмосферу.«Общее понимание таково, что для выхода на поверхность глубинных вод требуется от нескольких до нескольких тысяч лет», — говорит ведущий автор и постдок Массачусетского технологического института Али Машаек. «Если значительное количество такого апвеллинга происходит быстро вдоль наклонных границ, континентальных окраин и срединно-океанических хребтов, то временные рамки повторного использования глубинных вод могут быть короче».
Соавторы Феррари и Машаека — София Меррифилд, аспирантка Массачусетского технологического института; Джим Ледуэлл и Лу Сен-Лоран из WHOI; и Альберто Навейра Гарабато из Саутгемптонского университета.Мощность 10 лампочек
По оценкам Феррари, в холодных полярных регионах количество воды, которая постоянно опускается в глубину океана, составляет «около 107 кубических метров в секунду — в 50 раз больше, чем у реки Амазонки».В 1966 году известный океанограф Уолтер Манк решил загадку того, как вся эта глубокая вода возвращается на поверхность, предположив, что мелкомасштабная океаническая турбулентность может заставить тяжелую глубоководную воду смешиваться и подниматься. Он утверждал, что эта турбулентность принимает форму разрушающихся внутренних гравитационных волн, которые проходят между слоями воды разной плотности под поверхностью океана.Манк вычислил силу перемешивания, которая должна быть получена при разрушении внутренних гравитационных волн, чтобы поднять всю глубину океана обратно на поверхность.
По словам Феррари, это число эквивалентно «примерно 10 лампочкам на кубический километр океана».С тех пор океанографы определили ограниченные области, такие как подводные горы и хребты, которые создают турбулентность, подобную той, что предполагал Мунк.«Но если вы суммировали эти несколько мест, вы, похоже, не достигли того числа, которое вам нужно, чтобы вернуть всю эту воду», — говорит Феррари.
Делая проходВ феврале 2009 года сотрудники WHOI развернули индикатор в Южном океане, примерно в 1000 милях к западу от пролива Дрейка, в рамках проекта под названием DIMES (эксперимент по диапикальному и изопикническому перемешиванию в Южном океане) для анализа перемешивания океанических вод.
«Они выпустили каплю краски, похожую на каплю молока в кофейной чашке, и позволили океану перемешать ее», — говорит Феррари.За два года они отобрали пробы индикатора 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 натолкнулся на подводные горы и хребты, и «внезапно он начал довольно быстро распространяться по вертикали, в три раза быстрее, чем предсказывал Мунк», — говорит Феррари.Что было движущей силой этого ускоренного микширования?
Чтобы выяснить это, команда, возглавляемая Машаеком, разработала численную модель для моделирования региона Южного океана — задача не из легких, поскольку было неясно, может ли такая модель иметь достаточно высокое разрешение, чтобы воспроизвести мелкомасштабные движения трассировщика на фоне огромный объем морской воды.«Я проделал некоторые предварительные расчеты на основе оценок конверта и понял, что у нас будет достаточно разрешения, чтобы это сделать», — вспоминает Машаек.Tracer, в ловушкеИсследователи использовали модель общей циркуляции Массачусетского технологического института — числовую 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, включая характер ветра, солнечное нагревание, испарение и осадки.
Затем они внедрили измерения из эксперимента DIMES в модель и экстраполировали турбулентность на весь регион океана, учитывая лежащую под ним топографию.Затем команда поместила индикатор в свою модель в том же месте, где настоящий индикатор был выпущен в Южный океан, и заметила, что он действительно распространился вертикально с той же скоростью, что и исследователи в полевых условиях, доказав, что модель представлял настоящую волну океана.При более внимательном рассмотрении своих симуляций исследователи заметили, что регионы с топографией, такие как подводные горы и хребты, по сути, задерживали индикатор в течение длительных периодов времени, ударяя и перемешивая его по вертикали, прежде чем индикатор ускользнул и ускользнул через более спокойные воды.
Исследователи полагают, что турбулентность, возникающая в этих изолированных регионах в течение длительных периодов времени, может достигать общего количества перемешивания, которое первоначально предсказал Мунк. Таким образом, этот процесс перемешивания может объяснить, как воды в глубоком океане снова поднимаются на поверхность.«Апвеллинг, вызванный микшированием, актуален во всем мире», — говорит Машаек. «Если наши открытия в Южном океане распространятся на другие горячие точки смешения по всему миру, 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».