Desde a descoberta do Capitão James Cook na década de 1770, que a água abrangia as latitudes ao sul da Terra, oceanógrafos têm estudado o Oceano Antártico, sua física, e como ele interage com a circulação global de água e o clima.

Por meio de observações e modelagem, os cientistas sabem há muito tempo que grande, correntes profundas no Pacífico, Os oceanos Atlântico e Índico fluem para o sul, convergindo para a Antártica. Depois de entrar no Oceano Antártico, eles tombam - trazendo água do fundo do oceano - antes de se moverem de volta para o norte na superfície. Essa reviravolta completa o ciclo de circulação global, que é importante para a absorção oceânica de carbono e calor, o reabastecimento de nutrientes para uso na produção biológica, bem como a compreensão de como as plataformas de gelo derretem.

No entanto, a estrutura tridimensional dos caminhos que essas partículas de água percorrem para alcançar a camada mista da superfície do Oceano Antártico e suas escalas de tempo associadas eram mal compreendidas até recentemente. Agora, os pesquisadores descobriram que profundamente, água relativamente quente das três bacias oceânicas entra no Oceano Antártico e espirais para sudeste e para cima ao redor da Antártica antes de atingir a camada mista do oceano, onde interage com a atmosfera.

A equipe de pesquisa inclui cientistas do MIT, a Scripps Institution of Oceanography, Universidade de Princeton, o Laboratório Geofísico de Dinâmica de Fluidos, o Laboratório Nacional de Los Alamos, a Universidade de Washington, e Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. O estudo, publicado no jornal Nature Communications , também revela que fortes redemoinhos, causado por interações topográficas em cinco locais dentro do atual círculo da Antártica, desempenham um papel importante neste processo de ressurgência. Os pesquisadores também foram capazes de determinar a quantidade de água de cada bacia oceânica que compõe o que eles chamam de "escada em espiral, "e acredito que essa jornada acontece muito mais rápido do que as estimativas anteriores sugerem.

No Oceano Antártico, fortes interações oceano-atmosfera e redemoinhos em grande parte impulsionam a ressurgência, pesquisadores descobriram. Os ventos de oeste que circundam a Antártica sopram frios, águas superficiais ricas em dióxido de carbono ao norte do continente através da Corrente Circumpolar Antártica (ACC). O ACC flui ao redor da borda norte do Oceano Antártico e não é apenas a corrente mais forte do mundo, mas também a única grande corrente que circunda o globo livre de continentes. Grande parte da água fria vem do derretimento do gelo, causado por mais quente, águas ricas em nutrientes que entram no ACC em profundidade e ressurgem gradualmente a partir de cerca de 1, 000-3, 000 metros de profundidade.

As observações da temperatura e salinidade do Oceano Antártico forneceram pistas para a estrutura desta reviravolta, mas não foi até recentemente que os modelos de computador eram sofisticados o suficiente para executar simulações realistas, permitindo que os pesquisadores investiguem se e como a ressurgência varia no espaço tridimensional e o que controla a estrutura da ressurgência. Para explorar essas questões, os pesquisadores usaram três modelos de atmosfera-oceano, capaz de capturar características críticas da circulação oceânica que ocorrem em pequenas escalas. Eles então seguiram as partículas virtuais de água de onde entraram no Oceano Antártico por volta de 30 Sul e entre 1, 000 e 3, 000 metros de profundidade até onde cruzaram o limite da camada mista, que foi considerada como tendo 200 metros de profundidade. As condições usadas nos experimentos dos modelos climáticos foram bastante consistentes com as do ano 2000; estes foram administrados por 200 anos neste estado perpétuo. Durante esse tempo, partículas virtuais de água foram liberadas nos modelos.

"Rastreamos milhões dessas partículas à medida que ressurgiam. Em seguida, mapeamos seus caminhos, e podemos determinar ... e separar o transporte de volume - quanta água está sendo movida - por essas correntes. Então, podemos comparar a importância desses diferentes caminhos regionais, "diz o co-autor Henri Drake, um estudante de pós-graduação no Departamento da Terra do MIT, Ciências Atmosféricas e Planetárias (EAPS), e membro do Programa em Atmosferas, Oceanos e clima. Eles também observaram o tempo que as partículas levaram para atingir a camada mista, bem como os locais de ressurgência intensificada.

Sua análise revelou que as parcelas de água tendiam a fluir para o sul, principalmente ao longo das correntes de fronteira ocidental e oriental no Atlântico, Indiano, e os oceanos Pacífico, onde eles entraram no rastreamento ACC com superfícies de densidade. As interações do ACC e redemoinhos em torno do terreno subaquático também desempenharam um papel importante no processo de ressurgência.

"No fundo do oceano, parcelas de água seguem superfícies de densidade ... que começam bem fundo, onde liberamos as partículas e, em seguida, ficam mais rasas conforme você vai para o sul, "Drake diz." Então, se você tem uma partícula viajando para o sul ao longo da superfície de mesma densidade, vai ficar mais alto na coluna de água, até que eventualmente a superfície de densidade se cruze com a camada mista. "

Adicionalmente, cinco principais localizações topográficas no ACC - Southwest Indian Ridge, o Planalto Kerguelen, o Macquarie Ridge, a Cadeia Pacífico-Antártica, e a Passagem de Drake - criaram áreas de turbulência e alta energia cinética, o que ajudou a aflorar a maior parte da água.

“Os redemoinhos são basicamente esses vórtices no Oceano Antártico que são muito importantes para o transporte de águas, "diz Drake." Se você não tem nenhum redemoinho, a água provavelmente contornaria a Antártica e voltaria na mesma latitude. Mas com redemoinhos, quando as partículas estão viajando nessas linhas de fluxo, eles vão chegar a um lugar de alta energia cinética parasita e avançar para o sul e subir para a próxima linha de corrente. "

Os pesquisadores também descobriram que metade da água que atingiu a camada mista se originou do Oceano Atlântico, enquanto os oceanos Índico e Pacífico contribuíram cada um com aproximadamente um quarto. A maioria dessas águas cruzou este limiar após 28-81 anos. No modelo de resolução mais alta, esta escala de tempo é até 10 vezes mais rápida do que as estimativas anteriores produzidas por modelos não redemoinhos, que estavam perto de 150-250 anos. Isso demonstra que as taxas de ressurgência podem ser críticas para o derretimento do gelo da Antártica em relação às mudanças climáticas futuras, diz Adele Morrison, um co-autor da Australian National University que contribuiu para o trabalho enquanto estava na Princeton University. Os modelos concordaram amplamente, mostrando a robustez do resultado, ela diz.

"Cientificamente, isso é significativo, porque por muito tempo pensamos na ressurgência como sendo impulsionada principalmente pelos ventos, que são bastante uniformes em todo o Oceano Antártico, "diz Morrison." Mas aqui mostramos que a estrutura da ressurgência é realmente controlada pela topografia submarina e pelo redemoinho. "

John Marshall, o Cecil e Ida Green Professor de Oceanografia na EAPS, que não fez parte do estudo, diz que a pesquisa confirma que a ressurgência no Oceano Antártico "é mediada por redemoinhos, mas enfatiza o quão importantes são os redemoinhos e o quão localizada algumas das atividades dos redemoinhos são - portanto, torna-se difícil representá-los em modelos que não tenham redemoinhos. "

"Acho que os prazos de comunicação podem ser um pouco mais rápidos do que pensávamos entre o interior e a superfície, "Marshall diz.

O grupo planeja continuar o trabalho, investigando interfaces oceano-atmosfera, trajetórias de partículas de água, e a propagação de sinais de mudança climática desde a formação de águas profundas no Atlântico Norte até o Oceano Antártico.

"Nossa descrição das vias que conectam o oceano profundo à superfície do oceano abre a porta para estudos futuros para conectar a mecânica dos fluidos do oceano profundo às trocas de calor, carbono, e nutrientes na interface oceano-atmosfera que influenciam o clima da Terra, "Drake diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.