Các nhà khoa học phân tích vai trò năng động của Ocean Ocean trong biến đổi khí hậu
Dữ liệu mới được thu thập bởi các nhà toán học và nhà hải dương học trong vùng nước lạnh lẽo ở Nam Đại Dương có thể cải thiện đáng kể các mô hình khí hậu.
Tàu nghiên cứu Roger Revelle trong chuyến đi đầu tiên của DIMES năm 2009, chụp ảnh từ một chiếc bè.
Vào tháng 1 năm 2010, một nhóm các nhà khoa học đã đi bằng tàu từ mũi phía nam Chile đến Nam Cực lạnh lùng để tìm kiếm manh mối cho một trong những ẩn số lớn của biến đổi khí hậu. Họ đã lên kế hoạch để vượt qua một vùng biển xa xôi gần nơi mà một năm trước đó, một phi hành đoàn khác đã tiêm một thùng hóa chất trơ một dặm dưới bề mặt. Phi hành đoàn mới đã có bảy tuần tài trợ và thời tiết tốt để lấy mẫu nước biển trên toàn khu vực và khám phá nơi hóa chất đã đi.
Bằng cách lập bản đồ lan rộng trong suốt cả năm, các nhà khoa học hy vọng sẽ giải tán các lực lượng thúc đẩy sự lưu thông của Nam Đại Dương - một trong những điều tiết quan trọng nhất, nhưng ít được hiểu nhất về khí hậu Trái đất.
Nhưng bốn ngày từ cảng, thuyền trưởng tàu con tàu đã chết trong đêm. Có rất nhiều sự nhầm lẫn, ông Angel Ruiz-Angulo, một nhà khoa học trên tàu cho biết. Cuối cùng, họ nói rằng ông đã chết vì bệnh suy tim. Ra khỏi máy bay trực thăng, phi hành đoàn không có lựa chọn nào khác ngoài việc đưa thi thể của thuyền trưởng vào một chiếc tủ lạnh được thiết kế cho các mẫu nước biển và đặt đường đi qua những cơn gió mạnh cho Punta Arenas, Chile, với người bạn đời đầu tiên ở vị trí lãnh đạo. Trên bờ, một dịch vụ ngắn đã được tổ chức, và con tàu đã được kiểm tra. Sau đó, các nhà khoa học nhanh chóng trở lại biển.
Jim Ledwell, một nhà hải dương học với Viện Hải dương học Woods Hole và là nhà khoa học trưởng trong chuyến thám hiểm. Anh ấy đã ở cùng với thủy thủ đoàn một thời gian dài. Nhưng có rất ít thời gian để suy ngẫm. Chỉ với năm tuần để thu thập dữ liệu, Ledwell đã xây dựng kế hoạch giảm số lượng điểm dừng mà con tàu sẽ thực hiện, tập trung vào các địa điểm lấy mẫu thiết yếu nhất.
Sarah Gille, nhà hải dương học tại Viện Hải dương học Scripps ở San Diego và, cùng với Ledwell và những người khác, một nhà điều tra chính về nghiên cứu về khí hậu ở Nam Đại Dương. Thí nghiệm trộn Diapycnal và Isopycnal ở Nam Đại Dương, hay chiến dịch DIMES. Trái đất đang nóng lên và các biến đổi trong mô hình khí hậu ảnh hưởng đến việc liệu các nhà khoa học dự đoán sự gia tăng, ví dụ, 2, 4 hoặc 6 độ C (3.6, 7.2 hoặc 11.8 độ F) từ một thế kỷ kể từ bây giờ, Gille cho biết sự khác biệt thực sự về khí hậu và mức độ lo lắng của bạn về biến đổi khí hậu trong tương lai.
Ở mức cao của phạm vi đó, nhiều vùng ven biển và khô cằn hiện đang là nhà của con người sẽ trở nên không thể ở được, nằm dưới biển hoặc sa mạc.
Nam Đại Dương đóng một vai trò to lớn trong việc chứa sự nóng lên toàn cầu, nuốt chửng khoảng 10% lượng khí carbon dioxide bẫy nhiệt mà con người đổ vào khí quyển. Nhưng một dải nước bao quanh Nam Cực có thể hấp thụ ít carbon hơn trước đây, một nghiên cứu trên tạp chí Science cho thấy vào tháng 2, có thể là do gió mạnh được nạo vét nhiều carbon chìm từ đáy biển và khiến nó bị bão hòa nước mặt. Bởi vì những thay đổi tinh tế có thể kích hoạt một vòng phản hồi trong động lực học chất lỏng, một số nhà nghiên cứu nghĩ rằng Nam Đại Dương cuối cùng có thể chuyển từ hấp thụ carbon dioxide sang phát ra nó (như có thể xảy ra trong quá khứ cổ đại), điều này sẽ tiếp tục leo thang nhiệt độ toàn cầu.
Một sơ đồ về lưu thông đại dương toàn cầu được phát triển bởi các nhà điều tra chính của DIMES John Marshall của MIT và Kevin Speer của Đại học bang Florida vào năm 2012, dựa trên sự hiểu biết hiện tại về động lực học đại dương. Màu sắc mát hơn cho thấy khối lượng nước dày đặc hơn.
Vì nước lạnh, dày đặc nằm xa bên dưới bề mặt đại dương về phía xích đạo hơn gần Nam Cực, các lớp đại dương có mật độ không đổi dốc lên khi người ta di chuyển từ bắc xuống nam qua Nam Đại Dương. Các dòng xoáy và dòng chảy trung bình hút nước từ độ sâu xuống bề mặt dọc theo các đường dốc về phía nam này, sau đó đẩy nó xuống một lần nữa khi nó di chuyển về phía bắc - một băng chuyền gọi là một vòng tròn đảo ngược mà các nhà khoa học cho là lớn nhất trên Trái đất.
Những lưu thông này âm mưu biến Nam Đại Dương thành một nơi hấp thụ khí nhà kính hiệu quả đáng kể, được nuốt ở bề mặt và chảy xuống đáy biển. Và với tư cách là người điều khiển các dòng hải lưu toàn cầu, Nam Đại Dương cũng tác động đến các đại dương khác đối với khí hậu.
Nhưng do sự phức tạp của động lực học đại dương, tác động của biến đổi khí hậu - tăng cường sức gió bề mặt (cũng do lỗ thủng tầng ozone) và nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng 0,8 độ C (1,4 độ F) kể từ khi bắt đầu Cách mạng Công nghiệp, ví dụ - có thể thay đổi mạnh mẽ những lưu thông trong nhiều thập kỷ kể từ bây giờ.
Emily Hiểu các phản hồi giữa dòng chảy trung bình và các sắc lệnh là rất quan trọng để hiểu được sự thay đổi khí hậu trong tương lai, ông Emily Shuckburgh, một nhà toán học ứng dụng tại Khảo sát Nam Cực của Anh và một nhà điều tra chính của DIMES có nghiên cứu trong thập kỷ qua đã nhấn mạnh vai trò phức tạp của nó. eddies trong động lực học đại dương.
Mô phỏng lưu thông Nam Đại Dương ở hai cấp độ phân giải. Mô hình bên trái, sử dụng lưới có độ phân giải 1 độ, không giải quyết các sắc thái đại dương, trong khi các sắc thái được giải quyết trong mô hình 1/6 độ ở bên phải.
Hình ảnh của Hiệp hội Khí tượng Hoa Kỳ
Giải pháp làm việc là để tham số hóa các sắc thái đại dương của Wap bằng cách kết hợp một thuật ngữ vào các phương trình được sử dụng trong các mô hình khí hậu hạt thô cố gắng nắm bắt hiệu ứng ròng của chúng. Trong nhiều năm, thông số xoáy này đã được ước tính dựa trên các phép đo vệ tinh và hồ sơ nhiệt độ rải rác. Chúng tôi đã xem xét điều này và nói, "Điều này thật tuyệt vời, nhưng không ai từng đo lường được cách thức điều chỉnh nhiệt lượng thông khí hoặc CO2. Làm thế nào để chúng ta biết điều này có bất kỳ cơ sở trong thực tế?
Khoa học khí hậu đã phải chịu đựng sự thiếu nghiên cứu tương đối về Nam Đại Dương vì vị trí xa xôi và thời tiết khắc nghiệt của nó, ném Burke nói. Điều này làm cho kết quả từ thí nghiệm DIMES thực sự hữu ích và độc đáo.
Một sự hợp tác hiếm hoi của các nhà hải dương học, nhà hóa học và nhà toán học ứng dụng ở Hoa Kỳ và Vương quốc Anh, thí nghiệm DIMES được thành lập để lấp đầy lỗ hổng kiến thức về Nam Đại Dương. Khoảng hai lần mỗi năm kể từ năm 2009, các phi hành đoàn từ mỗi phía của Đại Tây Dương đã lần lượt đi xuống đáy hành tinh để thực hiện các thí nghiệm và thu thập dữ liệu trên biển, sau đó sẽ được đồng hóa thành các mô hình khí hậu.
Nó đã đi một chặng đường dài từ khoa toán tại Đại học Cambridge, nơi Shuckburgh dành phần lớn sự nghiệp của mình. Bạn hiểu rõ hơn về các lỗi trong phép đo nếu bạn thực sự nhìn thấy cách thức mà nó thực hiện, cô ấy nói.
Trong chuyến đi đầu tiên, các nhà khoa học đã giải phóng 80 kg (176 pound) một hợp chất trơ gọi là trifluoromethyl lưu huỳnh pentafluoride, hoặc CF3SF5, từ một chiếc xe trượt tuyết bị kéo lê phía sau con tàu của họ một dặm dưới nước. Các phân tử đóng vai trò là một người theo dõi trên mạng, lập bản đồ ảnh hưởng của các sắc lệnh khi chúng quay vòng qua đại dương. Trong các chuyến đi tiếp theo - thứ bảy hiện đang được tiến hành và có blog riêng - các phi hành đoàn đã theo dõi sự lây lan của CF3SF5 bằng cách thu thập hàng ngàn mẫu nước.
Cũng giống như khuấy giúp phân tán sữa trong cà phê, các nhà khoa học hy vọng chất đánh dấu sẽ lan nhanh hơn ở các vùng xoáy hơn các nơi khác, đặc biệt là ở độ sâu nơi các sắc thái có xu hướng xoáy tại chỗ. Trên toàn khu vực, phi hành đoàn đã phát hành 200 phao nổi trung tính có thể được theo dõi bằng âm học. Các phao ánh xạ các vị trí và đường đi của các phù thủy khi chúng trôi qua mặt nước, và các phép đo theo dõi sau đó được so sánh với bản đồ xoáy này.
Emily Shuckburgh, một nhà toán học ứng dụng người Anh và là nhà điều tra chính của DIMES, đã giúp khám phá vai trò phức tạp của các sắc lệnh trong các tuần hoàn đại dương toàn cầu.
Các phao truy tìm cánh tay của các đa tạp không ổn định được giả thuyết gần như chính xác, cho vay hỗ trợ cho khung khái niệm mới này để mô tả sự hỗn loạn.
Tôi thấy đáng chú ý là một thí nghiệm ngân sách tương đối thấp có thể cung cấp bằng chứng thuyết phục như vậy cho vai trò chính của các cấu trúc mạch lạc Lagrangian trong hỗn hợp đại dương, ông Hall Haller, người không tham gia thí nghiệm, cho biết qua email.
Trong nghiên cứu mới sắp xuất bản trên Tạp chí Hải dương học Vật lý, Haller và các đồng nghiệp của ông cho rằng lý thuyết về cấu trúc mạch lạc Lagrangian có thể được sử dụng để định vị và mô tả các sắc thái chính xác hơn các phương pháp truyền thống và các mô hình khí hậu phân giải xoáy cuối cùng sẽ áp dụng kỹ thuật này. Các nhà nghiên cứu khác đang sử dụng các cấu trúc mạch lạc Lagrangian để dự đoán sự lây lan của các chất ô nhiễm từ sự cố tràn dầu, dòng chảy chất lỏng trong cơn bão, nhiễu loạn máy bay và mô hình tìm kiếm động vật biển.
Mô hình của tương lai
Các nhà lập mô hình đại dương trong nhóm DIMES đã bắt đầu đồng hóa chất đánh dấu và chuyển dữ liệu vào mô hình của họ. Tại Viện Scripps, nhóm Gille, sẽ sử dụng nó để xác định các điều kiện biên: các yếu tố không chắc chắn như lượng mưa, chuyển động nhiệt qua bề mặt, bốc hơi và tốc độ gió có thể được quay lên và xuống trong các mô hình qua một loạt các giá trị. Bằng cách cho phép những người khác nhau, chúng ta có thể khớp dữ liệu và dữ liệu DIMES từ các nguồn khác, theo ông Gille giải thích. Các giá trị khớp với dữ liệu sau đó được khóa vào mô hình.
Các nhà nghiên cứu DIMES khác đang sử dụng dữ liệu để tinh chỉnh các mô hình phân giải xoáy của đại dương. Kết quả mô phỏng của họ sẽ giúp họ điều chỉnh các thông số xoáy trong các mô hình khí hậu của toàn Trái đất.
Kevin Speer, một nhà hải dương học vật lý tại Đại học bang Florida và nhà điều tra đồng hiệu trưởng của DIMES cho biết, thông số xoáy mà chúng tôi nghĩ có thể có tác dụng ở một mức độ nào đó, nhưng dường như có những thiếu sót nghiêm trọng. Một điều mà LỚN xuất hiện rất rõ ràng là ảnh hưởng to lớn của địa hình đáy biển đối với sự pha trộn.
Đây là một trong những di sản của DIMES, leo Speer nói.
Các công trình sơ bộ khác của các nhà lập mô hình trong nhóm DIMES cho thấy các mô hình tham số hóa mô tả chính xác các mô hình lưu thông đại dương cơ bản, Gille nói, nhưng các mô hình phân giải xoáy cung cấp thêm chi tiết về nơi nhiệt được vận chuyển và do đó có thể tiết lộ các tác động cụ thể của biến đổi khí hậu.
Báo cáo IPCC tiếp theo, được công bố vào tháng 9 năm 2013, sẽ không kết hợp các phát hiện từ dự án DIMES trong các mô hình khí hậu của nó. Nhưng các trung tâm mô hình lớn đang phát triển các mô hình cho báo cáo sau đây, Shuckburgh nói, đang mài giũa sự đại diện của các quy trình xoáy ở Nam Đại Dương với sự giúp đỡ của các kết quả DIMES.
Vì vậy, có một số lý do để hy vọng sẽ có những cải tiến lớn trong mô hình khí hậu. Truyền thông giữa các nhà xây dựng mô hình và các nhà thực nghiệm đang cải thiện. Chúng tôi không ở trong thế giới của chúng ta; chúng tôi nói chuyện với nhau nhiều hơn Một số người đội cả hai chiếc mũ.