På höga breddgrader, såsom nära Antarktis och polcirkeln, havets ytvatten kyls av kalla temperaturer och blir så täta att de sjunker några tusen meter ner i havets avgrund.

Havsvatten tros rinna längs ett slags transportband som transporterar dem mellan ytan och djupet i en oändlig slinga. Dock, det är fortfarande oklart var de djupa vattnen stiger upp till ytan, som de i slutändan måste. Denna information skulle hjälpa forskare att uppskatta hur länge havet får lagra kol i sina djupaste regioner innan det återförs till ytan.

Nu forskare från MIT, Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), och University of Southampton i U.K. har identifierat en mekanism genom vilken vatten kan stiga från havets djup till dess översta lager. Deras resultat publiceras idag i tidskriften Naturkommunikation .

Genom numerisk modellering och observationer i södra oceanen, teamet fann att topografiska funktioner som sömmar, åsar, och kontinentala marginaler kan fånga djupt vatten från att migrera till plattare, lugnare delar av havet. Undervattensklackarna och klipporna genererar turbulenta flöden, liknande vind som piskar mellan en stads skyskrapor. Ju längre vatten är fångat bland dessa topografiska funktioner, ju mer det blandas med övre lager av havet, virvlar sig tillbaka mot ytan.

"I avgrundens hav, du har 4, 000 meter havsberg och mycket djupa dalgångar, upp och ner, och dessa topografiska funktioner hjälper till att skapa turbulens, "säger Raffaele Ferrari, Cecil och Ida Green professor i oceanografi vid MIT:s Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap. "Det som verkar dyka upp är att vatten kommer tillbaka från avgrunden genom att spendera mycket tid på dessa platser där turbulensen är riktigt stark."

Att veta att det finns hotspots där djupa vatten återvänder till ytan kan hjälpa forskare att identifiera regioner där kol, en gång absorberad från atmosfären och lagrad djupt i havet, stiger och släpps tillbaka till atmosfären.

"Den allmänna förståelsen är att det tar några till flera tusen år att komma upp i ett avgrundsvatten, "säger huvudförfattare och MIT postdoc Ali Mashayek." Om en betydande mängd sådan uppväxt sker snabbt längs sluttande gränser, kontinentala marginaler, och åsar i mitten av havet, då kan tidsperioden för återvinning av avgrundsvatten vara kortare. "

Ferrari och Mashayeks medförfattare är Sophia Merrifield, en MIT -doktorand; Jim Ledwell och Lou St. Laurent från WHOI; och Alberto Naveira Garabato från University of Southampton.

Kraften hos 10 glödlampor

I kalla polarområden, mängden vatten som kontinuerligt sjunker till djuphavet beräknas vara "cirka 107 kubikmeter per sekund - 50 gånger transporten av Amazonfloden, Säger Ferrari.

År 1966, den hyllade oceanografen Walter Munk tog upp pusslet om hur allt detta djupa vatten återvänder till ytan, föreslår att småskalig havsturbulens kan driva tungt, djupt vatten för att blanda och stiga. Denna turbulens, han poserade, har formen av att bryta inre tyngdkraftsvågor som rör sig mellan vattenlager med olika densiteter, under havets yta.

Munk beräknade den blandningseffekt som skulle behöva genereras genom att bryta inre tyngdkraftsvågor för att få allt havets djupa vatten tillbaka upp till ytan. Numret, Ferrari säger, motsvarar "cirka 10 glödlampor per kubik kilometer av havet".

Sedan dess, oceanografer har identifierat begränsade områden, som sömmar och åsar, som skapar turbulens som liknar vad Munk teoretiserade.

"Men om du summerar de få platserna, du verkade inte komma upp till det antal du behövde för att få tillbaka allt det vattnet, Säger Ferrari.

Gör passage

I februari 2009, samarbetspartners från WHOI utplacerade ett spårämne i södra oceanen, cirka 1, 000 miles väster om Drake Passage, som en del av ett projekt som heter DIMES (Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean) för att analysera blandningen av havsvatten.

"De släppte en klick färgämne, som en droppe mjölk i en kaffekopp, och låt havet blanda det runt, Säger Ferrari.

Över två år, de provade spåraren vid olika stationer nedströms från där den släpptes, och fann att den upplevde mycket liten turbulens, eller blandning, i delar av havet med få topografiska drag. Dock, när spåraren korsade Drake Passage, det stötte på sömmar och åsar, och "helt plötsligt det började sprida sig i vertikalen ganska snabbt, vid tre gånger den hastighet som Munk förutspådde, Säger Ferrari.

Vad var det som drev denna accelererade blandning? Att få reda på, laget, ledd av Mashayek, utvecklat en numerisk modell för att simulera regionen i södra oceanen - ingen liten uppgift, eftersom det var oklart om en sådan modell kunde ha tillräckligt hög upplösning för att reproducera spårarens småskaliga rörelser bland en stor mängd havsvatten.

"Jag gjorde några preliminära beräkningar, på kuvertets baksida, och insåg att vi skulle ha tillräckligt med upplösning för att kunna göra det, ”Minns Mashayek.

En spårare, instängd

Forskarna använde MIT:s allmänna cirkulationsmodell - en numerisk modell utformad för att studera jordens atmosfär, hav, och klimat - som ram, och programmerade in det alla yttre krafter som man vet finns i södra oceanen, inklusive vindmönster, solvärme, avdunstning, och nederbörd. De arbetade sedan med mätningar från DIMES -experimentet i modellen och extrapolerade turbulensen över hela havsregionen, med tanke på den underliggande topografin.

Teamet placerade sedan en spårämne i sin modell på samma plats där den verkliga spåraren släpptes ut i södra oceanen, och observerade att verkligen, det spred sig vertikalt, i samma takt som forskarna observerade på området, bevisar att modellen representerade det verkliga havets turbulens.

När man tittar närmare på deras simuleringar, forskarna observerade att regioner med topografi som sjömonteringar och åsar i huvudsak fångade spåraren under långa perioder, buffera och blanda det vertikalt, innan spåraren flydde och drev genom lugnare vatten.

Forskarna tror att turbulensen som uppstår i dessa isolerade regioner under långa perioder kan mäta sig med den totala mängd blandning som Munk ursprungligen förutspådde. Denna blandningsprocess kan således förklara hur vattnet i djuphavet sväller upp till ytan.

"Blandningsinducerad uppväxt är globalt relevant, "Säger Mashayek." Om vårt fynd i södra oceanen sträcker sig till andra blandande hotspots runt om i världen, då kommer det att omforma vår förståelse av rollen för turbulent blandning i havets omkastning. Det har också viktiga konsekvenser för parameterisering av blandningsprocesser i klimatmodeller. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.