1974, bilder som tagits från NOAA-satelliter avslöjade ett förbryllande fenomen:en 250, 000 kvadratkilometer öppning i vinterhavsisen i Weddellhavet, söder om Sydamerika. Öppningen, känd som en polynya, höll i sig under tre vintrar. Sådana vidsträckta isfria områden i havet som omger Antarktis har inte setts sedan, även om en liten polynya sågs förra året.

I en ny analys av klimatmodeller, forskare från University of Pennslyvania, Spaniens institut för marina vetenskaper och Johns Hopkins University avslöjar de betydande globala effekter som dessa till synes anomala polynyor kan ha. Deras resultat tyder på att värme som strömmar ut från havet genom dessa öppningar påverkar havets och atmosfäriska temperaturer och vindmönster runt om i världen och till och med nederbörd runt tropikerna. Även om denna process är en del av ett naturligt mönster av klimatförändringar, det har konsekvenser för hur det globala klimatet kommer att reagera på framtida antropogen uppvärmning.

"Denna lilla, isolerad öppning i havsisen i södra oceanen kan ha betydande, storskaliga klimatkonsekvenser, sa Irina Marinov, en studieförfattare och biträdande professor vid Penns Department of Earth and Enviromental Science vid School of Arts &Sciences. "Klimatmodeller tyder på att i år och decennier med en stor polynya, hela atmosfären värmer globalt, och vi ser förändringar i vindarna på södra halvklotet och en förskjutning söderut i det ekvatoriala regnbältet. Detta kan tillskrivas polynyan."

Studien visas i Journal of Climate . Marinov var medförfattare av arbetet med Anna Cabre, en tidigare postdoc i Marinovs labb och nu oceanograf vid Institutionen för marina vetenskaper i Barcelona, och Anand Gnanadesikan, en professor vid institutionen för jord- och planetvetenskap vid Johns Hopkins.

Vanligtvis, södra oceanen är täckt av is under södra halvklotet

vinter. Polynyor uppstår när varma underjordiska vatten av nordatlantiskt och ekvatorialt ursprung blandas lokalt med kallt ytvatten, en process som kallas konvektion vid öppet hav.

Tills nyligen, klimatforskare och oceanografer trodde att atmosfäriska och havsförhållanden runt tropikerna var de främsta drivkrafterna för att påverka förhållanden utanför tropikerna. Men under de senaste åren, Marinov och medarbetare och andra har visat att motsatsen också är sant:Södra oceanen har en viktig roll i att påverka klimatet på tropiska och norra halvklotet.

I det pågående arbetet, Marinov och kollegor använde kraftfulla modeller som simulerar tidigare och framtida klimat för att avgöra hur effekterna av polynya sprider sig runt om i världen.

Deras modell visade att polynyor och åtföljande konvektion vid öppet hav inträffar ungefär vart 75:e år. När de inträffar, forskarna observerade, de fungerar som en utsläppsventil för havets värme. Inte bara värmer det omedelbara området, men det finns också ökningar i den totala havsytan och atmosfärstemperaturen på hela södra halvklotet och, i mindre utsträckning, norra halvklotet, också.

Förändringar i nord-sydliga temperaturgradienter leder också till förändringar i vindmönster.

"Vi ser en minskning av vad vi kallar västra delar av södra halvklotet och förändringar i passadvindar, " sa Marinov. "Och dessa vindar påverkar stormar, nederbörd och moln."

Bland dessa förändringar i nederbörd är en förändring i den intertropiska konvergenszonen, ett ekvatorialbälte där passadvindar konvergerar, vilket resulterar i intensiv nederbörd. När en polynya inträffar, detta regnbälte rör sig söderut några grader och stannar där i 20 till 30 år innan det växlar tillbaka.

"Detta påverkar vattenresurserna i, till exempel, Indonesien, Sydamerika och Afrika söder om Sahara, " sa Marinov. "Vi har en naturlig variation i klimatet som kan vara, bland andra effekter, påverkar jordbruksproduktionen i tätbefolkade regioner i världen."

Med tanke på dessa bredskaliga konsekvenser av ett fenomen i södra oceanen, Marinov understryker behovet av att öka övervakningen i regionen. Hon är en del av en satsning som heter SOCCOM, för kol- och klimatobservationer och modellering i södra oceanen, placera robotflottor i södra oceanen för att samla in data om havstemperaturen, salthalt, kol, näringsämnen och syre.

"Vi uppmanar också folk att hålla ett öga på satelliterna för att leta efter andra polynyer, i år och framöver, sa Marinov.

Tidigare forskning av Marinovs grupp och medarbetare antydde att, under klimatförändringarna, polynyas kan bli mindre frekventa. När havsisen smälter fräschar den upp det översta lagret av havsytan, vilket gör det lättare och mindre benäget att blandas med det tyngre bottenvattnet. Marinov noterar att det faktum att inga betydande polynyor öppnade upp från mitten av 1970-talet fram till förra året kan ha bidragit till det så kallade "klimatavbrottet" i slutet av 1990-talet och början av 2000-talet, när globala genomsnittliga yttemperaturer verkade stanna i deras annars ihållande uppåtgående klättring.

"Under denna uppehållsperiod lagrades onormala mängder värme i havsvattnet under ytan", sa Marinov. "Mest forskning har tillskrivit detta uppehåll till en förlängd La Niña-period, vilket resulterar i en lagring av värme i Stilla havet på låg latitud. Men jag tror att bristen på en Weddell Sea polynya också bidrog, lagrar mer värme i södra oceanen och förhindrar ytterligare värmeutsläpp till atmosfären."

Arbetet väcker många nya frågor, såsom hur en minskande havsis utbredning, inklusive den senaste tidens avbrott av en stor del av den antarktiska halvön, kommer att påverka frekvensen av polynyas och hur närvaron eller frånvaron av polynyas kommer att påverka hur mycket atmosfäriska temperaturer värms upp som svar på antropogena klimatförändringar.

"Denna undersökning av polynyor och södra oceanens konvektion visade sig vara en mycket viktig och intressant historia för det globala klimatet som vi tror att många människor kommer att studera under det kommande decenniet, sa Marinov.