Роботизированные данные помогают объяснить загадочные дыры

Морская полынья Уэдделла, изначально 3700 квадратных миль, 2017 год. На снимке со спутника НАСА, окрашенном в ложный цвет, изображен синий лед, облака белым. (Фото: Институт океанографии Скриппса)

Зимний лед на поверхности моря Уэдделла в Антарктиде иногда образует огромную дыру. В 2016 и 2017 годах одна такая дыра вызвала большой интерес со стороны ученых и СМИ.

Хотя большие зазоры образовались десятилетия назад, океанографам впервые представилась возможность по-настоящему наблюдать неожиданный разрыв в зимнем морском льду Антарктики. Это была возможность, появившаяся в результате сверхъестественного времени и опытного океанографа, который знал море.

Новое исследование, в соавторстве с исследователями из Института океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего, объединяет спутниковые изображения морского ледяного покрова и данные, собранные роботизированными дрифтерами и даже уплотнениями, оснащенными датчиками, для лучшего понимания этого явления. Исследование, проведенное Вашингтонским университетом (UW), исследует, почему эта дыра появляется только через несколько лет, и какую роль она может играть в большей циркуляции океана.

Исследование, опубликованное 10 июня в журнале Nature , затрагивает регион, который океанографы считают крайне важным для климата. Считается, что Южный океан играет ключевую роль в глобальных океанских течениях и углеродных циклах, но его поведение плохо изучено. Здесь происходят одни из самых сильных штормов на планете, где в Антарктиде 24 часа непрерывной тьмы полярной зимы беспрерывно доносятся ветры. Исследование предполагает, что явления, которые приводят в движение эти ветры, могут иметь последствия для климата во всем мире.

«Мы думали, что эта большая дыра в морском льду - известная как полынья - была чем-то редким, может быть, процесс вымер, но события 2016 и 2017 годов заставили нас пересмотреть это», - сказал ведущий автор Этан Кэмпбелл. UW докторант в области океанографии. «Наблюдения показывают, что недавние полиньи открылись из-за сочетания нескольких факторов: один - необычные условия в океане, а другой - серия очень интенсивных штормов, обрушившихся на море Уэдделла с почти ураганными ветрами».

«Полынья», русское слово, которое примерно означает «дыра во льду», может образовываться у берега, когда ветер толкает лед. Но он также может появляться далеко от берега и держаться неделями или месяцами, где он служит оазисом для пингвинов, китов и тюленей, которые могут всплывать и дышать.

Это конкретное место вдали от антарктического побережья часто имеет небольшие отверстия и ранее видело большие полыньи. Самые большие известные полыньи в этом месте были в 1974, 1975 и 1976 годах, сразу после запуска первых спутников, когда территория размером с Новую Зеландию оставалась свободной ото льда в течение трех последовательных антарктических зим, несмотря на то, что температура воздуха намного ниже нуля.

В новом исследовании использовались наблюдения из проекта Наблюдения за углеродом и климатом в Южном океане или проекта SOCCOM, который с 2014 года развертывает приборы, дрейфующие с потоками для мониторинга условий Антарктики. Ключом к успеху проекта был выбор участков в море Уэдделла, где были развернуты приборы. В конце 2014 года океанограф Scripps Линн Тэлли, одна из главных ученых в SOCCOM, выбрала место отчасти из-за отличительной особенности - подводной горы, известной как подъем Мод. Исследовательская группа выпустила модифицированные версии поплавков, первоначально построенных для Argo - сети, насчитывающей почти 4000 роботов, которые собирают фундаментальные данные на глубине 2000 метров (6500 футов) по всему миру. Эти специализированные подразделения - известные как биогеохимические поплавки Argo - имеют дополнительное оборудование, позволяющее проводить измерения, связанные с биологической активностью.

Соавтор исследования, Талли сказала, что она предназначалась для области Подъема Мод, потому что она знала, что это было связано с интересными климатическими явлениями. Она знала, что существует большая вероятность того, что физика океана вокруг горы может увлечь плавания вокруг горы, что может привести к огромному количеству данных.

«Но мы понятия не имели, что самое крупное событие с середины 1970-х годов будет происходить именно тогда, когда мы введем эти поплавки», - добавила она.

Случайно, формирование гигантской полыньи произошло в 2016 году, когда поплавки еще присутствовали в регионе, чтобы запечатлеть это событие. Спутниковое изображение НАСА в августе того же года показало разрыв в 13 000 квадратных километров (13 000 квадратных миль), который появлялся в течение трех недель. Еще больший разрыв, который вырос до 50 000 квадратных километров (19 000 квадратных миль), появился в сентябре и октябре 2017 года.

«Признавая важность региона Мод-Райз для климата, Линн обеспечила присутствие поплавков Арго в этом районе в рамках проекта SOCCOM», - сказал исследователь Scripps Мэтт Мазлофф, соавтор статьи. «Данные с поплавка позволили тщательно изучить причины и последствия этого открытия ледяного покрова, а также новое понимание исторических событий».

В исследовании использовались другие данные Арго, а также данные, собранные морскими слонами, снабженными метками, которые направляют его обратно на берег, метеостанции, атмосферный реанализ и десятилетние спутниковые снимки.

«Это исследование показывает, что эта полыня на самом деле вызвана рядом факторов, которые все должны выстроить в линию, чтобы это произошло», - сказал соавтор Стивен Райзер, профессор океанографии в Калифорнии. «В любой конкретный год у вас может произойти несколько таких вещей, но если вы не получите их все, тогда у вас не будет полыньи».

Исследование показывает, что, когда ветры, окружающие Антарктиду, приближаются к берегу, они способствуют более сильному восходящему перемешиванию вод в восточной части моря Уэдделла. В этом регионе подъем Мод обволакивает плотную морскую воду и оставляет вращающийся вихрь выше. Два инструмента SOCCOM оказались в ловушке в вихре над подъемом Мод и записали там годы наблюдений.

Анализ показывает, что, когда поверхностный океан особенно соленый, как это наблюдалось в течение 2016 года, сильные зимние штормы могут вызвать опрокидывающуюся циркуляцию, в которой более теплая, более соленая вода из глубин поднимается на поверхность. Там воздух охлаждает его и делает его более плотным, чем вода внизу. По мере того как эта вода тонет, относительно более глубокая глубокая вода, составляющая около 1 ℃ (34 ℉), заменяет ее на поверхности, создавая петлю обратной связи, в которой лед не может сформироваться.

«Смеси, которые Итан обнаружил в Мод-Райз, также смешивают питательные вещества и способствуют большому и раннему цветению хлорофилла, которое было измерено биогеохимическими поплавками SOCCOM», - сказал Тэлли, - так что у нас есть еще много чего, чтобы узнать и понять об этом событии ».

Ожидается, что благодаря изменению климата пресная вода из тающих ледников и других источников сделает поверхностный слой Южного океана менее плотным, что может означать меньшее количество полыньев в будущем. Но новое исследование ставит под сомнение это предположение. Многие модели показывают, что ветры, окружающие Антарктиду, станут сильнее и приблизятся к побережью. Новая статья предполагает, что это будет способствовать формированию большего количества полынь, а не уменьшению.

Это первые наблюдения, доказывающие, что даже меньшая полыня, как в 2016 году, перемещает воду с поверхности до самого глубокого океана.

«По сути это переворачивание всего океана, а не инъекция поверхностных вод при одностороннем путешествии от поверхности до глубины», - сказал соавтор Эрл Уилсон, который недавно закончил докторскую степень по океанографии в UW.

Один из способов влияния поверхностной полыньи на климат - глубокие воды, известные как антарктические донные воды. Где и как создается глубокая вода, влияет на ее характеристики, и это будет иметь волновые последствия для других основных океанских течений.

«Сейчас люди думают, что большая часть донных вод формируется на антарктическом шельфе, но эти большие морские полыни могли быть более распространены в прошлом», - сказал Райзер. «Нам нужно улучшить наши модели, чтобы мы могли изучить этот процесс, который может иметь более масштабные последствия для климата».

Большие и продолжительные полиньи также могут влиять на атмосферу, потому что глубокая вода содержит углерод из форм жизни, которые утонули на протяжении веков и растворились на пути вниз. Как только эта вода достигает поверхности, углерод может быть выпущен.

«Этот глубокий резервуар углерода был закрыт в течение сотен лет, и в полинье он мог вентилироваться на поверхности посредством этого действительно сильного смешения», - сказал Кэмпбелл. «Крупное событие по выбросам углерода может по-настоящему испортить климатическую систему, если это будет происходить несколько лет подряд».

«Эта полыня была значительным событием, имеющим важные последствия для нашего меняющегося климата. Именно благодаря мудрости Линн развернуть поплавки над Подъемом Мод, это было так хорошо задокументировано », - сказал Мазлофф. «В дополнение к этому исследованию начинают появляться другие анализы, которые свидетельствуют как о значимости этого события, так и о количестве информации, которую мы собрали о нем благодаря SOCCOM».

Другими соавторами статьи являются Кент Мур из Университета Торонто, который в 2016–17 годах посещал Канадскую кафедру Фулбрайта по арктическим исследованиям в UW; и Кейси Брайтон из Университета Южной Каролины, которая начала свою работу в рамках этого проекта в рамках программы Летнего обучения студентов (SURF) в Scripps.

SOCCOM финансируется Национальным научным фондом. Кэмпбелл получил поддержку Министерства обороны в рамках программы стипендий для выпускников Национальной оборонной науки и техники. Дополнительное финансирование от NSF, Национального управления океанических и атмосферных исследований, UW и Scripps Oceanography.

- адаптировано из Университета Вашингтона