Virvlar ses ofta som havets väder. Som storskaliga cirkulationer i atmosfären, virvlar virvlar genom havet som långsamma havscykloner, sopa upp näringsämnen och värme, och transportera dem runt om i världen.

I de flesta hav, virvlar observeras på varje djup och är starkare vid ytan. Men sedan 1970-talet, forskare har observerat ett märkligt mönster i Arktis:på sommaren, Arktiska virvlar liknar sina motsvarigheter i andra hav, dyker upp i hela vattenpelaren. Dock, med vinterisens återkomst, Arktiska vatten blir tysta, och virvlar finns ingenstans på de första 50 metrarna under isen. Under tiden, djupare lager fortsätter att röra upp virvlar, opåverkad av den plötsliga förändringen i grundare vatten.

Denna säsongsbetonade vändning i arktisk virvelaktivitet har förbryllat forskare i årtionden. Nu har ett MIT-team en förklaring. I en tidning som publicerades idag i Journal of Physical Oceanography , forskarna visar att de viktigaste ingredienserna för att driva virvelbeteende i Arktis är isfriktion och skiktning av havet.

Genom att modellera havets fysik, de fann att vinteris fungerar som en friktionsbroms, bromsa ytvatten och hindra dem från att rusa in i turbulenta virvlar. Denna effekt går bara så djupt; mellan 50 och 300 meter djup, forskarna fann, havets salta, tätare lager fungerar för att isolera vatten från friktionseffekter, låter virvlarna virvla året runt.

Resultaten visar ett nytt samband mellan virvelaktivitet, arktisk is, och havsskiktning, som nu kan inkluderas i klimatmodeller för att producera mer exakta förutsägelser av arktisk evolution med klimatförändringar.

"När Arktis värms upp, denna spridningsmekanism för virvlar, dvs närvaron av is, kommer att gå bort, eftersom isen inte kommer att vara där på sommaren och kommer att vara mer rörlig på vintern, " säger John Marshall, professor i oceanografi vid MIT. "Så vad vi förväntar oss att se flytta in i framtiden är ett Arktis som är mycket mer kraftfullt instabilt, och det har konsekvenser för den storskaliga dynamiken i det arktiska systemet."

Marshalls medförfattare på tidningen inkluderar huvudförfattaren Gianluca Meneghello, en forskare vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap, tillsammans med Camille Lique, Pal Erik Isachsen, Edward Doddridge, Jean-Michel Campin, Friare Regan, och Claude Talandier.

Under ytan

För sina studier, forskarna samlade data om arktiska havets aktivitet som gjordes tillgängliga av Woods Hole Oceanographic Institution. Uppgifterna samlades in mellan 2003 och 2018, från sensorer som mäter vattnets hastighet på olika djup i hela vattenpelaren.

Teamet tog ett genomsnitt av data för att producera en tidsserie för att producera ett typiskt år av Ishavets hastigheter med djup. Från dessa observationer, en tydlig säsongstrend uppstod:Under sommarmånaderna med mycket lite istäcke, de såg höga hastigheter och mer virvelaktivitet på alla djup av havet. På vintern, när isen växte och ökade i tjocklek, grunda vatten stannade, och virvlar försvann, medan djupare vatten fortsatte att visa höghastighetsaktivitet.

"I större delen av havet, dessa virvlar sträcker sig hela vägen till ytan, " säger Marshall. "Men under den arktiska vintern, vi upptäcker att virvlar liksom lever under ytan, som ubåtar som hänger på djupet, och de kommer inte hela vägen upp till ytan."

För att se vad som kan orsaka denna märkliga säsongsmässiga förändring i virvelaktivitet, forskarna genomförde en "baroklinisk instabilitetsanalys". Denna modell använder en uppsättning ekvationer som beskriver havets fysik, och bestämmer hur instabilitet, såsom vädersystem i atmosfären och virvlar i havet, utvecklas under givna förutsättningar.

En isig rub

Forskarna kopplade in olika förhållanden i modellen, och för varje tillstånd introducerade de små störningar som liknar krusningar från ytvindar eller en passerande båt, på olika havsdjup. De körde sedan modellen framåt för att se om störningarna skulle utvecklas till större, snabbare virvlar.

Forskarna fann att när de kopplade in både friktionseffekten av havsis och effekten av stratifiering, som i de arktiska vattnen med varierande täthet, modellen producerade vattenhastigheter som matchade vad forskarna från början såg i faktiska observationer. Det är, de såg det utan friktion från is, virvlar bildade fritt på alla havsdjup. Med ökande friktion och istjocklek, vattnet avtog och virvlar försvann i havets första 50 meter. Under denna gräns, där vattnets densitet, d.v.s. dess stratifiering, förändras dramatiskt, virvlar fortsatte att virvla.

När de kopplade in andra initiala förhållanden, som en skiktning som var mindre representativ för det verkliga ishavet, modellens resultat var en svagare matchning med observationer.

"Vi är de första som lägger fram en enkel förklaring till vad vi ser, vilket är att underjordiska virvlar förblir kraftiga året runt, och ytvirvlar, så snart is är runt, gnidas ut på grund av friktionseffekter, Marshall förklarar.

Nu när de har bekräftat att isfriktion och skiktning har en effekt på arktiska virvlar, forskarna spekulerar i att detta förhållande kommer att ha stor inverkan på utformningen av Arktis under de närmaste decennierna. Det har gjorts andra studier som visar att sommartid arktisk is, går redan tillbaka snabbare år för år, kommer helt att försvinna till år 2050. Med mindre is, vattnet kommer att vara fritt att virvla upp i virvlar, på ytan och på djupet. Ökad virvelaktivitet på sommaren kan ta in värme från andra delar av världen, ytterligare uppvärmning av Arktis.

På samma gång, vintertid Arktis kommer att vara istäckt under överskådlig framtid, konstaterar Menegello. Huruvida ett uppvärmande Arktis kommer att resultera i mer havsturbulens under hela året eller i en starkare variation över årstiderna beror på havsisens styrka.

Oavsett, "om vi flyttar in i en värld där det inte finns någon is alls på sommaren och svagare is på vintern, virvelaktiviteten kommer att öka, Meneghello säger. "Det har viktiga konsekvenser för saker som rör sig i vattnet, som spårämnen och näringsämnen och värme, och feedback på själva isen."