Desde el descubrimiento del capitán James Cook en la década de 1770 de que el agua abarcaba las latitudes meridionales de la Tierra, oceanógrafos han estado estudiando el Océano Austral, su física, y cómo interactúa con la circulación global del agua y el clima.

A través de observaciones y modelado, Los científicos saben desde hace mucho tiempo que corrientes profundas en el pacifico, Los océanos Atlántico e Índico fluyen hacia el sur, convergiendo en la Antártida. Después de entrar en el Océano Austral, se vuelcan, trayendo agua desde el océano más profundo, antes de retroceder hacia el norte en la superficie. Este vuelco completa el ciclo de circulación global, que es importante para la absorción oceánica de carbono y calor, el reabastecimiento de nutrientes para su uso en la producción biológica, así como la comprensión de cómo se derriten las plataformas de hielo.

Sin embargo, la estructura tridimensional de las vías que toman estas partículas de agua para llegar a la capa mixta de la superficie del Océano Austral y sus escalas de tiempo asociadas no se entendía bien hasta hace poco. Ahora los investigadores han descubierto que El agua relativamente cálida de las tres cuencas oceánicas ingresa al Océano Austral y gira en espiral hacia el sureste y hacia arriba alrededor de la Antártida antes de llegar a la capa mixta del océano. donde interactúa con la atmósfera.

El equipo de investigación incluye científicos del MIT, la Institución Scripps de Oceanografía, Universidad de Princeton, el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos, el Laboratorio Nacional de Los Alamos, la Universidad de Washington, y el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. El estudio, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , también revela que fuertes remolinos, causada por interacciones topográficas en cinco lugares dentro de la Antártida que circunda la corriente, juegan un papel importante en este proceso de surgencia. Los investigadores también pudieron determinar cuánta agua de cada cuenca oceánica formaba lo que ellos llaman esta "escalera de caracol". "y creo que este viaje ocurre mucho más rápido de lo que sugieren las estimaciones anteriores.

En el Océano Austral Las fuertes interacciones océano-atmósfera y los remolinos impulsan en gran medida las afloramientos, los investigadores han encontrado. Los vientos del oeste que rodean la Antártida soplan fríos, agua superficial rica en dióxido de carbono hacia el norte desde el continente a través de la Corriente Circumpolar Antártica (ACC). El ACC fluye alrededor del borde norte del Océano Austral y no solo es la corriente más fuerte del mundo, pero también la única corriente importante que rodea el globo sin obstáculos por continentes. Gran parte del agua fría proviene del derretimiento del hielo, causado por más cálido, aguas ricas en nutrientes que ingresan al ACC en profundidad y surgen gradualmente desde aproximadamente 1, 000-3, 000 metros de profundidad.

Las observaciones de la temperatura y la salinidad del Océano Austral proporcionaron pistas sobre la estructura de este vuelco, pero no fue hasta hace poco que los modelos de computadora fueron lo suficientemente sofisticados como para ejecutar simulaciones realistas, permitiendo a los investigadores investigar si y cómo varía la surgencia en el espacio tridimensional y qué controla la estructura de la surgencia. Para explorar estas preguntas, los investigadores utilizaron tres modelos atmósfera-océano, capaz de capturar características críticas de la circulación oceánica que ocurren a pequeña escala. Luego siguieron partículas de agua virtual desde donde ingresaron al Océano Austral alrededor de 30 Sur y entre 1, 000 y 3, 000 metros de profundidad hasta donde cruzaron el límite de la capa mixta, que se consideró tener 200 metros de profundidad. Las condiciones utilizadas en los experimentos de modelos climáticos fueron bastante consistentes con las del año 2000; estos se ejecutaron luego durante 200 años en este estado perpetuo. Durante este tiempo, se liberaron partículas de agua virtual en los modelos.

"Rastreamos millones de estas partículas a medida que surgen. Luego, trazamos un mapa de sus rutas, y podemos determinar ... y separar el volumen de transporte (cuánta agua se mueve) por estas corrientes. Entonces, podemos comparar la importancia de estas diferentes vías regionales, "dice el coautor Henri Drake, estudiante de posgrado en el Departamento de Tierra del MIT, Ciencias Atmosféricas y Planetarias (EAPS), y miembro del Programa en Atmósferas, Océanos y clima. También observaron el tiempo que tardaron las partículas en llegar a la capa de mezcla, así como las ubicaciones de afloramientos mejorados.

Su análisis reveló que las parcelas de agua tendían a fluir hacia el sur, principalmente a lo largo de las corrientes fronterizas occidental y oriental en el Atlántico, Indio, y océanos Pacífico, donde ingresaron al seguimiento ACC con superficies de densidad. Las interacciones del ACC y los remolinos alrededor del terreno submarino también jugaron un papel importante en el proceso de surgencia.

"En las profundidades del océano, las parcelas de agua siguen superficies de densidad ... que comienzan muy profundas donde liberamos las partículas y luego se vuelven menos profundas a medida que avanza hacia el sur, "Dice Drake." Entonces, si tienes una partícula que viaja hacia el sur a lo largo de la misma superficie de densidad, va a subir más alto en la columna de agua, hasta que finalmente la superficie de densidad se cruza con la capa mezclada ".

Adicionalmente, cinco ubicaciones topográficas principales en el ACC:Southwest Indian Ridge, la meseta de Kerguelen, el Macquarie Ridge, la Cordillera Pacífico-Antártica, y el Pasaje de Drake:áreas creadas de turbulencia y alta energía cinética, lo que ayudó a aflorar la mayor parte del agua.

"Los remolinos son básicamente estos vórtices en el Océano Austral que son realmente importantes para transportar aguas, "dice Drake." Si no tienes ningún remolino, el agua probablemente rodearía la Antártida y regresaría a la misma latitud. Pero con remolinos cuando las partículas viajan en estas líneas de corriente, van a llegar a un lugar de alta energía cinética de remolinos y surgen hacia el sur hasta la siguiente línea de corriente ".

Los investigadores también encontraron que la mitad del agua que alcanzó la capa mixta se originó en el Océano Atlántico, mientras que los océanos Índico y Pacífico contribuyeron cada uno con aproximadamente una cuarta parte. La mayoría de estas aguas cruzaron este umbral después de 28-81 años. En el modelo de mayor resolución, esta escala de tiempo es hasta 10 veces más rápida que las estimaciones anteriores producidas por modelos sin remolinos, que estaban más cerca de los 150-250 años. Esto demuestra que las tasas de surgencia podrían ser críticas para el derretimiento del hielo antártico en relación con el cambio climático futuro. dice Adele Morrison, un coautor de la Universidad Nacional de Australia que contribuyó al trabajo mientras estaba en la Universidad de Princeton. Los modelos estuvieron de acuerdo en gran medida, mostrando la robustez del resultado, ella dice.

"Científicamente, esto es significativo, porque durante mucho tiempo hemos pensado en la surgencia como impulsada principalmente por los vientos, que son bastante uniformes en todo el Océano Austral, ", dice Morrison." Pero aquí hemos demostrado que la estructura del afloramiento está realmente controlada por la topografía submarina y el campo de remolinos ".

John Marshall, el profesor de Oceanografía Cecil e Ida Green en EAPS, que no formó parte del estudio, dice que la investigación confirma que la surgencia en el Océano Austral "está mediada por remolinos, pero enfatiza cuán importantes son los remolinos y cuán localizada está parte de la actividad de los remolinos, por lo que dificulta su representación en modelos que no tienen ningún remolino ".

"Creo que los plazos de comunicación pueden ser un poco más rápidos de lo que pensamos entre el interior y la superficie, Marshall dice.

El grupo planea continuar el trabajo, investigar las interfaces océano-atmósfera, trayectorias de partículas de agua, y la propagación de señales de cambio climático desde la formación de aguas profundas en el Atlántico norte hasta el Océano Austral.

"Nuestra descripción de las vías que conectan el océano profundo con la superficie del océano abre la puerta a estudios futuros para conectar la mecánica de fluidos del océano profundo con los intercambios de calor, carbón, y nutrientes en la interfaz océano-atmósfera que influyen en el clima de la Tierra, "Dice Drake.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.