Ad alte latitudini, come vicino all'Antartide e al Circolo Polare Artico, le acque superficiali dell'oceano vengono raffreddate dalle temperature rigide e diventano così dense da sprofondare di qualche migliaio di metri negli abissi oceanici.

Si pensa che le acque oceaniche scorrano lungo una sorta di nastro trasportatore che le trasporta tra la superficie e il profondo in un ciclo infinito. Però, non è chiaro dove salgono in superficie le acque profonde, come alla fine devono. Queste informazioni aiuterebbero i ricercatori a stimare per quanto tempo l'oceano può immagazzinare carbonio nelle sue regioni più profonde prima di riportarlo in superficie.

Ora scienziati del MIT, Istituto oceanografico di Woods Hole (WHOI), e l'Università di Southampton nel Regno Unito hanno identificato un meccanismo mediante il quale le acque possono risalire dalle profondità dell'oceano fino ai suoi strati più alti. I loro risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Attraverso modelli numerici e osservazioni nell'Oceano Antartico, il team ha scoperto che caratteristiche topografiche come montagne sottomarine, creste, e i margini continentali possono intrappolare le acque profonde dalla migrazione alla pianura, parti più tranquille dell'oceano. Le voragini e le scogliere sottomarine generano flussi turbolenti, simile al vento che sferza tra i grattacieli di una città. L'acqua più lunga è intrappolata tra queste caratteristiche topografiche, più si mescola con gli strati superiori dell'oceano, tornando vorticosamente verso la superficie.

"Nell'oceano abissale, ne hai 4, montagne marine di 000 metri e avvallamenti molto profondi, su e giù, e queste caratteristiche topografiche contribuiscono a creare turbolenze, "dice Raffaele Ferrari, il Cecil e Ida Green Professore di Oceanografia nel Dipartimento della Terra del MIT, Scienze dell'atmosfera e planetarie. "Quello che sembra emergere è che l'acqua risale dagli abissi trascorrendo molto tempo in questi luoghi dove la turbolenza è davvero forte".

Sapere che ci sono punti caldi in cui le acque profonde tornano in superficie può aiutare gli scienziati a identificare le regioni in cui il carbonio, una volta assorbito dall'atmosfera e immagazzinato nelle profondità dell'oceano, sale e viene rilasciato nell'atmosfera.

"La comprensione generale è che le acque abissali impiegano da poche a diverse migliaia di anni per riemergere, ", afferma l'autore principale e postdoc del MIT Ali Mashayek. "Se una quantità considerevole di tale risalita si verifica rapidamente lungo i confini inclinati, margini continentali, e dorsali oceaniche, allora i tempi di riciclo delle acque abissali possono essere più brevi".

I coautori di Ferrari e Mashayek sono Sophia Merrifield, uno studente laureato del MIT; Jim Ledwell e Lou St. Laurent di WHOI; e Alberto Naveira Garabato dell'Università di Southampton.

La potenza di 10 lampadine

Nelle fredde regioni polari, si stima che la quantità di acqua che continuamente sprofonda nell'oceano profondo sia "circa 107 metri cubi al secondo, 50 volte il trasporto del Rio delle Amazzoni, "dice Ferrari.

Nel 1966, l'acclamato oceanografo Walter Munk ha affrontato l'enigma di come tutta questa acqua profonda ritorni in superficie, proponendo che la turbolenza oceanica su piccola scala può portare pesanti, acqua profonda per mescolare e salire. Questa turbolenza, ha postulato, assume la forma di onde gravitazionali interne che si infrangono tra strati d'acqua di diversa densità, sotto la superficie dell'oceano.

Munk ha calcolato la potenza di miscelazione che dovrebbe essere generata rompendo le onde gravitazionali interne per riportare in superficie tutte le acque profonde dell'oceano. Il numero, Ferrari dice, equivale a "circa 10 lampadine a incandescenza per chilometro cubo di oceano".

Da allora, gli oceanografi hanno individuato aree limitate, come montagne sottomarine e creste, che creano turbolenze simili a quanto teorizzato da Munk.

"Ma se riassumessi quei pochi posti, non sembravi arrivare al numero di cui avevi bisogno per riportare su tutta quell'acqua, "dice Ferrari.

Fare il passaggio

Nel febbraio 2009, i collaboratori di WHOI hanno dispiegato un tracciante nell'Oceano Antartico, circa 1, 000 miglia a ovest del Passaggio di Drake, nell'ambito di un progetto chiamato DIMES (Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean) per analizzare la miscelazione delle acque oceaniche.

"Hanno rilasciato una macchia di colorante, come una goccia di latte in una tazza di caffè, e lascia che l'oceano lo mescoli intorno, "dice Ferrari.

Oltre due anni, hanno campionato il tracciante in varie stazioni a valle da dove è stato rilasciato, e ha scoperto che ha sperimentato pochissime turbolenze, o mescolando, in parti dell'oceano con poche caratteristiche topografiche. Però, una volta che il tracciante ha attraversato il Passaggio di Drake, ha incontrato montagne sottomarine e creste, e "all'improvviso, ha iniziato a diffondersi in verticale abbastanza velocemente, a tre volte il tasso previsto da Munk, "dice Ferrari.

Cosa stava guidando questa miscelazione accelerata? Per scoprirlo, Il gruppo, guidato da Mashayek, sviluppato un modello numerico per simulare la regione dell'Oceano Meridionale, compito non da poco, poiché non era chiaro se un tale modello potesse avere una risoluzione sufficientemente elevata da riprodurre i movimenti su piccola scala di un tracciante in un vasto volume di acqua di mare.

"Ho fatto alcuni calcoli preliminari, retro della busta preventivi, e ci siamo resi conto che avremmo avuto abbastanza risoluzione per poterlo fare, "Ricorda Mashayek.

un tracciante, intrappolato

I ricercatori hanno utilizzato il modello di circolazione generale del MIT, un modello numerico progettato per studiare l'atmosfera terrestre, oceano, e il clima, come loro quadro, e programmato in esso tutte le forze esterne che si sa esistere nell'Oceano Meridionale, compresi i modelli di vento, riscaldamento solare, evaporazione, e precipitazioni. Hanno quindi inserito le misurazioni dell'esperimento DIMES nel modello e hanno estrapolato la turbolenza nell'intera regione oceanica, data la topografia sottostante.

Il team ha quindi posizionato un tracciante nel suo modello nella stessa posizione in cui il vero tracciante è stato rilasciato nell'Oceano Antartico, e osservato che, infatti, si è diffuso verticalmente, allo stesso ritmo che i ricercatori hanno osservato sul campo, dimostrando che il modello rappresentava la vera turbolenza dell'oceano.

Guardando più da vicino le loro simulazioni, i ricercatori hanno osservato che le regioni con topografia come montagne sottomarine e creste stavano essenzialmente intrappolando il tracciante per lunghi periodi di tempo, frullandolo e mescolandolo verticalmente, prima che il tracciante scappasse e scivolasse in acque più calme.

I ricercatori ritengono che la turbolenza che si verifica in queste regioni isolate per lunghi periodi di tempo possa misurare fino alla quantità totale di miscelazione inizialmente prevista da Munk. Questo processo di miscelazione può quindi spiegare come le acque dell'oceano profondo risalgano in superficie.

"La risalita indotta dalla miscelazione è rilevante a livello globale, " Dice Mashayek. "Se la nostra scoperta nell'Oceano Antartico si estende ad altri punti caldi di mescolamento in tutto il mondo, allora rimodellerà in qualche modo la nostra comprensione del ruolo del mescolamento turbolento nel ribaltamento della circolazione oceanica. Ha anche importanti implicazioni per la parametrizzazione dei processi di miscelazione nei modelli climatici".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.