I vortici sono spesso visti come il tempo dell'oceano. Come le circolazioni su larga scala nell'atmosfera, vortici turbinano attraverso l'oceano come cicloni marini che si muovono lentamente, raccogliendo nutrienti e calore, e trasportandoli in giro per il mondo.

Nella maggior parte degli oceani, i vortici si osservano ad ogni profondità e sono più forti in superficie. Ma dagli anni '70, ricercatori hanno osservato un modello peculiare nell'Artico:in estate, I vortici artici assomigliano alle loro controparti in altri oceani, spuntando in tutta la colonna d'acqua. Però, con il ritorno del ghiaccio invernale, Le acque artiche si calmano, e vortici non si trovano da nessuna parte nei primi 50 metri sotto il ghiaccio. Nel frattempo, strati più profondi continuano a suscitare vortici, non influenzato dal brusco cambiamento in acque più basse.

Questa svolta stagionale nell'attività del vortice artico ha lasciato perplessi gli scienziati per decenni. Ora un team del MIT ha una spiegazione. In un articolo pubblicato oggi su Journal of Physical Oceanography , i ricercatori mostrano che gli ingredienti principali per guidare il comportamento dei vortici nell'Artico sono l'attrito del ghiaccio e la stratificazione degli oceani.

Modellando la fisica dell'oceano, hanno scoperto che il ghiaccio invernale agisce come un freno di attrito, rallentando le acque superficiali e impedendo loro di precipitare in turbolenti vortici. Questo effetto è solo così profondo; tra i 50 e i 300 metri di profondità, i ricercatori hanno scoperto, l'oceano è salato, strati più densi agiscono per isolare l'acqua dagli effetti di attrito, permettendo ai vortici di vorticare tutto l'anno.

I risultati evidenziano una nuova connessione tra attività vorticosa, ghiaccio artico, e la stratificazione oceanica, che ora può essere preso in considerazione nei modelli climatici per produrre previsioni più accurate sull'evoluzione dell'Artico con il cambiamento climatico.

"Mentre l'Artico si riscalda, questo meccanismo di dissipazione per vortici, cioè la presenza di ghiaccio, andrà via, perché il ghiaccio non ci sarà d'estate e sarà più mobile d'inverno, "dice John Marshall, professore di oceanografia al MIT. "Quindi quello che ci aspettiamo di vedere muoversi nel futuro è un Artico che è molto più vigorosamente instabile, e questo ha implicazioni per le dinamiche su larga scala del sistema artico".

I coautori di Marshall sul documento includono l'autore principale Gianluca Meneghello, uno scienziato ricercatore nel Dipartimento della Terra del MIT, Scienze Atmosferiche e Planetarie, insieme a Camille Lique, Pal Erik Isachsen, Edward Doddridge, Jean-Michel Campin, Sana Regan, e Claudio Talandier.

Sotto la superficie

Per il loro studio, i ricercatori hanno raccolto dati sull'attività dell'Oceano Artico che sono stati resi disponibili dalla Woods Hole Oceanographic Institution. I dati sono stati raccolti tra il 2003 e il 2018 da sensori che misurano la velocità dell'acqua a diverse profondità in tutta la colonna d'acqua.

Il team ha calcolato la media dei dati per produrre una serie temporale per produrre un anno tipico delle velocità dell'Oceano Artico con la profondità. Da queste osservazioni, è emersa una chiara tendenza stagionale:durante i mesi estivi con pochissima copertura di ghiaccio, hanno visto alte velocità e più attività vorticose a tutte le profondità dell'oceano. In inverno, man mano che il ghiaccio cresceva e aumentava di spessore, acque poco profonde si fermano, e vortici scomparvero, mentre le acque più profonde hanno continuato a mostrare attività ad alta velocità.

"Nella maggior parte dell'oceano, questi vortici si estendono fino alla superficie, " dice Marshall. "Ma nell'inverno artico, scopriamo che i vortici vivono sotto la superficie, come sottomarini appesi in profondità, e non arrivano fino in superficie".

Per vedere cosa potrebbe causare questo curioso cambiamento stagionale nell'attività dei vortici, i ricercatori hanno effettuato una "analisi di instabilità baroclina". Questo modello utilizza una serie di equazioni che descrivono la fisica dell'oceano, e determina come le instabilità, come i sistemi meteorologici nell'atmosfera e i vortici nell'oceano, evolvere in determinate condizioni.

uno sfregamento ghiacciato

I ricercatori hanno inserito varie condizioni nel modello, e per ogni condizione introdussero piccole perturbazioni simili alle increspature dei venti di superficie o di una barca di passaggio, a varie profondità oceaniche. Hanno quindi eseguito il modello in avanti per vedere se le perturbazioni si sarebbero evolute in dimensioni maggiori, vortici più veloci.

I ricercatori hanno scoperto che quando hanno collegato sia l'effetto di attrito del ghiaccio marino che l'effetto della stratificazione, come negli strati di diversa densità delle acque artiche, il modello ha prodotto velocità dell'acqua che corrispondevano a quelle che i ricercatori avevano inizialmente visto nelle osservazioni reali. Questo è, videro che senza attrito dal ghiaccio, vortici si formavano liberamente a tutte le profondità oceaniche. Con l'aumento dell'attrito e dello spessore del ghiaccio, le acque rallentarono e i vortici scomparvero nei primi 50 metri dell'oceano. Al di sotto di questo confine, dove la densità dell'acqua, cioè la sua stratificazione, cambia radicalmente, i vortici continuavano a vorticare.

Quando si collegavano ad altre condizioni iniziali, come una stratificazione meno rappresentativa del vero Oceano Artico, i risultati del modello erano una corrispondenza più debole con le osservazioni.

"Siamo i primi a proporre una spiegazione semplice per quello che stiamo vedendo, cioè che i vortici sotterranei rimangono vigorosi tutto l'anno, e vortici di superficie, non appena il ghiaccio è in giro, essere cancellato a causa degli effetti di attrito, "Spiega Marshall.

Ora che hanno confermato che l'attrito e la stratificazione del ghiaccio hanno un effetto sui vortici artici, i ricercatori ipotizzano che questa relazione avrà un grande impatto sulla formazione dell'Artico nei prossimi decenni. Ci sono stati altri studi che mostrano che il ghiaccio artico estivo, già diminuendo più velocemente di anno in anno, scomparirà completamente entro il 2050. Con meno ghiaccio, le acque saranno libere di vorticare in vortici, in superficie e in profondità. L'aumento dell'attività vorticosa in estate potrebbe portare calore da altre parti del mondo, riscaldando ulteriormente l'Artico.

Allo stesso tempo, l'Artico invernale sarà coperto di ghiaccio per il prossimo futuro, nota Meneghello. Se un Artico in fase di riscaldamento si tradurrà in più turbolenze oceaniche durante tutto l'anno o in una maggiore variabilità nel corso delle stagioni dipenderà dalla forza del ghiaccio marino.

Indipendentemente, "se ci spostiamo in un mondo dove non c'è affatto ghiaccio in estate e ghiaccio più debole durante l'inverno, l'attività vorticosa aumenterà, " dice Meneghello. "Ciò ha importanti implicazioni per le cose che si muovono nell'acqua, come traccianti e sostanze nutritive e calore, e feedback sul ghiaccio stesso."