Gezeiten regulieren den Fluss und die Dichte des antarktischen Grundwassers aus dem westlichen Rossmeer

Jan 26, 2024

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3873 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Antarktisches Grundwasser (AABW) speichert Wärme und Gase über Jahrzehnte bis Jahrhunderte nach dem Kontakt mit der Atmosphäre während der Bildung auf dem antarktischen Schelf und dem anschließenden Abfluss in den globalen Tiefsee. Dichtes Wasser aus dem westlichen Rossmeer, einer Hauptquelle für AABW, zeigt in den letzten Jahrzehnten Veränderungen in den Wassereigenschaften und im Volumen. Hier zeigen wir anhand mehrjähriger Beobachtungen vor Anker, dass die Dichte und Geschwindigkeit des Abflusses mit einer Freisetzung aus dem Drygalski-Trog übereinstimmen, die durch die Dichte in der Terra Nova Bay (der „Beschleuniger“) und die Gezeitenmischung (die „Bremse“) gesteuert wird "). Wir gehen davon aus, dass die Gezeiten jedes Jahr zu den Tagundnachtgleichen zwei Peaks in Dichte und Strömung erzeugen und während der 18,6-jährigen Mondknotenflut Änderungen von ~ 30 % in Strömung und Dichte verursachen könnten. Basierend auf unserem dynamischen Modell stellen wir fest, dass Gezeiten einen Großteil der dekadischen Variabilität des Abflusses erklären können, wobei längerfristige Änderungen wahrscheinlich durch die Dichte in der Terra Nova Bay verursacht werden.

Die Eigenschaften von AABW bestimmen die Temperatur und den Salzgehalt von etwa 40 % des globalen Ozeans1 und bestimmen einen Großteil der Tiefseeschichtung2, der Sauerstoffversorgungsrate3 und der CO2-Aufnahme im tiefen globalen Ozean4. Dichtes Wasser aus dem westlichen Rossmeer, das die Region am Kap Adare5 verlässt (Abb. 1), ist die Quelle von etwa einem Viertel des globalen AABW-Volumens6. Hydrografische Beobachtungen zeigen, dass sich das AABW in den letzten Jahrzehnten bis 2014 erfrischt hat, wobei die größte Erfrischung in der Nähe des antarktischen Kontinents7 und des Hangs8 zu verzeichnen war. Seit 2014 hat der Salzgehalt im Rossmeer zugenommen9, ebenso wie der Salzgehalt im dichten Abfluss am Kap Adare10, was darauf hindeutet, dass diese Komponente des AABW die Erfrischungstrends im Tiefsee verringern oder sogar umkehren könnte. Der jüngste Anstieg des Salzgehalts im Rossmeer könnte jedoch eine kurzfristige Variation innerhalb des seit den 1950er Jahren beobachteten längerfristigen Auffrischungstrends sein11.

Beobachtungen des dichten Abflusses aus dem westlichen Rossmeer (links) Karte des westlichen Rossmeeres mit den beiden Anlegestellen am Kap Adare (CA1/P2 und CA2), gekennzeichnet durch magentafarbene Rauten und der Anlegestelle G im Drygalski-Trog, gekennzeichnet durch eine blaue Raute . Die Tiefenkonturen liegen bei 500, 1000 und 2000 m. (Oben rechts) Der Umriss des Kartenausschnitts des westlichen Rossmeeres ist in Schwarz dargestellt, wobei die Standorte der hydrografischen Beobachtungen bei 170° E durch den roten Kreis und bei 150° E durch den blauen Kreis gekennzeichnet sind. (Unten rechts) Die Positionen der beiden Liegeplätze am Kap Adare (CA1 und P2 in geringerer Tiefe; CA2 in größerer Tiefe), die die benthische Strömung am Hang messen, werden mit konservativer Temperatur aus dem hydrografischen Abschnitt von 2018 angezeigt.

Es wird angenommen, dass Winde zu Schwankungen bei der Produktion und Freisetzung von dichtem Wasser aus dem westlichen Rossmeer führen. Dichtezuwächse in der Polynya der Terra Nova Bay korrelieren mit der Meereisproduktion und sind mit einem geringeren Import von Meereis aus dem Osten verbunden, was auf einen großräumigen Zusammenhang zwischen Windanomalien, dichter Wasserproduktion und AABW-Export schließen lässt12. Winde wurden auch als Mechanismus vorgeschlagen, der die Freisetzung von dichtem Wasser aus dem Drygalski-Trog ermöglicht, indem die Dichtefronten an der Mündung verschoben werden5. Im Weddellmeer korreliert der Export von dichtem Wasser auch mit Änderungen der Winde und der Windbelastung über dem Weddellmeerwirbel13.

Auch im nordwestlichen Rossmeer, wo sich der Drygalski-Trog befindet, gibt es außergewöhnlich starke Gezeiten14, die wahrscheinlich den Abfluss von dichtem Wasser aus dem Schelf beeinflussen. Beobachtungen dokumentieren die Advektion von dichtem Wasser mit den Gezeiten in Bodennähe im Drygalski-Trog15 und die Vermischung von modifiziertem zirkumpolarem Tiefenwasser (mCDW) in Bodennähe während der Sonnenwende16. Simulationen deuten auch darauf hin, dass Gezeiten die Eigenschaften der benthischen Schicht17,18 und den Austausch durch das Trog19 steuern. Jüngste Beobachtungen am Kap Adare zeigen, dass jedes Jahr um die Tagundnachtgleiche herum dichte Wasserstöße auftreten, was mit schwächeren Gezeiten vereinbar ist, die den Bodenstress verringern und die Freisetzung von dichtem Wasser aus dem Trog ermöglichen10.

Hier stellen wir fest, dass die Gezeiten zusammen mit der Dichte des Wassers in der Terra Nova Bay einen Großteil der Variabilität in der Strömung und Dichte des dichten Wassers aus dem westlichen Rossmeer erklären können. Erstens zeigen wir, dass Strömung und Dichte aus festgemachten bodennahen Messungen in der Nähe von Cape Adare in hohem Maße mit Messungen der bodennahen Strömung im Drygalski-Trog korrelieren. Wir zeigen dann, dass ein Großteil der Variabilität der Strömung im Trog mit einem Gleichgewicht zwischen der Bodenspannung aufgrund der Gezeiten und dem Druckgradienten entlang des Trogs, der durch das dichte Wasser in der Terra Nova Bay entsteht, im Einklang steht. Wir stellen fest, dass große Schwankungen im Abfluss zweimal im Jahr durch die mit der Deklination der Sonne variierenden Gezeiten verursacht werden können, und wir vermuten, dass auch längere Schwankungen aufgrund des 18,6-jährigen Mondknotenzyklus vorhanden sein könnten. Wir zeigen, dass die Modulation des dichten Wasserflusses und der Dichte mit den beobachteten Änderungen des Salzgehalts und der Dicke der AABW-Schicht stromabwärts übereinstimmt. Daher schlagen wir vor, dass die Gezeiten die Menge und Dichte der AABW regulieren, die das westliche Rossmeer verlassen und in den globalen Abgrundozean gelangen.

Wir untersuchen zunächst mehrere Jahre festgemachter Beobachtungen am Kap Adare: Diese Messungen zeigen, dass Strömungsgeschwindigkeit, Temperaturen und Salzgehalt jedes Jahr regelmäßig variieren (Abb. 2). Die Temperaturen weisen jedes Jahr zwei kältere Perioden auf (gekennzeichnet mit „A“ und „B“), die zwischen 2018 und 2021 besonders deutlich sichtbar sind. Die Temperaturminima entsprechen den Tagundnachtgleichen (vertikale gepunktete Linien), wenn die solaren Tagesgezeiten verschwinden, was darauf hindeutet, dass die Gezeiten die Freisetzung steuern aus dichtem Wasser aus dem Drygalski Trog. Der Salzgehalt hat im März ein jährliches Maximum (gekennzeichnet mit „A“), das mit kälteren Temperaturen zusammenfällt. Das jährliche Maximum des Salzgehalts steht im Einklang mit der etwa achtmonatigen Zeit, in der dichtes Wasser aus der Terra Nova Bay zur Mündung des Trogs vordringt10,20 und bei schwachen Gezeiten freigesetzt wird. Die Dichte weist in der Nähe der Tagundnachtgleiche zwei Maxima pro Jahr auf, wobei die Dichte zur Tagundnachtgleiche im März höher ist, wenn das Wasser salziger ist (siehe auch Abbildung S1). Die bodennahe Dichte, gemessen am Sensor 45 m über dem Boden, korreliert stark mit der bodennahen Strömung, gemessen am Sensor 22 m über dem Boden (r = 0,87, p < 0,001, N = 21), wie bei einem Auftrieb zu erwarten ist -getriebene, geostrophische Strömung.

Beobachtungen des dichten Wasserausflusses am Kap Adare. Konservative Temperatur, absoluter Salzgehalt, Dichte bezogen auf 1800 db und die Strömungsgeschwindigkeit am Hang in 1740 m Tiefe in der Nähe von Cape Adare von Sensoren an den Liegeplätzen CA1 und P2. Die Höhe der Sensoren über dem Boden wird durch die schwarzen Zahlen in den Tafeln angegeben. Die gestrichelten Linien zeigen eine Rekonstruktion der Wassereigenschaften und der Strömung am untersten Sensor aus den Messungen am nahegelegenen CA2-Liegeplatz im Jahr 2007 und eine Rekonstruktion der Strömung anhand der Dichte am untersten Sensor während der RSO-Einsätze. Häkchen zeigen den Januar eines jeden Jahres an, wobei der graue Balken eine zeitliche Diskontinuität zwischen den beiden Bereitstellungen anzeigt. Vertikale gestrichelte Linien markieren jedes Jahr die beiden Tagundnachtgleichen.

Auch der Salzgehalt und die Dichte des am Kap Adare austretenden Grundwassers schwanken im Laufe der 15 Jahre der Beobachtungen (Abb. 2). Der Salzgehalt nahm zwischen 2007 und 2011 während der CALM-Anlegestellen leicht ab (ein Trend von −0,003 Jahr−1) und stieg zwischen 2011 und 2018 deutlich an, als die Anlegestelle unbesetzt war (ein Anstieg von 0,027 zwischen dem letzten vollen Jahr des CALM-Experiments und das erste vollständige Jahr des RSO-Experiments) und nahm von 2018 bis 2021 während der späteren Festmachereinsätze ab (ein Trend von − 0,009 Jahr). Diese Änderungen am Kap Adare stehen im Einklang mit den im Rossmeer beobachteten Änderungen des Salzgehalts, wo von 2007 bis 2014 ein langsamer Rückgang des Salzgehalts beobachtet wurde, woraufhin der Salzgehalt wieder anstieg9.

Der wahrscheinliche Ursprung des dichten Wassers am Kap Adare ist der nahegelegene Drygalski-Trog. Das Wasser würde die Anlegestelle in weniger als einer Woche erreichen, nachdem es den Trog mit der am Kap Adare gemessenen Strömungsgeschwindigkeit verlassen hatte. Wir stellen fest, dass die monatlich gemittelte, bodennahe Strömung am Kap Adare stark mit der bodennahen Strömung korreliert, die an der Anlegestelle im Drygalski-Trog gemessen wird (r = 0,71 bei null Verzögerung, p = 0,0014, N = 32; Abb. 3). , was darauf hindeutet, dass die Advektion von Wasser aus dem Drygalski-Trog die Hauptquelle des am Kap Adare beobachteten dichten Wassers ist. Die monatlich gemittelte Strömung im Drygalski-Trog kann auch die monatlich gemittelten Temperatur- und Salzgehaltsflüsse am Kap Adare erklären (Abbildung S2), und Flüsse aufgrund von Korrelationen zwischen Strömung und Wassereigenschaften sind vernachlässigbar. Daher ist es notwendig zu verstehen, was die Strömung im Drygalski-Trog steuert, um die Strömung und Dichte des Grundwassers am Kap Adare zu verstehen.

Wassereigenschaften am Kap Adare und im Drygalski-Trog (oben) Die monatlich gemittelte, bodennahe Strömung am Kap Adare (blau) und im Drygalski-Trog (schwarz) nimmt häufig zur Tagundnachtgleiche zu (vertikale gepunktete Linien). (Unten) Der Gezeitenfluss im Drygalski-Trog, der durch Subtrahieren der Gezeitengeschwindigkeiten von den Gesamtgeschwindigkeiten ermittelt wird, weist eine deutliche Variation auf, mit den niedrigsten Gezeitenflüssen während der Tagundnachtgleiche (vertikale Linien) und den höchsten Gezeitenflüssen während der Sonnenwenden. Die konservative Temperatur in Bodennähe im Drygalski-Trog (rot) steigt während der Sonnenwende, wenn die Gezeitengeschwindigkeiten am höchsten sind.

Die Beobachtungen im Drygalski-Trog zeigen, dass Strömungen und Temperaturen deutlich mit den Gezeiten variieren (Abb. 3). Der monatlich gemittelte Durchfluss nimmt zu, wenn der Gezeitenfluss abnimmt, insbesondere während der Tagundnachtgleiche, wenn die täglichen Gezeiten der Sonne vollständig verschwinden. Während der Sonnenwende sind die Gezeitenströme im Drygalski-Trog am höchsten und wärmere Temperaturen zeigen, dass mCDW bis in die Nähe des Bodens gemischt wird (Abb. 3, unteres Feld, rote Linie; siehe auch Ref. 16). Schwankungen der Gezeitenströmung im Drygalski-Trog verändern den monatlich gemittelten Durchfluss und die Temperatur des dichten Wassers in der Nähe des Bodens im Trog. Diese Schwankungen der Strömung und Dichte führen zu ähnlichen Veränderungen der Strömung und Dichte am Cape Adare.

Wir setzen den monatlich gemittelten Abfluss im Drygalski-Trog mit den Gezeiten und der Produktion von dichtem Wasser in der Terra Nova-Bucht in Beziehung, indem wir eine Impulsbilanz im Trog verwenden. Wir gehen davon aus, dass die Strömung auf monatlichen Zeitskalen auf ein Gleichgewicht zwischen Bodenspannung und Druckgradienten entlang des Trogs zurückzuführen ist (Einzelheiten siehe Methoden). Die Druckgradienten sind auf die Neigung der Meeresoberfläche und den Dichtegradienten am Boden des Trogs zurückzuführen. Wir schätzen den Dichtegradienten im Trog unter Verwendung einer festen Dichte am Hang an der Mündung des Trogs und der Zeitreihe der Dichte in der Terra Nova Bay9 und variieren diese saisonal (Abbildung S3) im Einklang mit Beobachtungen in der Terra Nova Bay in der Tiefe von im Trog21 und im Drygalski-Trog16. Anhand der linearen Beziehungen zwischen der Strömung im Drygalski-Trog, der Strömung am Kap Adare und der Dichte am Kap Adare (Abbildung S4) rekonstruieren wir die monatlich gemittelte Strömung und Dichte am Kap Adare (Abb. 4). Die monatlich gemittelte Geschwindigkeit und Dichte (Abb. 4, blaue Linien) enthält einen Großteil der beobachteten halbjährlichen, jährlichen und zwischenjährlichen Variabilität (Abb. 4, dunkelgraue Linien; r = 0,72, p < 0,001, N = 32; Abbildung S5 vergleicht die zwischenjährliche Variabilität, erfasst jedoch einige Extremwerte in der beobachteten Zeitreihe nicht.

Beobachtete und simulierte Strömung und Dichte am Cape Adare. Strömung am unteren Sensor am Kap Adare (oben) aus Messungen am Kap Adare (schwarze Linien), abgeleitete Werte am Kap Adare anhand von Beobachtungen im Drygalski-Trog (dunkelgraue Linien) und simulierte Geschwindigkeiten am Kap Adare basierend auf Gezeiten im Drygalski-Trog und Dichte in der Terra Nova Bay (blaue Linie). (Unten) Dichte an der Anlegestelle am Cape Adare aus denselben Beobachtungen und Simulationen.

Anhand der Beziehung zwischen dem Abfluss, den Gezeiten und der Dichte in der Terra Nova Bay leiten wir den Fluss und die Dichte des dichten Wassers am Kap Adare von 1990 bis 2022 ab (Abb. 5). Die zwischenjährlichen Schwankungen der simulierten Strömung und Dichte werden durch eine Kombination der Gezeiten und der Änderungen des Salzgehalts in der Terra Nova Bay erzeugt. Der stärkste und dichteste Ausfluss tritt um 1997 auf, wenn der Salzgehalt in der Terra Nova Bay hoch ist und die Gezeiten während eines geringfügigen Mondstillstands am schwächsten sind (Abbildung S3). Der schwächste, am wenigsten dichte Ausfluss ereignete sich um 2005 während eines großen Mondstillstands, wenn die Gezeiten am stärksten sind. Unser Modell legt nahe, dass der größte Teil des Rückgangs des Abflusses zwischen 1997 und 2005 auf die Gezeiten zurückzuführen ist (Abbildung S3), ebenso wie der größte Teil des Anstiegs des Abflusses zwischen 2005 und 2015, wobei die Änderung der Dichte erst seit 2015 dazu beiträgt Beim simulierten Abfluss waren die Gezeiten für einen Großteil der Modulation der Geschwindigkeit und Dichte auf dekadischen Zeitskalen verantwortlich. Zwischen den beiden Besetzungen des Liegeplatzes am Kap Adare haben die Gezeiten und die Dichte etwa gleichermaßen zum Anstieg beigetragen.

Simulierte Strömung und Dichte des dichten Abflusses am Kap Adare. (Oben) Dichte und Strömung am Kap Adare, geschätzt aus den Gezeiten im Drygalski-Trog und der Dichte in der Terra Nova Bay. Der laufende Durchschnitt über zwei Jahre wird in Schwarz dargestellt, um die Variabilität zwischen den Jahren darzustellen. (Untere linke Tafel) Der absolute Salzgehalt, gemittelt über die unteren 300 m aus der Hydrographie bei 170° E (rot) und 150° E (blau), wird gegen die geschätzte Abflussdichte aufgetragen. (Untere rechte Tafel) Die Höhe von 0 °C über dem Boden in den hydrografischen Abschnitten bei 170°E (rot) und 150°E (blau) wird gegen die geschätzte Abflussgeschwindigkeit aufgetragen. Einzelheiten zur Mittelung und zur Unsicherheitsschätzung finden Sie unter „Methoden“.

Wir vergleichen die Vorhersage des Ausflusses von dichtem Wasser aus dem westlichen Rossmeer mit hydrografischen Beobachtungen im Ausfluss weiter westlich am Hang bei 170° E (120 km von Kap Adare entfernt) und bei 150° E (1200 km von Kap Adare entfernt) (Abb . 1), wo der Salzgehalt seit den frühen 1990er Jahren zugenommen hat und in den letzten Jahren salziger geworden ist12,22. Der benthische Salzgehalt und die Höhe der AABW-Schicht nehmen an beiden Stellen zu, wenn die Abflussdichte und der Fluss zunehmen (Abb. 5, untere Tafeln). Die Messungen des AABW stromabwärts von Cape Adare stimmen mit der Variabilität der geschätzten Stärke und Dichte des Abflusses aus dem westlichen Rossmeer überein. Wir stellen jedoch fest, dass die Beobachtungen die dekadische Variabilität nur begrenzt erfassen können. Diese Ergebnisse sind nicht schlüssig, zeigen aber, dass das dynamische Modell plausibel ist.

Wir erklären den Fluss und die Dichte des Grundwassers, das aus dem westlichen Rossmeer austritt, als ein Gleichgewicht zwischen der Dichte in der Terra-Nova-Bucht in der Tiefe des Troges, die den Abfluss antreibt, und der Bodenspannung aufgrund der Gezeiten im Trog, die den Fluss verlangsamen (Abb . 6). Die Gezeiten im Rossmeer ändern sich deutlich, da sie überwiegend täglich sind und mit der Deklination von Sonne und Mond variieren. Sie verschwinden, wenn Sonne und Mond am Äquator stehen. Die zum Mischen aufgrund der Scherproduktion (proportional zur dritten Potenz der Gezeitengeschwindigkeit) im Drygalski-Trog zur Verfügung stehende Energie verringert sich von der Sonnenwende bis zur Tagundnachtgleiche im Durchschnitt um 45 % und vom großen zum kleinen Mondstillstand über den 18,6-jährigen Mondknoten um 40 % Zyklus. Die Empfindlichkeit gegenüber diesen großen Änderungen der Gezeitenenergie im Rossmeer sollte bei Simulationen der Bildung dichter Gewässer und des Abflusses berücksichtigt werden. Aussagekräftigere Aussagen über die Mondknotenflut werden längere Zeitreihen erfordern: Standorte mit mehrdekadischen Beobachtungen zeigen tatsächlich Veränderungen der Meerestemperaturen mit der Mondknotenflut23, insbesondere an Orten mit starken täglichen Gezeiten, wie der kalifornischen Küste24 und in hohen Breiten25 . Kurze Beobachtungsaufzeichnungen aus der Umgebung der Antarktis berichten von Gezeitenschwankungen bei Überläufen aus dem Weddellmeer26 und in der Zirkulation innerhalb von Schelfeishöhlen27,28: Unsere Studie legt nahe, dass der 18,6-jährige Gezeitenzyklus des Mondes horizontale Strömungen modulieren kann, die Wärme über das Schelfeis und unter Eisschilden transportieren .

Der Zusammenhang zwischen dem Abfluss, den Gezeiten und der Dichte in der Terra Nova Bay. Die Strömung aus dem Trog (weiße Pfeile) wendet sich nach links und fließt am Hang entlang an den Liegeplätzen vorbei (die Strömung ist in der Seite im Diagramm sichtbar und durch den Kreis mit einem Kreuz gekennzeichnet). Die Stärke des Abflusses hängt von der Gezeitenmischung im Trog (geschweifte Pfeile) und der Dichte des Grundwassers der Terra Nova Bay ab (dargestellt durch die grüne Schattierung, wobei dunkleres Grün auf dichteres Wasser hinweist). (a) Ein stärkerer Abfluss von dichterem Wasser ergibt sich, wenn die Gezeiten schwächer sind und das Wasser in der Terra Nova Bay eine höhere Dichte aufweist. (b) Ein schwächerer Abfluss von weniger dichtem Wasser ergibt sich, wenn die Gezeiten stärker sind und das Wasser in der Terra Nova Bay weniger dicht ist.

Die Änderung des Abflusses durch die Gezeiten lässt darauf schließen, dass der kompensierende Wasserzufluss zum Schelf ebenfalls durch die Gezeiten moduliert wird. Ein Zustrom von mCDW bringt Wärme, Salz und Nährstoffe in das Rossmeer und schwankt wahrscheinlich auch im Laufe des Jahres und im Laufe der Jahrzehnte aufgrund der Gezeiten deutlich. Wir können den Beitrag zum Salzhaushalt abschätzen, indem wir den dichten Abfluss im Jahresdurchschnitt auf 0,2 Sv schätzen, basierend auf der vorherigen Schätzung des höchsten dichten Abflusses von 0,4 Sv5. Wenn dieser Abfluss durch einen Zufluss von 0,1 g kg-1 weniger Salzwasser16 ersetzt wird, entspricht eine Variation von 30 % über ein Jahrzehnt (das Ausmaß der Änderungen, die im simulierten Fluss in Abb. 5 zu sehen sind) einer Änderung von 20 km3 pro Jahr −1 Eisimport. Diese Änderung des Salzgehalts ist geringer als die geschätzten 65–150 km3 pro Jahr Eisexport, die durch die Winde verursacht werden12, was darauf hindeutet, dass der Austauschfluss im Trog einen geringeren Beitrag zum Salzgleichgewicht leistet als Änderungen im Meereis, dies aber dennoch tun würde ein wesentlicher Faktor im Salzgleichgewicht des Rossmeeres.

Unsere Studie zeigt auch, dass die vertikale Verteilung des Salzgehalts im Rossmeer für den Abfluss wichtig ist. Der Abfluss im Modell wird durch den Salzgehalt in 500 m Tiefe in der Terra Nova Bay, der Tiefe des Bodens des Drygalski-Trogs, bestimmt. Das jährliche Auftreten von frischerem Wasser verringert diese Dichte jedes Jahr21 und den Salzgehalt des aus dem Trog fließenden Wassers16. Ob der Drygalski-Trog weiterhin dichtes Wasser in den globalen Ozean exportiert oder ob er zu einem Zufluss von wärmerem Wasser in Richtung des Ross-Schelfeises wird, hängt entscheidend vom Salzgehalt in 500 m Tiefe in der Terra Nova Bay ab.

Im Rahmen des CALM-Experiments (2007–2011)5 und des Ross Sea Outflow Experiments (2018–2019)10 sowie der jüngsten Fortsetzung in der neuseeländischen Antarktis wurden an zwei Standorten am Hang von Cape Adare über einen Zeitraum von insgesamt sieben Jahren Ankerbeobachtungen gesammelt Wissenschaftsplattform (2019–2021). Die Aufzeichnungen wurden über einen Monat mit einem Kosinusfilter von 29 Tagen gemittelt. Die längste Zeitreihe wurde an der flacheren Stelle gesammelt, die je nach Experiment CA1 und P2 genannt wird und sich bei 172,30° E, 71,46° S in 1740 m Tiefe befindet. Alle Sensoren wurden vor und nach den Einsätzen kalibriert und etwaige Unterschiede linear über die Aufzeichnung verteilt.

Die monatlich gemittelten Dichten am bodennahen Sensor an der flacheren Anlegestelle wurden 2007 rekonstruiert (Abb. 2, gestrichelte Linien), als die tiefere Stelle (CA2; 172,39° E, 71,43° S, 1920 m) die einzige Anlegestelle war , unter Verwendung der Beziehung zwischen der bodennahen Dichte bei CA2 und CA1 während der überlappenden Jahre (r = 0,98, p < 0,001, N = 30; Abbildung S4). (Zahlen dieser beiden Anlegezeitreihen sind in Referenz 5 dargestellt.) Wir verwenden die Geschwindigkeit der monatlich gemittelten Geschwindigkeiten am unteren Sensor, da die Richtung immer nordöstlich mit geringen Schwankungen verläuft (die mittlere Richtung beträgt 57° nördlich von Ost und 80 % der Zeit liegt die Geschwindigkeit innerhalb von 15° von der mittleren Richtung). Die monatlichen Durchschnittswerte von Dichte und Geschwindigkeit korrelieren auch stark an den bodennahen Sensoren (r = 0,87, p < 0,001, N = 21; Abbildung S4) bei CA1, und wir verwenden diese Beziehung, um die Geschwindigkeit zu rekonstruieren, als die aktuellen Messgeräte ausfielen .

Im Rahmen des MORSea-Experiments16 wurden zwischen 2004 und 2014 im Drygalski-Trog festgemachte Beobachtungen am Mooring G nahe 72,4°S, 173°E in etwa 520 m Wassertiefe gesammelt. Beobachtungen von Temperatur und Geschwindigkeit wurden von bodennahen Sensoren verwendet. Die Geschwindigkeiten wurden zunächst mithilfe einer Log-Layer-Skalierung auf 30 m über dem Boden angepasst, um die Auswirkungen der Sensortiefenänderungen zwischen den Einsätzen abzuschwächen. Die täglichen Gezeiten wurden aus den Geschwindigkeiten herausgerechnet, indem die Komponenten über drei Tage mit einem Kosinusfenster gemittelt wurden. Wir verwenden die Größe der Geschwindigkeit, um auf die Größe der bodennahen Strömung im Trog zu schließen. Die Gezeitengeschwindigkeiten, die die tageszeitlichen Schwankungen enthalten, wurden durch Subtrahieren der dreitägigen Mittelwerte von den Gesamtgeschwindigkeitskomponenten ermittelt.

Die monatliche Schwankung der Strömung im Trog hängt mit den Gezeiten und der Dichte im Trog zusammen, indem eine Impulsbilanz entlang der Achse des Trogs (der x-Richtung, bei der die Richtung zum Ozean positiv ist; siehe Schema in Abbildung S6) verwendet wird:

wobei nur die Spannungsdivergenz in der Vertikalen erhalten bleibt. Integriert man das Gleichgewicht über einen vertikalen Abstand (h) vom Meeresboden bis zur Oberseite der dichten Wasserschicht, wobei wir davon ausgehen, dass die Spannung gering ist, ist die Gesamtspannung hauptsächlich auf die Bodenspannung zurückzuführen, die mit der Geschwindigkeit (u ) mit einem Luftwiderstandsbeiwert (CD).

Der Druckgradient wurde in einen Teil aufgrund der Neigung der Meeresoberfläche (\(\eta\)) und einen Teil aufgrund des Dichtegradienten entlang des Trogs (\(\partial \rho /\partial x)\) aufgeteilt. von der wir annehmen, dass sie mit der Tiefe der dichten Wasserschicht konstant ist. Die integrierten nichtlinearen Terme werden durch N dargestellt. Wir mitteln nun jeden Term über die Zeit, um die monatlich gemittelte Impulsbilanz zu ermitteln, indem wir die tiefgestellten „s“ verwenden, um die monatlich gemittelten Mengen darzustellen.

Wir haben den Stress vereinfacht, indem wir festgestellt haben, dass die Gezeitengeschwindigkeiten erheblich größer sind als die monatlich gemittelten Geschwindigkeiten (u > > us). Darüber hinaus wurde der Coriolis-Term ignoriert, da geostrophische Flüsse senkrecht zu den Seiten des Trogs gering sein dürften. Die tiefen- und zeitgemittelten nichtlinearen Terme (NS) sind unbekannt. Wir würden erwarten, dass diese Terme mit den Gezeitengeschwindigkeiten und einer gewissen Längenskala (~ hutide2/L) skalieren; Der beobachtete monatlich gemittelte Durchfluss nimmt jedoch mit zunehmenden Gezeitengeschwindigkeiten ab (Abb. 3). Daraus schließen wir, dass die nichtlinearen Terme keinen dominanten Beitrag zum monatlich gemittelten Impulsgleichgewicht leisten. Wir gehen außerdem davon aus, dass die zeitliche Änderungsrate der monatlichen Geschwindigkeiten im Vergleich zur Bodenspannung gering ist. Mit diesen Annahmen besteht das Gleichgewicht zwischen den Druckgradienten (erzeugt durch die Neigung der Meeresoberfläche, ηS, und dem Dichtegradienten, ρS, entlang des Trogs) und der Bodenspannung, die als Ausdruck für den Monat neu angeordnet werden kann -gemittelte Geschwindigkeit:

Die Bilanz wird auf zwei Terme vereinfacht: Der erste Term ist eine Konstante A, die einen konstanten Druckgradienten darstellt, und der zweite Term enthält eine Konstante B, die den Druckgradienten aufgrund des Dichteunterschieds zwischen Terra Nova Bay und dem Hang multipliziert. Wir gehen davon aus, dass ein Großteil des Oberflächendruckgradienten proportional zum Dichtegradienten sein wird, um die Nettoströmung auszugleichen, wie bei einer Austauschströmung29, aber es ist wahrscheinlich, dass ein Restdruckgradient vorhanden ist, um die Masse im Rossmeer auszugleichen. Wir gehen davon aus, dass die Spannung an der Oberseite der dichten Schicht gering ist. Wenn die Spannung an der Oberseite der Schicht jedoch proportional zur Spannung an der Unterseite ist, gilt die gleiche Beziehung. Eine komplexere Variation der Spannung durch die Wassersäule würde dieses Modell jedoch nicht gut erfassen.

Wir schätzen den Dichtegradienten entlang des Trogs als Differenz zwischen einer festen Dichte am Hang (aus hydrografischen Untersuchungen ausgewählt als SA = 34,89 g kg−1 (Sp = 34,72) und θ = 0,5 °C) und der Dichte in der Tiefe der Trog in der Terra Nova Bay. Die Dichte in der Terra-Nova-Bucht schwankt saisonal mit einer Amplitude von 0,05 kg m−3 (Abbildung S3, mittleres Feld), was mit Beobachtungen sowohl in der Bucht24 als auch im Drygalski-Trog16 übereinstimmt. Der Spitzenwert des Salzgehalts im Trog liegt im März und wird auf die hydrografischen Messungen des dichten Wassers in der Terra Nova Bay im vergangenen Sommer9 festgelegt, wobei zusätzliche hydrografische Messungen aus der World Ocean Database auf die gleiche Weise gemittelt wurden (wie unten beschrieben). .

Die Koeffizienten [A, B] = [0,02, 0,1] wurden durch die beste Anpassung an die Beobachtungen der monatlich gemittelten, bodennahen Geschwindigkeit im Drygalski-Trog und der aus den Beobachtungen am Cape Adare abgeleiteten Geschwindigkeit im Trog bestimmt ( skaliert durch die lineare Beziehung zwischen den beiden Standorten). Wir halten die Dichte am Hang fest, da uns Informationen darüber fehlen, wie sie variiert. Wir haben jedoch festgestellt, dass Terme hinzugefügt wurden, die proportional zur Windspannung entlang des Hangs und der Windspannungskrümmung nach Ross Gyre sind (um die Bewegung der Dichtefront an der Mündung zu berücksichtigen). des Trogs durch örtliche und entfernte Winde) fügt der Passform kaum zusätzliche Fähigkeiten hinzu.

Wir schätzen die Gezeitengeschwindigkeiten im Drygalski-Trog über die gesamte Zeit, indem wir die täglichen (\({\zeta }_{1}\)) und niederfrequenten (\({\zeta }_{0}\)) Gezeitenbestandteile anpassen die Gezeitengeschwindigkeiten am Mooring G. Wir ignorieren die halbtägige Flut, die in hohen Breiten gering ist.

Die Bestandteile auf einem Breitengrad (\(\theta\)) auf der Erde haben Beiträge sowohl von der Sonne als auch vom Mond, die sich mit der Entfernung (r) zwischen dem Himmelskörper und der Erde und mit der Deklination (\(\delta)\) ändern. des Körpers vom Äquator:

wobei die Masse und der Radius der Erde M und R sind und die Masse des Himmelskörpers m ist.

Wir verwenden die Ephemeriden von Jet Propulsion Laboratory Horizons Web-Interface30, um die Entfernungen und Deklinationen von Sonne und Mond zu ermitteln. Wir finden Koeffizienten, wenn \({u}_{tide}=0\), was die Anpassung vereinfacht und sicherstellt, dass schwächere Gezeiten erfasst werden, wenn die Advektion von dichtem Wasser am größten ist. Wir verwenden die Zeiten, in denen der wöchentliche Durchschnitt der Geschwindigkeitsgröße weniger als 0,2 ms−1 beträgt, als ungefähre Zeiten ohne Fluss und finden [a0, a1, a2] = [0,87, − 1, 0,95]. Der Vergleich zwischen den Gezeitengeschwindigkeiten der Verankerung und der Anpassung ist in Abbildung S3 dargestellt.

Die Salzgehalte des dichten Wassers in der Terra Nova Bay, die zur Schätzung der saisonalen Dichte verwendet werden, die den Druckgradienten am Boden des Trogs erzeugt (Abbildung S3), stammen aus früheren Messungen (9). Drei zusätzliche Schätzungen wurden für 1984, 1997 und 2007 anhand der Hydrographie in der World Ocean Database vorgenommen und auf die gleiche Weise gemittelt: Die Salzgehalte wurden über 870 bis 900 dbar aus Messungen gemittelt, die bei 74,75°S–75,50°S und 163,00°E–166,00 erhalten wurden °E an Stationen mit Tiefen über 800 m.

Die Bordhydrographie bei 150°E und 170°E wurde aus der World Ocean Database bezogen, die im April 1993 und Februar 2018 bei 150°E sowie im März 1992, März 2011 und April 2018 bei 170°E erfasst wurde. Der Salzgehalt über dem Boden von 300 m und die Höhe der AABW-Schicht über dem Boden (ab der Höhe der Temperatur von 0 °C) in jedem Wurf wurden zum Vergleich mit der Abflussdichte und -geschwindigkeit aus dem westlichen Rossmeer berechnet (Abb. 5).

Die Untersuchungen auf 170° E liegen etwa 120 km von Cape Adare entfernt und bei der beobachteten durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit von 0,2 ms−1 würde das Wasser eine Woche brauchen, um zwischen den beiden Standorten zu wandern. Wir haben die Standardabweichung der Durchfluss- und Dichteschätzungen am Cape Adare aus allen Werten zwischen fünf und fünfzehn Tagen vor dem Datum jeder hydrografischen Untersuchung berechnet. Um die Unsicherheit des Salzgehalts und der AABW-Höhe in den drei Untersuchungen bei 170° E zu ermitteln, wurde der Standardfehler berechnet, indem die Standardabweichung der zehn Abgüsse in jeder Untersuchung ermittelt und durch die Quadratwurzel von zehn dividiert wurde.

Die Untersuchungen bei 150° E liegen etwa 1200 km von Kap Adare entfernt und bei 0,2 ms−1 benötigt das Wasser etwa zwei Monate, um zwischen den beiden Standorten zu wandern. Wir haben die Durchfluss- und Dichteschätzungen am Cape Adare zwischen 50 und 100 Tagen vor dem Datum der hydrografischen Abschnitte gemittelt und die Standardabweichung der Werte innerhalb dieser Zeitspanne berechnet, um die Unsicherheit abzuschätzen. Der Bereich der Salzgehalte und AABW-Höhen aus der Hydrographie wird durch die Darstellung der Werte aus den drei Abgüssen in jeder Erhebung als blaue Punkte dargestellt.

Korrelationskoeffizienten werden mit p-Werten basierend auf N, den effektiven Freiheitsgraden, angegeben und berücksichtigen die Autokorrelation jeder Zeitreihe. N wurde durch Integration der Autokorrelation jeder Zeitreihe vom Ursprung bis zum ersten Nulldurchgang bestimmt, um eine integrale Zeitskala abzuschätzen. Die Gesamtzeitspanne der Daten wurde durch die integrale Zeitskala dividiert, um N zu erhalten. Für jede Korrelation wurde bei der Bestimmung das kleinste N der drei Werte (zwei aus der Autokorrelation jeder Zeitreihe und einer unter der Annahme, dass jeder Monat unabhängig ist) verwendet der p-Wert.

Hydrografische Daten aus den Abschnitten östlich des Rossmeeres und der Terra Nova Bay sind in der World Ocean Database verfügbar. Weitere hydrografische Daten von Terra Nova Bay sind bei den Autoren erhältlich. Verankerte Daten vom Drygalski-Trog sind auf der MorSea-Website und auf Anfrage bei den Autoren verfügbar.

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32101-w

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Wir möchten Sarah Searson, Olivia Price, David Bowden, Richard O'Driscoll und dem Kapitän und der Besatzung des RV Tangaroa für ihre Unterstützung bei der Sammlung der festgemachten Beobachtungen danken.

Diese Studie und die Unterstützung für MB und DF wurden vom New Zealand Strategic Science Investment Fund finanziert: Antarctic Science Platform Contract ANTA1801. AF-V. wurde von der Deep South National Science Challenge unterstützt. Die Verankerungs-G-Daten wurden im Rahmen von MORSea-Projekten gesammelt, die vom italienischen Nationalen Programm für Antarktisforschung-PNRA unterstützt wurden, das finanzielle und logistische Unterstützung bereitstellte. PC wurde von der PNRA finanziert, Grant PNRA18_00256. Die PNRA wird vom italienischen Universitätsminister finanziert.

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Aitana Forcen-Vazquez

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MB konzipierte die Studie, leitete die Analyse und verfasste den ersten Entwurf. AG, PF, PC, DF und KG trugen zur Analyse und Interpretation bei. AG, BH, GB, PF, PC und AF-V. führte Beobachtungsuntersuchungen durch. Alle Autoren haben zur Durchsicht und Bearbeitung des Manuskripts beigetragen.

Korrespondenz mit Melissa M. Bowen.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Die ursprüngliche Online-Version dieses Artikels wurde überarbeitet: Der Abschnitt „Finanzierung“ in der Originalversion dieses Artikels wurde weggelassen. Der Abschnitt „Finanzierung“ lautet nun: „Diese Studie und die Unterstützung für MB und DF wurden vom New Zealand Strategic Science Investment Fund finanziert: Antarctic Science Platform Contract ANTA1801. AF-V. wurde von der Deep South National Science Challenge unterstützt. Die Verankerungs-G-Daten.“ wurden im Rahmen von MORSea-Projekten gesammelt, die vom italienischen Nationalprogramm für Antarktisforschung-PNRA unterstützt wurden, das finanzielle und logistische Unterstützung bereitstellte. PC wurde von der PNRA finanziert, Grant PNRA18_00256. Die PNRA wird vom italienischen Minister der Universität finanziert.“ .

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Nachdrucke und Genehmigungen

Bowen, MM, Fernandez, D., Gordon, AL et al. Gezeiten regulieren den Fluss und die Dichte des antarktischen Grundwassers aus dem westlichen Rossmeer. Sci Rep 13, 3873 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31008-w

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Eingegangen: 13. November 2022

Angenommen: 06. März 2023

Veröffentlicht: 08. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31008-w

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