Verwachte toename van turbulentie in de pooloceaan door afname van zee-ijs

Vergelijking van Arctic Ocean FSLE-snapshots van de twee simulaties in maart. Heldere gebieden (hoge FSLE) geven meer krachtige horizontale menging aan. Linker paneel: huidige omstandigheden; rechter paneel: toekomstige omstandigheden die een verviervoudiging van CO2 in de atmosfeer vertegenwoordigen.

Een studie gepubliceerd in Nature Climate Change door een internationaal team van wetenschappers van het IBS Center for Climate Physics (ICCP) aan de Pusan National University in Zuid-Korea, presenteert nieuw bewijs dat oceaan turbulentie en een proces dat bekendstaat als “horizontale menging” dramatisch zullen toenemen in de Arctische en Zuidelijke Oceaan door door de mens veroorzaakte wereldwijde opwarming en afname van het zee-ijs.

Horizontale menging werkt door een vloeistof in dunne strepen uit te rekken, wat uiteindelijk helpt bij het creëren van turbulentie en bijdraagt aan de menging van watereigenschappen. In de oceaan vindt een vergelijkbaar mengproces van zeewater plaats door de actie van winden en andere energiebronnen. Wanneer dit horizontaal gebeurt over afstanden van tientallen tot honderden kilometers, wordt dit mesoscale horizontale menging (MHS) genoemd.

MHS transporteert en herverdeelt warmte en voedingsstoffen, waardoor de verdeling van plankton in de bovenste oceaan wordt bepaald. Bovendien beheersen het rekken, de rotatie en de ruimtelijke scheiding van naburige vloeistofdeeltjes in de loop van de tijd ook de verspreiding van vis eitjes en larven, maar ook van verontreinigende stoffen, zoals microplastics.

Vanwege de afgelegenheid van de poolgebieden is het tot nu toe een uitdaging geweest om de impact van wereldwijde opwarming op kleinschalige oceaanstromingen en mariene ecosystemen te bestuderen met behulp van scheepswaarnemingen en satellietgegevens. In plaats daarvan hebben klimaatswetenschappers sterk vertrouwd op klimaatsimulatiemodellen. De huidige generatie van dergelijke modellen heeft echter niet de ruimtelijke resolutie om kleinschalige oceaanprocessen die relevant zijn voor MHS en de productie van turbulentie en horizontale menging te kunnen oplossen.

Om deze tekortkoming te overwinnen, analyseerde het Zuid-Koreaanse onderzoeksteam resultaten van ultra-hoge resolutie simulaties uitgevoerd met het Community Earth System Model versie 1.2.2 (CESM-UHR) op de Aleph supercomputer van het Institute for Basic Science in Daejeon. Dit volledig gekoppelde model integreert atmosfeer, zee-ijs en oceaancomponenten om hun interacties binnen het klimaatsysteem realistisch weer te geven, met een horizontale resolutie van 0,25° voor de atmosfeer en 0,1° voor de oceaan.

Het team richtte zich op simulaties onder huidige (PD), CO2 verdubbeling (2 x CO2), en verviervoudiging (4 x CO2) omstandigheden om te onderzoeken hoe MHS reageert op door mensen veroorzaakte opwarming.

Om het rekken van vloeistoffen in langwerpige filamentachtige structuren te karakteriseren, gebruikte het onderzoeksteam een techniek die bekendstaat als eindige-grootte Lyapunov-exponenten (FSLE), die bijhoudt hoe snel naburige vloeistofdeeltjes zich in de loop van de tijd scheiden door mesoscale oceaanwervelingen (draaiende stromingen van tientallen tot honderden kilometers), kronkelige stromen en oceaanfronten.

Met behulp van dagelijkse gegevens van 10 jaar simulatie tonen de computationeel veeleisende FSLE-berekeningen een uitgesproken toekomstige intensivering van MHS in de Arctische Oceaan en langs de kust van Antarctica, wat voornamelijk kan worden toegeschreven aan de dramatische afname van zee-ijs in een opwarmende wereld. De onderzoekers ontdekten dat de mechanismen die het verlies van zee-ijs met verbeterde MHS verbinden, verschilden tussen de twee regio’s.

In de Arctische Oceaan verhoogt het verdwijnen van zee-ijs de mechanische energie-invoer in de oceaan. Ononderbroken door zee-ijs kan een klokwijzerwind de gemiddelde oceaanstroom versterken en de generatie van bovenste oceaanwervelingen verbeteren, wat uiteindelijk leidt tot versterkte MHS en turbulentie.

Daarentegen komt de verwachte toekomstige versterking van MHS rond Antarctica in de kustregio van Antarctica voort uit versfreshening in de nabijheid van de kust door de afname van zee-ijs, wat de noord-zuid densiteitsgradiënt versterkt. Dit versterkt op zijn beurt de gemiddelde oceaanstromingen, zoals de Antarctische Hellingsstroom, en verbetert de wervelactiviteit en MHS.

Aangezien een dergelijke intensivering van MHS naar verwachting grote veranderingen in oceaanecosystemen zal veroorzaken, evenals in de verspreiding van mariene verontreinigingen, is verder onderzoek dringend nodig. “Het contrast tussen de Arctische Oceaan, die wordt omringd door continenten, en de Zuidelijke Oceaan, waar het continent door de oceaan wordt omringd, creëert verschillende fysieke omstandigheden voor oceaanmenging. Maar de uitkomst voor oceaanmenging onder opwarming is vrij vergelijkbaar,” zegt hoofdauteur Yi Gyuseok, een doctoraatsonderzoeker aan het ICCP en de Pusan National University.

“Horizontale menging is een cruciale factor voor het transport van vislarven over de oceaan. Voor gematigde waarden verbindt dit proces geografisch populaties en habitats, waardoor hun genetische uitwisseling toeneemt. Echter, met toenemende menging in de toekomst kunnen larven worden getransporteerd naar ongeschikte gebieden waar ze mogelijk niet overleven,” merkt Prof. Lee June-Yi op van het ICCP en co-correspondent auteur van de studie.

Het begrijpen van de ecologische implicaties van de belangrijkste bevindingen van de auteurs vereist aanvullende experimenten met aardensysteemmodellen met hoge ruimtelijke resolutie, inclusief computermodellen van plankton en vissen. “Momenteel ontwikkelen we aan het IBS Center for Climate Physics in Zuid-Korea een nieuwe generatie aardensysteemmodellen die beter de interacties tussen klimaat en leven integreren. Dit zal ons begrip verdiepen van hoe poolecosystemen reageren op wereldwijde opwarming,” zei Prof. Axel Timmermann, mede-auteur van de studie en directeur van het ICCP.