البيانات الآلية تساعد في تفسير الثقوب الغامضة

Weddell Sea polynya ، initally 3700 ميلا مربعا ، 2017. صورة الأقمار الصناعية ناسا اللون وهمية تظهر الجليد باللون الأزرق ، السحب في الأبيض. (الصورة: معهد سكريبس لعلوم المحيطات)

يتطور الجليد الشتوي على سطح بحر Weddell في القارة القطبية الجنوبية في بعض الأحيان إلى حفرة هائلة. في عامي 2016 و 2017 ، لفت أحد هذه الثقافات بفضول شديد من العلماء ووسائل الإعلام.

على الرغم من أن الفجوات الأكبر قد تشكلت قبل عقود ، كانت هذه هي المرة الأولى التي تتاح فيها لعلماء المحيطات فرصة لرصد الفجوة غير المتوقعة في الجليد البحري الشتوي في أنتاركتيكا. لقد كانت فرصة جاءت نتيجة للتوقيت الخاطئ ومعرفة عالم البحار المخضرم بالبحر.

تجمع دراسة جديدة شارك في تأليفها باحثون من معهد سكريبس لعلوم المحيطات بجامعة كاليفورنيا سان دييغو ، بين صور الأقمار الصناعية للغطاء الجليدي البحري والبيانات التي جمعها المتجولون الآليون وحتى الأختام المجهزة بأجهزة استشعار لفهم هذه الظاهرة بشكل أفضل. يستكشف البحث الذي أجرته جامعة واشنطن (UW) سبب ظهور هذا الثقب بضع سنوات فقط ، وما هو الدور الذي يمكن أن يلعبه في دوران المحيطات الأكبر.

تتناول الدراسة ، التي نُشرت في 10 يونيو في مجلة Nature ، منطقة تعتبر حيوية من قبل علماء المحيطات للمناخ. يُعتقد أن المحيط الجنوبي يلعب دورًا رئيسيًا في التيارات المحيطية العالمية ودورات الكربون ، لكن سلوكه غير مفهوم جيدًا. يستضيف بعض من أعنف العواصف على هذا الكوكب ، مع رياح تهب دون انقطاع حول القارة القطبية الجنوبية في ظلام دامس على مدار 24 ساعة في فصل الشتاء القطبي. تشير الدراسة إلى أن الظواهر التي تحدثها الرياح يمكن أن يكون لها آثار على المناخ في جميع أنحاء العالم.

وقال المؤلف الرئيسي إيثان كامبل ، "لقد اعتقدنا أن هذه الحفرة الكبيرة في جليد البحر - المعروفة باسم بولينيا - كانت شيئًا نادرًا ، ربما كانت عملية قد انقرضت. لكن أحداث عامي 2016 و 2017 أجبرتنا على إعادة تقييم ذلك". طالب دكتوراه UW في علم المحيطات. "تشير الملاحظات إلى أن polynyas الأخيرة فتحت من مجموعة من العوامل: واحد هو ظروف المحيط غير عادية ، والآخر هو سلسلة من العواصف الشديدة التي اجتاحت بحر Weddell مع رياح الأعاصير تقريبا."

يمكن أن تتشكل كلمة "polynya" ، وهي كلمة روسية تعني "ثقب في الجليد" تقريبًا ، بالقرب من الشاطئ بينما تدفع الرياح الجليد حولها. ولكن يمكن أن يظهر أيضًا بعيدًا عن الساحل ويتحرك لمدة أسابيع إلى أشهر ، حيث يعمل كواحة لطيور البطريق والحيتان والأختام ليطفو على السطح والتنفس.

غالبًا ما تحتوي هذه البقعة الخاصة بعيدًا عن ساحل القطب الجنوبي على فتحات صغيرة وشهدت مناطق متعددة من قبل. كانت أكبر بولينيات معروفة في ذلك الموقع في الأعوام ١٩٧٤ و ١٩٧٥ و ١٩٧٦ ، مباشرة بعد إطلاق الأقمار الصناعية الأولى ، عندما بقيت مساحة بحجم نيوزيلندا خالية من الجليد من خلال ثلاثة فصول شتاء أنتاركتيكية متتالية رغم أن درجات حرارة الهواء أقل بكثير من التجمد.

استخدمت الدراسة الجديدة ملاحظات من مشروع رصد جنوب المحيط للكربون والنمذجة والنمذجة ، أو SOCCOM ، التي تنشر أدوات منذ عام 2014 تنجرف مع التيارات لرصد ظروف أنتاركتيكا. كان مفتاح نجاح المشروع هو اختيار المواقع في بحر Weddell حيث تم نشر الأدوات. في أواخر عام 2014 ، اختار عالم المحيطات في سكريبس لين تالي ، أحد كبار العلماء في SOCCOM ، الموقع جزئياً بسبب ميزة مميزة - جبل تحت الماء يعرف باسم مود رايز. أطلق فريق البحث إصدارات معدلة من العوامات المصممة أصلاً لـ Argo - شبكة تضم حوالي 4000 روبوت تجمع بيانات أساسية إلى عمق 2000 متر (6،500 قدم) حول العالم. هذه الوحدات المتخصصة - المعروفة باسم تعويم أرغو الكيميائي الحيوي - تحتوي على أجهزة إضافية تمكن القياسات المتعلقة بالنشاط البيولوجي.

وقالت تالي ، أحد المشاركين في الدراسة ، إنها استهدفت منطقة مود رايز لأنها عرفت أنها مرتبطة بظواهر مناخية مثيرة للاهتمام. لقد أدركت أن هناك فرصة جيدة لأن يتمكن فيزياء المحيط حول الجبل من جذب العوامات حول الجبل ، مما قد يؤدي إلى سلسلة من البيانات.

وأضافت: "لكن لم يكن لدينا أدنى دليل على أن الحدث الأكبر منذ منتصف سبعينيات القرن الماضي سيحدث فقط عندما نضع تلك الطفو في المكان".

بالصدفة ، حدث تشكيل polynya العملاقة في عام 2016 عندما كانت العوامات لا تزال موجودة في المنطقة لالتقاط الحدث. كشفت صورة أقمار صناعية تابعة لناسا في أغسطس من ذلك العام عن وجود فجوة مساحتها 33000 كيلومتر مربع (13000 ميل مربع) ظهرت لمدة ثلاثة أسابيع. ظهرت فجوة أكبر حتى نمت إلى 50000 كيلومتر مربع (19000 ميل مربع) في سبتمبر وأكتوبر من عام 2017.

وقال مات مازلوف ، الباحث المشارك في Scripps ، وهو مؤلف مشارك في البحث: "إدراكًا لأهمية منطقة مود رايز للمناخ ، أكدت لين وجود عوامات Argo في المنطقة كجزء من مشروع SOCCOM". "مكنت البيانات الطافية من إجراء دراسة شاملة لأسباب وآثار هذا الانفتاح على الغطاء الجليدي ، بالإضافة إلى فهم جديد للأحداث التاريخية."

استخدمت الدراسة بيانات Argo الأخرى بالإضافة إلى البيانات التي تم جمعها بواسطة أختام الفيل المزودة بعلامات تعيدها إلى الشاطئ ومحطات الطقس وإعادة التحليل الجوي وعقود من صور الأقمار الصناعية.

وقال ستيفن رايزر ، أستاذ مشارك في علم المحيطات في جامعة كاليفورنيا "هذه الدراسة تُظهر أن بولينيا ناتجة بالفعل عن عدد من العوامل التي يجب على الجميع أن يصطفوا من أجل حدوثها". "في أي سنة معينة ، يمكن أن يحدث العديد من هذه الأشياء ، لكن ما لم تحصل عليها جميعًا ، فلن تحصل على بولينيا".

تظهر الدراسة أنه عندما تقترب الرياح المحيطة بأنتاركتيكا من الشاطئ ، فإنها تعزز الاختلاط الصعودي القوي للمياه في شرق بحر ويديل. في تلك المنطقة ، تجبر مود رايز مياه البحر الكثيفة حولها وتترك دوامة دوارة أعلاه. تم حصر صكين من SOCCOM في دوامة فوق Maud Rise وسجلوا سنوات من الملاحظات هناك.

يُظهر التحليل أنه عندما يكون المحيط السطحي مالحًا بشكل خاص ، كما شوهد طوال عام 2016 ، يمكن أن تؤدي العواصف الشتوية القوية إلى دورة انقلابية يتم فيها تحويل المياه الأكثر دفئًا والأملح من الأعماق إلى السطح. هناك قشعريرة الهواء يجعلها أكثر كثافة من الماء أدناه. نظرًا لأن هذه المياه تغرق ، فإن المياه العميقة الدافئة نسبيًا التي تبلغ حوالي 1 ℃ (34 ℉) تحل محلها على السطح ، مما يخلق حلقة تغذية مرتدة حيث لا يمكن أن يتشكل الجليد.

وقال تالي "إن الخلط الذي وجده إيثان على مود رايز يمزج أيضًا العناصر الغذائية وساهم في إزهار كلوروفيل كبير ومبكر تم قياسه من خلال تعويم SOCCOM الكيميائي الحيوي ، لذا لدينا الكثير لاكتشاف هذا الحدث وفهمه".

بسبب التغير المناخي ، من المتوقع أن تؤدي المياه العذبة الناتجة عن ذوبان الأنهار الجليدية وغيرها من المصادر إلى جعل الطبقة السطحية للمحيط الجنوبي أقل كثافة ، مما قد يعني عددًا أقل من polynyas في المستقبل. لكن الدراسة الجديدة تشكك في هذا الافتراض. تُظهر نماذج كثيرة أن الرياح التي تدور حول القارة القطبية الجنوبية ستصبح أقوى وتقترب أكثر من الساحل. تشير الورقة الجديدة إلى أن هذا من شأنه أن يشجع المزيد من polynyas على التكون ، وليس أقل.

هذه هي الملاحظات الأولى التي تثبت أنه حتى polynya أصغر مثل 2016 ينقل المياه من السطح وصولاً إلى أعماق المحيطات.

وقال المؤلف المشارك إيرل ويلسون ، الذي أكمل مؤخرًا شهادة الدكتوراه في علم المحيطات في جامعة ولاية ويسكونسن: "إنها في الأساس تقلب المحيط بأكمله ، بدلاً من ضخ المياه السطحية في رحلة باتجاه واحد من السطح إلى الأعماق".

تتمثل إحدى الطرق التي تؤثر بها polynya السطحية على المناخ في المياه العميقة المعروفة باسم مياه أسفل القطب الجنوبي. يؤثر مكان وكيفية تكوين المياه العميقة على خصائصها ، وسيكون لذلك آثار تموج على التيارات البحرية الرئيسية الأخرى.

وقال ريزر "في الوقت الحالي يعتقد الناس أن معظم المياه السفلية تتشكل على الجرف في أنتاركتيكا ، لكن هذه البولينيات البحرية الكبيرة ربما كانت أكثر شيوعًا في الماضي". "نحن بحاجة إلى تحسين نماذجنا حتى نتمكن من دراسة هذه العملية ، والتي يمكن أن يكون لها آثار مناخية واسعة النطاق."

كما يمكن أن تؤثر polynyas الكبيرة والطويلة الأمد على الغلاف الجوي ، لأن المياه العميقة تحتوي على الكربون من أشكال الحياة التي غرقت على مدى قرون وتذوب في طريقها إلى الأسفل. بمجرد وصول هذه المياه إلى السطح يمكن إطلاق الكربون.

وقال كامبل "هذا الخزان العميق للكربون قد أغلق منذ مئات السنين ، وقد يتعرض للتهوية في بولينيا على السطح من خلال هذا الخليط العنيف حقًا". "يمكن لحدث كبير لانبعاثات الكربون أن يضرب نظام المناخ بالفعل إذا حدث لعدة سنوات متتالية."

لقد كانت بولينيا حدثًا هامًا له تداعيات مهمة فيما يتعلق بمناخنا المتغير. وقال مازلوف: "بفضل حكمة لين في نشر الطفو فوق" مود رايز "تم توثيقه جيدًا". "بالإضافة إلى هذه الدراسة ، بدأت تظهر تحاليل أخرى ، وهذا دليل على أهمية الحدث وكمية المعلومات التي جمعناها عليها بفضل SOCCOM."

مؤلفون آخرون مشاركون في البحث هم كينت مور من جامعة تورنتو ، الذي كان يشغل كرسي فولبرايت الزائر في دراسات القطب الشمالي في جامعة كاليفورنيا في الفترة ما بين 2016 و 2016 ؛ وكيسي برايتون من جامعة ساوث كارولينا ، التي بدأت عملها في المشروع كجزء من برنامج زمالة الأبحاث الجامعية الصيفية (SURF) في سكريبس.

يتم تمويل SOCCOM من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم. حصل كامبل على الدعم من وزارة الدفاع من خلال برنامج زمالة الدراسات العليا في العلوم والهندسة الوطنية للدفاع. تمويل إضافي من NSF ، الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي ، UW ، و Scripps علم المحيطات.

- مقتبس من جامعة واشنطن