Dalla scoperta del capitano James Cook nel 1770 che l'acqua comprendeva le latitudini meridionali della Terra, gli oceanografi hanno studiato l'Oceano Antartico, la sua fisica, e come interagisce con la circolazione globale dell'acqua e il clima.

Attraverso osservazioni e modelli, gli scienziati sanno da tempo che grandi, correnti profonde nel Pacifico, Gli oceani Atlantico e Indiano scorrono verso sud, convergere in Antartide. Dopo essere entrati nell'Oceano Australe si capovolgono, portando l'acqua dall'oceano più profondo, prima di tornare in superficie verso nord. Questo capovolgimento completa il ciclo di circolazione globale, che è importante per l'assorbimento oceanico di carbonio e calore, il rifornimento di nutrienti da utilizzare nella produzione biologica, così come la comprensione di come si sciolgono le piattaforme di ghiaccio.

Eppure la struttura tridimensionale dei percorsi che queste particelle d'acqua prendono per raggiungere lo strato misto superficiale dell'Oceano Antartico e le loro tempistiche associate erano poco conosciute fino a poco tempo fa. Ora i ricercatori hanno scoperto che in profondità, l'acqua relativamente calda dei tre bacini oceanici entra nell'Oceano Australe e si sviluppa a spirale verso sud-est e verso l'alto intorno all'Antartide prima di raggiungere lo strato misto dell'oceano, dove interagisce con l'atmosfera.

Il team di ricerca comprende scienziati del MIT, l'Istituto di oceanografia Scripps, Università di Princeton, il Laboratorio di fluidodinamica geofisica, il Laboratorio Nazionale di Los Alamos, l'Università di Washington, e il Jet Propulsion Laboratory della NASA. Lo studio, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , rivela anche che forti vortici, causato da interazioni topografiche in cinque località all'interno dell'attuale Antartide, giocano un ruolo importante in questo processo di crescita. I ricercatori sono stati inoltre in grado di determinare quanta acqua da ciascun bacino oceanico costituiva quella che chiamano questa "scala a chiocciola, " e credo che questo viaggio avvenga molto più velocemente di quanto suggeriscano le stime precedenti.

Nell'Oceano Meridionale, forti interazioni e vortici oceano-atmosfera guidano in gran parte il sollevamento, ricercatori hanno trovato. I venti occidentali che circondano l'Antartide soffiano freddi, acque superficiali ricche di anidride carbonica verso nord dal continente attraverso la Corrente Circumpolare Antartica (ACC). L'ACC scorre intorno al bordo settentrionale dell'Oceano Antartico e non è solo la corrente più forte del mondo, ma anche l'unica grande corrente che circonda il globo senza ostacoli dai continenti. Gran parte dell'acqua fredda proviene dallo scioglimento del ghiaccio, causato da più caldo, acque ricche di nutrienti che entrano nell'ACC in profondità e risalgono gradualmente da circa 1, 000-3, 000 metri di profondità.

Le osservazioni della temperatura e della salinità dell'Oceano Meridionale hanno fornito indizi sulla struttura di questo ribaltamento, ma solo di recente i modelli al computer erano abbastanza sofisticati per eseguire simulazioni realistiche, consentendo ai ricercatori di indagare se e come varia la risalita nello spazio tridimensionale e cosa controlla la struttura della risalita. Per esplorare queste domande, i ricercatori hanno utilizzato tre modelli atmosfera-oceano, in grado di catturare le caratteristiche critiche della circolazione oceanica che si verificano su piccola scala. Hanno quindi seguito particelle d'acqua virtuali da dove sono entrate nell'Oceano Antartico intorno al 30 sud e tra 1, 000 e 3, 000 metri di profondità fino al punto in cui hanno attraversato il confine dello strato misto, che era considerata profonda 200 metri. Le condizioni utilizzate negli esperimenti sui modelli climatici erano abbastanza coerenti con quelle dell'anno 2000; questi sono stati poi eseguiti per 200 anni in questo stato perpetuo. Durante questo periodo nei modelli sono state rilasciate particelle d'acqua virtuale.

"Abbiamo tracciato milioni di queste particelle mentre risalgono. Poi abbiamo mappato i loro percorsi, e possiamo determinare ... e separare il trasporto di volume - quanta acqua viene spostata - da queste correnti. Così, siamo in grado di confrontare quanto siano importanti questi diversi percorsi regionali, " dice il co-autore Henri Drake, uno studente laureato presso il Dipartimento della Terra del MIT, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS), e membro del Programma in Atmosfere, Oceani e clima. Hanno anche notato il tempo impiegato dalle particelle per raggiungere lo strato misto e le posizioni di maggiore risalita.

La loro analisi ha rivelato che le particelle d'acqua tendevano a scorrere verso sud, principalmente lungo le correnti di confine occidentale e orientale nell'Atlantico, Indiano, e gli oceani Pacifico, dove sono entrati nel tracciamento ACC con superfici di densità. Anche le interazioni dell'ACC e dei vortici intorno al terreno sottomarino hanno giocato un ruolo importante nel processo di risalita.

"Nel profondo oceano, le particelle d'acqua seguono le superfici di densità ... che iniziano molto in profondità dove rilasciamo le particelle e poi diventano meno profonde mentre vai a sud, "Drake. "Quindi se hai una particella che viaggia verso sud lungo la stessa superficie di densità, diventerà più alto nella colonna d'acqua, fino a quando alla fine la superficie della densità si interseca con lo strato misto."

Inoltre, cinque principali località topografiche dell'ACC:la cresta indiana sudoccidentale, l'altopiano delle Kerguelen, la cresta di Macquarie, la dorsale pacifico-antartica, e il Passaggio di Drake:aree create di turbolenza e alta energia cinetica, che ha contribuito a upwell la maggior parte dell'acqua.

"I vortici sono fondamentalmente questi vortici nell'Oceano Antartico che sono davvero importanti per il trasporto delle acque, " dice Drake. "Se non hai vortici, l'acqua probabilmente girerebbe intorno all'Antartide e ritornerebbe alla stessa latitudine. Ma con vortici, quando le particelle viaggiano in queste linee di flusso, arriveranno in un luogo di alta energia cinetica vorticosa e si sposteranno a sud fino alla prossima linea di flusso".

I ricercatori hanno anche scoperto che metà dell'acqua che ha raggiunto lo strato misto proveniva dall'Oceano Atlantico, mentre gli oceani Indiano e Pacifico hanno contribuito ciascuno a circa un quarto. La maggior parte di queste acque ha superato questa soglia dopo 28-81 anni. Nel modello ad alta risoluzione, questo lasso di tempo è fino a 10 volte più veloce rispetto alle stime precedenti prodotte da modelli non vorticosi, che erano più vicini a 150-250 anni. Ciò dimostra che i tassi di risalita potrebbero essere critici per lo scioglimento dei ghiacci antartici in relazione ai futuri cambiamenti climatici, dice Adele Morrison, un coautore dell'Australian National University che ha contribuito al lavoro mentre era all'Università di Princeton. I modelli ampiamente concordati, mostrando la robustezza del risultato, lei dice.

"Scientificamente, questo è significativo, perché per molto tempo abbiamo pensato alla risalita come spinta principalmente dai venti, che sono praticamente uniformi intorno all'Oceano Meridionale, " dice Morrison. "Ma qui abbiamo dimostrato che la struttura della risalita è davvero controllata dalla topografia sottomarina e dal campo vorticoso".

John Marshall, il Cecil e Ida Green Professore di Oceanografia in EAPS, che non faceva parte dello studio, afferma che la ricerca conferma che la risalita nell'Oceano Antartico "è mediata da vortici, ma sottolinea quanto siano importanti i vortici e quanto sia localizzata parte dell'attività dei vortici, quindi rende difficile rappresentarli in modelli che non hanno vortici."

"Penso che i tempi di comunicazione potrebbero essere un po' più veloci di quanto pensassimo fossero tra l'interno e la superficie, "dice Marshall.

Il gruppo intende continuare il lavoro, indagare le interfacce oceano-atmosfera, traiettorie delle particelle d'acqua, e la propagazione dei segnali del cambiamento climatico dalla formazione di acque profonde nell'Atlantico settentrionale all'Oceano meridionale.

"La nostra descrizione dei percorsi che collegano l'oceano profondo all'oceano di superficie apre la porta a studi futuri per collegare la meccanica dei fluidi dell'oceano profondo agli scambi di calore, carbonio, e nutrienti all'interfaccia oceano-atmosfera che influenzano il clima della Terra, "Drake dice.

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.