Subtropiska gyres är enorma roterande havsströmmar som genererar ihållande cirkulationer i jordens subtropiska regioner strax norr och söder om ekvatorn. Dessa gyres är långsamma virvlar som cirkulerar i massiva bassänger runt om i världen och samlar upp näringsämnen, organismer och ibland skräp, när strömmarna roterar från kust till kust.

I flera år har oceanografer undrat över motstridiga observationer inom subtropiska gyres. På ytan verkar dessa massiva strömmar vara värd för friska populationer av växtplankton – mikrober som matar resten av havets näringskedja och är ansvariga för att suga upp en betydande del av atmosfärens koldioxid.

Men att döma av vad forskare vet om dynamiken i gyres, uppskattade de att strömmarna själva inte skulle kunna upprätthålla tillräckligt med näringsämnen för att upprätthålla det växtplankton de såg. Hur kunde då mikroberna frodas?

Nu har MIT-forskare funnit att växtplankton kan ta emot leveranser av näringsämnen från utanför gyren, och att leveransfordonet är i form av virvlar - mycket mindre strömmar som virvlar runt i kanterna på ett gyre. Dessa virvlar drar in näringsämnen från ekvatorialområden med hög näringsämnen och trycker in dem i mitten av ett gyre, där näringen sedan tas upp av andra strömmar och pumpas till ytan för att mata växtplankton.

Havsvirvlar, teamet fann, verkar vara en viktig källa till näringsämnen i subtropiska gyres. Deras påfyllningseffekt, som forskarna kallar ett "näringsrelä", hjälper till att upprätthålla populationer av växtplankton, som spelar en central roll i havets förmåga att binda kol från atmosfären. Även om klimatmodeller tenderar att prognostisera en minskning av havets förmåga att binda kol under de kommande decennierna, kan detta "näringsrelä" hjälpa till att upprätthålla kollagring över de subtropiska haven.

"Det finns mycket osäkerhet om hur havets kolcykel kommer att utvecklas när klimatet fortsätter att förändras", säger Mukund Gupta, postdoc vid Caltech som ledde studien som doktorand vid MIT. "Som vår tidning visar är det inte enkelt att få kolfördelningen rätt, och det beror på att man förstår vilken roll virvlar och andra finskaliga rörelser spelar i havet."

Gupta och hans kollegor rapporterar sina resultat denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences . Studiens medförfattare är Jonathan Lauderdale, Oliver Jahn, Christopher Hill, Stephanie Dutkiewicz och Michael Follows vid MIT och Richard Williams vid University of Liverpool.

Ett snöigt pussel

Ett tvärsnitt av en havsgyre liknar en bunt av häckningsskålar som är skiktade efter densitet:Varmare, ljusare lager ligger vid ytan, medan kallare, tätare vatten utgör djupare lager. Växtplankton lever i havets översta solbelysta lager, där mikroberna kräver solljus, varma temperaturer och näringsämnen för att växa.

När växtplankton dör sjunker de genom havets lager som "marin snö". En del av denna snö släpper ut näringsämnen tillbaka till strömmen, där de pumpas upp igen för att mata nya mikrober. Resten av snön sjunker ut ur gyret, ner till havets djupaste lager. Ju djupare snön sjunker, desto svårare är det för den att pumpas tillbaka till ytan. Snön fångas sedan in, eller sekvestreras, tillsammans med eventuellt outsläppt kol och näringsämnen.

Oceanografer trodde att den huvudsakliga källan till näringsämnen i subtropiska gyres kom från recirkulerande marin snö. Men eftersom en del av denna snö oundvikligen sjunker till botten, måste det finnas en annan näringskälla för att förklara de friska populationerna av växtplankton vid ytan. Exakt vad den källan är "har lämnat oceanografigemenskapen lite förbryllad under en tid", säger Gupta.

Virvlar i kanten

I sin nya studie försökte teamet simulera ett subtropiskt gyre för att se vilken annan dynamik som kan vara på gång. De fokuserade på North Pacific gyre, en av jordens fem stora gyres, som cirkulerar över större delen av norra Stilla havet och sträcker sig över mer än 20 miljoner kvadratkilometer.

Teamet började med MITgcm, en allmän cirkulationsmodell som simulerar de fysiska cirkulationsmönstren i atmosfären och haven. För att återge dynamiken i North Pacific-gyret så realistiskt som möjligt använde teamet en MITgcm-algoritm, som tidigare utvecklats vid NASA och MIT, som ställer in modellen för att matcha faktiska observationer av havet, såsom havsströmmar inspelade av satelliter, och temperatur och salthalt. mätningar tagna av fartyg och driftare.

"Vi använder en simulering av det fysiska havet som är så realistisk som vi kan bli, med tanke på modellens maskineri och tillgängliga observationer", säger Lauderdale.

Den realistiska modellen fångade finare detaljer, med en upplösning på mindre än 20 kilometer per pixel, jämfört med andra modeller som har en mer begränsad upplösning. Teamet kombinerade simuleringen av havets fysiska beteende med Darwin-modellen – en simulering av mikrobsamhällen som växtplankton och hur de växer och utvecklas med havets förhållanden.

Teamet körde den kombinerade simuleringen av North Pacific gyre under ett decennium och skapade animationer för att visualisera mönstret av strömmar och de näringsämnen de bar, i och runt gyre. Det som dök upp var små virvlar som löpte längs kanterna på det enorma gyret och verkade vara rika på näringsämnen.

"Vi plockade upp små virvelrörelser, i princip som vädersystem i havet," säger Lauderdale. "Dessa virvlar bar paket med vatten med högt näringsinnehåll, från ekvatorn, norrut in i gyrets mitt och nedåt längs skålarnas sidor. Vi undrade om dessa virvelöverföringar var en viktig leveransmekanism."

Överraskande nog rör sig näringsämnena först djupare, bort från solljuset, innan de återförs uppåt där växtplanktonet lever. Teamet fann att havsvirvlar kunde leverera upp till 50 procent av näringsämnena i subtropiska gyres.

"Det är mycket viktigt," säger Gupta. "Den vertikala processen som återvinner näringsämnen från marin snö är bara halva historien. Den andra hälften är påfyllningseffekten av dessa virvlar. Eftersom subtropiska gyres bidrar med en betydande del av världshaven tror vi att detta näringsrelä är av global betydelse." + Utforska vidare

Hur växtplankton överlever i havsgyres med låga näringstillgångar