机器人数据帮助解释神秘的漏洞
南极洲威德尔海表面的冬季冰层偶尔会形成一个巨大的洞。在2016年和2017年，一个这样的洞引起了科学家和媒体的强烈好奇。
虽然几十年前形成了更大的差距，但这是海洋学家第一次有机会真正监测南极冬季海冰的意外差距。这是一个由于不可思议的时机和经验丰富的海洋学家对海洋的了解而产生的机会。
由加利福尼亚大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的研究人员共同撰写的一项新研究结合了海冰覆盖的卫星图像和机器人漂流者收集的数据，甚至还配备了配备传感器的海豹，以更好地了解这一现象。由华盛顿大学（UW）领导的这项研究探讨了为什么这个洞只出现了几年，以及它在更大的海洋环流中可以发挥什么作用。
该研究于6月10日发表在“ 自然 ”杂志上 ，涉及一个被海洋学家认为对气候至关重要的地区。南大洋被认为在全球洋流和碳循环中起着关键作用，但其行为却知之甚少。它拥有地球上一些最猛烈的风暴，在极地冬季的24小时黑暗中，风在南极洲周围不间断地肆虐。该研究表明，这些风引发的现象可能对全球的气候产生影响。
“我们认为海冰中的这个大洞 - 被称为变形金刚 - 是罕见的，可能是一个已经灭绝的过程。但2016年和2017年的事件迫使我们重新评估，”主要作者伊桑坎贝尔说，海洋学的威斯康星大学博士生。 “观测结果表明，最近的混合岩群是由多种因素共同作用的：一种是不寻常的海洋条件，另一种是一系列强烈的风暴，在威德尔海上旋转，几乎是飓风强风。”
“polynya”是一个俄语单词，大致意思是“冰洞”，可以形成近岸，因为风将冰推向周围。但是它也可以远离海岸并且可以持续数周到数月，它可以作为企鹅，鲸鱼和海豹的绿洲，以便弹出和呼吸。
远离南极海岸的这个特殊地点往往有小开口，之前曾见过大型的海啸。在该地点最大的已知的小型飞机是在1974年，1975年和1976年，在第一颗卫星发射之后，当新西兰大小的地区通过连续三次南极冬季保持无冰时，尽管空气温度远低于冰点。
这项新研究使用了南大洋碳和气候观测和模拟项目（SOCCOM）的观测资料，该项目自2014年以来一直在部署仪器，随着海流的变化而漂移以监测南极条件。该项目成功的关键是在威德尔海选择仪器部署的地点。 2014年底，Scripps海洋学家Lynne Talley（SOCCOM的主要科学家之一）选择了这个位置，部分原因在于其独特的特征 - 一座名为Maud Rise的水下山峰。该研究小组推出了最初为Argo建造的浮子的改进版本 - 这是一个由近4000个机器人组成的网络，可以收集全球2000米（6,500英尺）深度的基础数据。这些专门的单位 - 被称为生物地球化学Argo浮标 - 具有额外的仪器，可以进行与生物活动相关的测量。
作为一名研究报告的共同作者，Talley表示，她将目标定位在Maud Rise地区，因为她知道这与有趣的气候现象有关。她知道山周围的海洋物理学很有可能夹住山周围的漂浮物，这可能会导致数据丰富。
“但我们不知道自20世纪70年代中期以来最大的事件将发生在我们把那些花车放进去的时候，”她补充道。
偶然的机会，巨型海豚的形成发生在2016年，当时该地区仍然存在花车以捕捉事件。当年8月，NASA卫星图像显示出一个33,000平方公里（13,000平方英里）的间隙，出现了三个星期。 2017年9月和10月出现了更大的差距，增长到50,000平方公里（19,000平方英里）。
“认识到Maud Rise地区对气候的重要性，Lynne确保Argo浮标作为SOCCOM项目的一部分存在于该地区，”该论文的共同作者Scripps研究员Matt Mazloff说。 “漂浮数据能够彻底研究这次冰盖开放的原因和影响，以及对历史事件的新认识。”
该研究使用了其他Argo数据以及象海豹收集的数据，这些海豹配有标签，可将其发射回海岸，气象站，大气再分析以及数十年的卫星图像。
威斯康星大学海洋学教授斯蒂芬·里瑟说：“这项研究表明，这种多变量实际上是由许多因素引起的。” “在任何一年中，你可能会发生其中的一些事情，但除非你得到所有这些，否则你就不会得到一个变形金刚。”
该研究表明，当南极洲周围的风越来越靠近海岸时，它们促进了威德尔海东部更强的向上混合水。在该地区，Maud Rise迫使周围的海水密集，并在上方留下旋转的漩涡。两个SOCCOM仪器被困在Maud Rise上方的涡旋中，并在那里记录了多年的观测结果。
分析表明，当表面海洋特别咸时，如2016年所见，强烈的冬季风暴可以引发翻转环流，其中来自深处的较温暖，较咸的水被搅动到地表。空气变冷，使其比下面的水更密集。随着水的下沉，相对温暖的约1℃（34℉）的深水取代它在表面，形成一个反射回路，冰不能重新形成。
“Ethan在Maud Rise上发现的混合物也混合了营养物质，并促成了由SOCCOM的生物地球化学漂浮物测量的大型早期叶绿素绽放，”Talley说，“因此我们还有更多的发现和了解这一事件。”
在气候变化的推动下，冰川融化和其他来源的淡水有望使南大洋表层降低密度，这可能意味着未来将会减少更少的冰间谍。但这项新研究质疑了这一假设。许多模型表明，环绕南极洲的风将变得更强，并且更接近海岸。新论文表明，这将鼓励更多的合唱团形成，而不是更少。
这些是第一次证明即使是像2016年的小型变形金刚从水面一直移动到深海的观测资料。
“基本上它是整个海洋的翻转，而不是在从地表到深处的单程旅行中注入地表水，”共同作者厄尔威尔逊说，他最近在威斯康星大学完成了海洋学博士学位。
表面的polynya影响气候的一种方式是通过称为南极底水的深水。深水的产生地点和方式会影响其特征，并会对其他主要洋流产生连锁反应。
“现在人们认为大部分底水正在南极陆架上形成，但这些大型近海海啸可能在过去更常见，”Riser说。 “我们需要改进我们的模型，以便我们可以研究这个过程，这可能会产生更大规模的气候影响。”
大而持久的冰间隙也会影响大气层，因为深水含有生命形态的碳，这些碳已经沉没了几个世纪，并在下降过程中溶解。一旦这些水到达表面，碳就可以释放出来。
坎贝尔说：“这个深层的碳储存已被锁定数百年，并且在一个合金系中，它可能通过这种非常剧烈的混合在地表通风。” “如果气候系统连续多年发生，那么大型碳排放事件可能会真正打击气候系统。”
“这种polynya是一个重大事件，对我们不断变化的气候具有重要意义。正是由于Lynne的智慧，才能在Maud Rise上部署漂浮物，因为它记录得非常好，“Mazloff说道。 “除了这项研究之外，其他分析也开始出现，这证明了事件的重要性以及我们通过SOCCOM收集的信息量。”
该论文的其他共同作者是多伦多大学的肯特摩尔，他是加州大学北极研究中2016-17加拿大富布赖特访问主席;和南卡罗来纳大学的Casey Brayton一起开始了她在该项目中的工作，作为斯克里普斯夏季本科研究奖学金（SURF）项目的一部分。
SOCCOM由国家科学基金会资助。坎贝尔通过国防科学与工程研究生奖学金计划得到国防部的支持。额外资金来自美国国家科学基金会，国家海洋和大气管理局，威斯康星大学和斯克里普斯海洋学。
- 改编自华盛顿大学
