En speciell höghastighetsvinsch som forskarna använde för att snabbt höja och sänka instrument för att spåra färgämnets rörelser under vattnet. Kredit: San Nguyen
Hittills har storskalig havscirkulation som involverar djupvatten som stiger till ytan aldrig direkt observerats.
För första gången har forskare från UC San Diegos Scripps Institution of Oceanography lett ett internationellt team för att direkt mäta uppströmningen av kallt, djupt vatten genom turbulent blandning längs sluttningen av en ubåtskanjon i Atlanten.
Uppväxttakten som forskarna observerade var mer än 10 000 gånger den globala genomsnittshastigheten som förutspåddes av den sene berömda oceanografen Walter Munk på 1960-talet.
Resultaten visas i en ny studie ledd av Scripps postdoktor Bethan Wynne-Cattanach och publicerad i tidskriften Natur. Fynden börjar avslöja ett irriterande mysterium inom oceanografin och kan så småningom bidra till att förbättra mänsklighetens förmåga att förutse klimatförändringar. Forskningen stöddes av anslag från Natural Environment Research Council och National Science Foundation.
Denna tunna är fylld med giftfritt fluorescerande färgämne, som forskare släppte strax ovanför havsbotten för att svara på en långvarig fråga inom oceanografi. Kredit: San Nguyen
Världen som vi känner den kräver storskalig havscirkulation, ofta kallad transportbandscirkulation, där havsvatten blir kallt och tätt nära polerna, sjunker ner i djupet och så småningom stiger tillbaka upp till ytan där det värms upp, vilket börjar cykeln igen. Dessa breda mönster upprätthåller en omsättning av värme, näringsämnen och kol som underbygger det globala klimatet, marina ekosystem och havets förmåga att mildra klimatförändringar orsakade av människor.
Trots transportbandets betydelse har dock en komponent av det som kallas meridional overturning circulation (MOC) visat sig vara svår att observera. I synnerhet har återgången av kallt vatten från djuphavet till ytan genom uppströmning teoretiserats och antagits men aldrig direkt uppmätts.
Munks teorier och nya framsteg
År 1966 beräknade Munk en global genomsnittlig uppströmningstakt med hjälp av den hastighet med vilken kallt, djupt vatten bildades nära Antarktis. Han uppskattade uppvallningshastigheten till en centimeter per dag. Volymen vatten som transporteras av denna uppströmningshastighet skulle vara enorm, sa Matthew Alford, professor i fysisk oceanografi vid Scripps och senior författare till studien, ”men spritt ut över hela det globala havet är det flödet för långsamt för att kunna mätas direkt. ”
Munk föreslog att denna uppströmning skedde via turbulent blandning orsakad av brytande inre vågor under havets yta. För cirka 25 år sedan började mätningar avslöja att undervattensturbulensen var högre nära havsbotten, men detta presenterade oceanografer för en paradox, sa Alford.
Bethan Wynne-Cattanach och Matthew Alford observerar operationer ombord på forskningsfartyget under experimentet. Kredit: San Nguyen
Om turbulensen är starkast nära botten där vattnet är kallast, skulle ett givet vattenpaket uppleva en starkare blandning under det där vattnet är kallare. Detta skulle få effekten att göra bottenvattnet ännu kallare och tätare, trycka ner vattnet istället för att lyfta det mot ytan. Denna teoretiska förutsägelse, sedan den bekräftades av mätningar, verkar motsäga det observerade faktum att djuphavet inte bara har fyllts upp med det kalla, täta vatten som bildas vid polerna.
Ny teori och direkta observationer
2016 föreslog forskare inklusive Raffaele Ferrari, oceanograf vid Massachusetts Institute of Technology och medförfattare till den aktuella studien, en ny teori som hade potential att lösa denna paradox. Tanken var att branta sluttningar på havsbottnen på platser som väggarna i undervattenskanjoner kunde ge upphov till rätt typ av turbulens.
Wynne-Cattanach, Alford och deras medarbetare gav sig ut för att se om de direkt kunde observera detta fenomen genom att genomföra ett experiment till havs med hjälp av en tunna med ett giftfritt, fluorescerande grönt färgämne som kallas fluorescein. Med början 2021 besökte forskarna en cirka 2 000 meter djup undervattenskanjon i Rockall Trough, cirka 370 kilometer (230 miles) nordväst om Irland.
”Vi valde den här kanjonen av de cirka 9 500 vi känner till i haven eftersom den här platsen är ganska omärklig när djuphavsraviner går”, sa Alford. ”Tanken var att det skulle vara så typiskt som möjligt för att göra våra resultat mer generaliserbara.”
Flytande ovanför ubåtskanjonen i ett forskningsfartyg, sänkte teamet en 55-liters trumma med fluorescein till 10 meter (32,8 fot) över havsbotten och utlöste sedan utsläppet av färgämnet på distans.
Sedan spårade teamet färgämnet i två och en halv dag tills det försvann med hjälp av flera instrument anpassade internt på Scripps för experimentets krav. Forskarna kunde spåra färgämnets rörelse i hög upplösning genom att långsamt flytta fartyget upp och ner för kanjonens sluttning. Nyckelmätningarna kom från enheter som kallas fluorometrar som kan detektera närvaron av små mängder av det fluorescerande färgämnet – ner till mindre än 1 del per miljard – men andra instrument mätte också förändringar i vattentemperatur och turbulens.
Implikationer och framtida forskning
Att spåra färgämnets rörelser avslöjade turbulensdriven uppströmning längs kanjonens sluttning, vilket bekräftar Ferraris föreslagna lösning av paradoxen med direkta observationer för första gången. Teamet mätte inte bara uppströmningen längs kanjonens sluttning, den uppströmningen var mycket snabbare än Munks beräkningar från 1966 förutspådde.
Där Munk drog slutsatsen ett globalt medelvärde på en centimeter per dag, fann mätningar vid Rockall Trough att uppvallningen fortsatte med 100 meter per dag. Dessutom observerade teamet att något färgämne migrerade bort från kanjonens sluttning och mot dess inre, vilket tyder på att fysiken i den turbulenta uppströmningen var mer komplex än vad Ferrari ursprungligen trodde.
”Vi har observerat uppsvällning som aldrig har mätts direkt tidigare”, säger Wynne-Cattanach. ”Hastigheten för den uppströmningen är också väldigt snabb, vilket, tillsammans med mätningar av nedströmning på andra håll i haven, tyder på att det finns hotspots för uppströmning.”
Alford kallade studiens resultat ”en uppmaning till vapen för det fysiska oceanografiska samhället att förstå havsturbulens mycket bättre.”
Wynne-Cattanach sa att det var en stor ära för henne, som doktorand, att leda ett projekt som representerar kulmen på årtionden av arbete från forskare över hela fältet med så framstående forskare som medarbetare. Baserat på teamets preliminära resultat blev Wynne-Cattanach den första studenten som blev inbjuden att tala vid den prestigefyllda Gordon Research Conference on Ocean Mixing 2022.
Nästa steg blir att testa om det finns liknande uppvallningar i andra ubåtskanjoner runt om i världen. Med tanke på kanjonens omärkliga egenskaper, sa Alford att det verkar rimligt att förvänta sig att fenomenet är relativt vanligt.
Om resultaten stämmer på andra ställen, sa Alford att globala klimatsimuleringar måste börja explicit redogöra för denna typ av turbulensdriven uppströmning vid havsbottens topografiska egenskaper. ”Detta arbete är det första steget för att lägga till saknad havsfysik till våra klimatmodeller som i slutändan kommer att förbättra dessa modellers förmåga att förutsäga klimatförändringar,” sa han.
Vägen till att förbättra den vetenskapliga förståelsen av havsturbulens är tvåfaldig, enligt Alford. För det första, ”vi måste göra fler högteknologiska, högupplösta experiment som detta i viktiga delar av havet för att bättre förstå de fysiska processerna.” För det andra, sa han, ”vi måste mäta turbulens på så många olika platser som möjligt med autonoma instrument som Argo-floats.”
Forskarna är redan i färd med att genomföra ett liknande färgämnesfrisättningsexperiment strax utanför kusten av Scripps campus i La Jollas ubåtskanyon.