Vinterisen på ytan av Antarktis Weddellhav utgör ibland ett enormt hål. Ett hål som dök upp 2016 och 2017 väckte intensiv nyfikenhet hos forskare och reportrar. Även om ännu större klyftor hade bildats decennier tidigare, detta var första gången oceanografer hade en chans att verkligen övervaka det oväntade gapet i Antarktis vinterhavis.

En ny studie ledd av University of Washington kombinerar satellitbilder av havsisen, robotdrifter och till och med sälar utrustade med sensorer för att bättre förstå fenomenet. Forskningen undersöker varför detta hål dyker upp på bara några år, och vilken roll det skulle kunna spela i den större havscirkulationen.

Studien publicerades den 10 juni i tidskriften Natur .

"Vi trodde att det här stora hålet i havsisen - känt som en polynya - var något som var sällsynt, kanske en process som hade dött ut. Men händelserna 2016 och 2017 tvingade oss att omvärdera det, "sa huvudförfattaren Ethan Campbell, en UW doktorand i oceanografi. "Observationer visar att de senaste polynyerna öppnades från en kombination av faktorer - en är de ovanliga havsförhållandena, och den andra var en serie mycket intensiva stormar som virvlade över Weddellhavet med nästan orkankraftiga vindar."

En "polynya, " ett ryskt ord som betyder ungefär "hål i isen, " kan bildas nära stranden när vinden driver isen runt. Men den kan också dyka upp långt från kusten och stanna kvar i veckor till månader, där det fungerar som en oas för pingviner, valar och sälar att dyka upp och andas.

Denna speciella plats långt från Antarktis kust har ofta små öppningar och har sett stora polynyas tidigare. De största kända polynyerna på den platsen var 1974, 1975 och 1976, strax efter att de första satelliterna skjutits upp, när ett område lika stort som Nya Zeeland förblev isfritt under tre på varandra följande antarktiska vintrar trots lufttemperaturer långt under fryspunkten.

Campbell gick med i UW som doktorand 2016 för att bättre förstå detta mystiska fenomen. I ett slag av vetenskaplig lycka, en stor dök upp för första gången på decennier. En NASA-satellitbild i augusti 2016 uppmärksammade allmänheten på en 33, 000 kvadratkilometer (13, 000 kvadratkilometer) gap som dök upp i tre veckor. Ett ännu större gap, av 50, 000 kvadratkilometer (19, 000 kvadratkilometer) dök upp i september och oktober 2017.

Södra oceanen anses spela en nyckelroll i globala havsströmmar och kolkretslopp, men dess beteende är dåligt förstått. Det är värd för några av de hårdaste stormarna på planeten, med vindar som piskar oavbrutet runt kontinenten i 24-timmarsmörkret av polarvintern. Den nya studien använde observationer från Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling -projektet, eller SOCCOM, som sätter ut instrument som driver med strömmarna för att övervaka antarktiska förhållanden.

Studien använde också data från det långvariga Argo-havsobservationsprogrammet, elefantsäl som skickar data tillbaka till stranden, väderstationer och decennier av satellitbilder.

"Denna studie visar att denna polynya faktiskt orsakas av ett antal faktorer som alla måste stå i linje för att det ska hända, " sa medförfattaren Stephen Riser, en UW professor i oceanografi. "Under ett givet år kan flera av dessa saker hända, men om du inte får dem alla, då får du ingen polynya."

Studien visar att när vindar som omger Antarktis närmar sig stranden, de främjar starkare blandning uppåt i det östra Weddellhavet. I den regionen, ett undervattensberg känt som Maud Rise tvingar tätt havsvatten runt sig och lämnar en snurrande virvel ovanför. Två SOCCOM-instrument fångades i virveln ovanför Maud Rise och registrerade år av observationer där.

Analyser visar att när ythavet är särskilt salt, som sett under 2016, starka vinterstormar kan utlösa en vältande cirkulation. Varmare, saltare vatten från djupet vänds upp till ytan, där luft kyler den och gör den tätare än vattnet nedanför. När vattnet sjunker, relativt varmare djupvatten på cirka 1 grad Celsius (34 F) ersätter det, skapa en återkopplingsslinga där isen inte kan reformeras.

Under klimatförändringarna, färskvatten från smältande glaciärer och andra källor kommer att göra södra oceanens ytskikt mindre tät, vilket kan innebära färre polynyas i framtiden. Men den nya studien ifrågasätter det antagandet. Många modeller visar att vindarna som kretsar runt Antarktis kommer att bli starkare och komma närmare kusten - den nya tidningen föreslår att detta skulle uppmuntra fler polynyor att bildas, inte färre.

Detta är de första observationerna som bevisar att även en mindre polynya som den 2016 flyttar vatten från ytan hela vägen till djuphavet.

"I huvudsak är det ett svängande av hela havet, snarare än en injektion av ytvatten på en enkel resa från ytan till djupet, "sa medförfattaren Earle Wilson, som nyligen avslutade sin doktorsexamen i oceanografi vid UW.

Ett sätt som en yta polynya spelar roll för klimatet är för det djupaste vattnet i haven, känt som Antarktis bottenvatten. Denna kyla, tätt vatten lurar under allt annat vatten. Var och hur den skapas påverkar dess egenskaper, och skulle ha krusningseffekter på andra stora havsströmmar.

"Just nu tror folk att det mesta av bottenvattnet bildas på den antarktiska hyllan, men dessa stora offshore-polynyor kan ha varit vanligare tidigare, ", sa Riser. "Vi måste förbättra våra modeller så att vi kan studera den här processen, som skulle kunna få större klimatkonsekvenser."

Stora och långvariga polynyor kan också påverka atmosfären, eftersom djupt vatten innehåller kol från livsformer som har sjunkit under århundraden och lösts upp på väg ner. När detta vatten når ytan kan kol frigöras.

"Denna djupa reservoar av kol har varit inlåst i hundratals år, och i en polynja kan det bli ventilerat på ytan genom denna riktigt våldsamma blandning, "Sade Campbell. "En stor kolutgasningshändelse skulle verkligen kunna krossa klimatsystemet om det inträffade flera år i rad."