Subtropiska gyres är enorma, ihållande strömmar som sträcker sig över tusentals kilometer över Stilla havet och Atlanten, där väldigt lite växer.

Med brist på näringsämnen, växtplankton, de mikroskopiska växterna som utgör grunden för den marina näringskedjan, kämpa för att trivas.

Dock, en del växtplankton lever inom dessa gyrers fientliga miljö, och exakt hur de får sina näringsämnen har länge varit ett mysterium.

Nu forskning av Edward Doddridge, en postdoc i Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap vid MIT, har funnit att växtplanktontillväxt i subtropiska gyrer påverkas av ett vattenlager långt under havsytan, vilket gör att näringsämnen kan återvinnas tillbaka till ytan.

Arbetade med David Marshall vid Oxford University, Doddridge har utvecklat en modell för att undersöka mekanismen bakom växtplanktontillväxt inom gyrerna, som visas i Journal of Geophysical Research:Oceans .

Enligt läroböckerna, vindar trycker ytvatten in i mitten av gyrerna och sedan nedåt, tar näringsämnen bort från den solbelysta zonen och förhindrar därför att växtplankton blomstrar.

Men tidigare forskning från Doddridge har antytt att denna uppfattning är för förenklad, och att virvlarnas rörelse - havets ekvivalent med vädersystem - inom gyrerna verkar mot denna rörelse, förhindrar att vattnet pressas långt nedåt.

För att undersöka detta ytterligare, forskarna utvecklade en enkel datormodell, där de delar havet i två lager:det solbelysta skiktet och ett lager av homogent vatten under det, kallas mode vatten. Under detta lager av modevatten finns avgrunden, som inte ingick i modellen.

Inom modellen, forskarna inkluderade både den vindledda processen med vattenkonvergens från sidorna av gyren och sedan nedåt, och hur eddies ska agera mot denna rörelse.

När de körde modellen, dess resultat speglade i stort sett observationer av gyrerna själva, med högre näringskoncentration och växtplanktonproduktivitet vid gyrernas kanter, och lägre produktivitet i mitten.

De började sedan variera modellens olika parametrar, för att undersöka vilken effekt detta skulle få på näringsnivåer och växtplanktonproduktivitet.

De varierade först en mekanism som tidigare föreslagits av forskare och kallas virvelpumpning, där cirkulära strömmars virvlande rörelse drar kallare, näringsrikt vatten uppifrån.

"Vi ändrade hur mycket vätska denna mekanism kunde byta mellan det solbelysta skiktet och det homogena skiktet nedanför, och vi fann att när vi ökade virvelpumpen, näringskoncentrationen gick upp, som föreslagits av tidigare forskning, säger Doddridge.

Dock, effekten av denna virvelpumpning började platta på högre nivåer. Ju mer forskarna ökade virvelpumpmekanismen, ju mindre ökningen av näringskoncentrationen blev.

De varierade sedan processen med horisontell vattenkonvergens och nedåtpumpning i gyrerna, känd som återstående Ekman -transport. De fann att denna process hade en betydande inverkan på näringskoncentrationen.

Till sist, forskarna varierade tjockleken på lagret av homogent vatten under det solbelysta skiktet, som de också visade sig ha en betydande inverkan på näringskoncentrationen.

Tidigare forskning hade föreslagit att när detta lager av lägesvatten blir tjockare, det blockerar näringsämnen som kommer uppifrån, vilket resulterar i lägre produktivitetsnivåer i den solbelysta zonen. Dock, resultaten av modellen tyder på att det motsatta är fallet, med ett tjockare modeskikt som leder till högre näringskoncentration. Detta var särskilt fallet när Ekman -transportens nivå var låg, Säger Doddridge.

"När växtplankton och andra saker som lever i det solbelysta skiktet dör, eller bli uppätna och utsöndrade, de börjar falla ner genom havet, och deras näringsämnen absorberas tillbaka i vattnet, "Säger Doddridge.

"Så tjockare det homogena lagret är, ju längre tid det tar dessa partiklar att falla genom det, och mer av deras näringsämnen absorberas i vätskan, att återvinnas som mat. "

Medan näringsämnena finns kvar i det homogena skiktet, det tar inte mycket energi för att de ska blandas tillbaka till ytan, Säger Doddridge. Men om de snabbt faller under det i avgrunden - eftersom det homogena lagret är tunt, till exempel - näringsämnena är i huvudsak avskurna från ytvattnet ovanför, han säger.

När forskarna testade modellens resultat med hjälp av data från satelliter, autonoma robotar, och fartyg, de fann att det stödde deras resultat, vilket tyder på att vatten i tjockare läge verkligen förbättrar växtplanktontillväxten inom subtropiska gyrer.

I framtiden, Doddridge skulle vilja utföra ytterligare experiment med mer komplexa modeller, för att få ytterligare insikter om hur näringsämnen matas in och återvinns inom subtropiska gyres.

De näringsfattiga övre havsvattnen i det subtropiska gyren spelar globalt viktiga roller vid upptag av koldioxid, med biologiska processer som förmedlar en stor del av detta kolupptag, men processerna som levererar näringsämnen som krävs för att stödja biologisk nettoproduktion i dessa ekosystem är fortfarande oklara, enligt Matthew Church vid University of Montana, som inte var inblandad i forskningen.

"Papperet belyser den fysiska processens (speciellt virvelars) nyckelroll när det gäller att reglera både uppåtgående tillförsel av näringsämnen, och det nedåtgående flödet av sjunkande organiskt material, "Kyrkan säger." Författarna drar slutsatsen att denna senare term, särskilt djupet över vilket organiska partiklar remineraliseras, sätter begränsningar för produktiviteten i de överliggande vattnen. Denna modellledda slutsats presenterar en fältprovbar hypotes. "

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.