Atlantens vitala strömmar kan kollapsa. Forskare tävlar för att förstå farorna.

Än så länge har försöken att observera strömmarna direkt visat att de är konstigare och mer oförutsägbara än förväntat.

James Temple arkivsida

14 december 2021

En lördagsmorgon i december 2020 flöt RRS Discovery i lugna vatten strax öster om Mid-Atlantic Ridge, den massiva undervattensbergskedjan som löper från Arktis nästan till Antarktis.

Teamet ombord. forskningsfartyget, mestadels från Storbritanniens National Oceanography Centre, använde ett akustiskt signaleringssystem för att utlösa en kabel som är mer än tre mil lång från dess 4 000-punds ankare på havsbotten.

Expeditionens chefsforskare, Ben Moat, och andra gick upp till bron för att se de första flottörerna när de dök upp. Teknikerna på däck, klädda i hjälm och fast i selar, rullade in kabeln. De stoppade vinschen med några minuters mellanrum för att koppla bort flottörerna samt sensorer som mäter salthalt och temperatur på olika djup, data som används för att beräkna trycket, aktuell hastighet och volym vatten som strömmar förbi.

Forskarna och teknikerna är en del av ett internationellt forskningssamarbete, känt som RAPID, som samlar in avläsningar från hundratals sensorer på mer än ett dussin förtöjningsplatser längs Atlanten ungefär längs 26,5° norr, latitudlinjen som går från västra Sahara till södra Sahara. Florida.

De söker efter ledtrådar om en av de viktigaste krafterna i planetens klimatsystem: ett nätverk av havsströmmar som kallas Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). Kritiskt sett vill de bättre förstå hur den globala uppvärmningen förändrar den, och hur mycket mer den kan förändras under de kommande decennierna – även om den skulle kunna kollapsa.

“Att mäta detta havssystem är avgörande för att förstå vårt klimat”, säger Moat.

Den atlantiska cirkulationen är i själva verket ett ben av världens mäktigaste flod. Den sträcker sig tiotusentals mil från södra oceanen till Grönland och tillbaka och pingisar mellan Afrikas sydvästra kust, sydöstra USA och Västeuropa.

Systemet leder varmt, grunt, salt vatten norrut och transporterar omkring 1,2 miljoner gigawatt värmeenergi över RAPID:s utbud av förtöjningar när som helst. Det motsvarar cirka 160 gånger energikapaciteten i hela världens elsystem. Strömmarna, som värmer upp den omgivande luften när de färdas norrut, är en viktig faktor (men inte den enda) till varför Västeuropa är varmare än östra Kanada trots att de ligger på ungefär samma latitud.

Vattnen blir kallare och tätare när de når de höga breddgraderna, vilket tvingar strömmarna att dyka mil under ytan, spridas utåt och böja sig tillbaka söderut. Att vattnet sjunker djupt ner i havet hjälper till att driva fram systemet.

Problemet är att den atlantiska cirkulationen verkar försvagas och transporterar mindre vatten och värme. På grund av klimatförändringarna häller smältande inlandsisar färskvatten i havet på de högre breddgraderna, och ytvattnet behåller mer av sin värme. Varmare och friskare vatten är mindre täta och därmed inte lika benägna att sjunka, vilket kan underminera en av strömmarnas kärndrivkrafter.

< p>“Att mäta detta havssystem är avgörande för att förstå vårt klimat.”

Förenklat uttryckt påverkar strömmarna mycket av vädret vi känner till på norra halvklotet, särskilt runt Atlanten vid kusten men också så långt borta som Thailand. Om strömmarna förändras kommer också vädret att förändras, vilket stör temperatur- och nederbördsmönster som har format våra liv och samhällen i århundraden.

Vissa klimatmodeller förutspår att strömmarna kommer att minska med så mycket som 45% detta århundrade. Och bevis från den senaste istiden visar att systemet så småningom kan stängas av eller gå in i ett mycket svagt läge, under förhållanden som den globala uppvärmningen kan replikera.

Om det hände skulle det sannolikt bli en klimatkatastrof. Det kan frysa längst norrut i Europa, vilket kan leda till att den genomsnittliga vintertemperaturen minskar med mer än 10 °C. Det kan minska växtodlingen och inkomsterna över hela kontinenten eftersom mycket av marken blir svalare och torrare. Havsnivån kan stiga så mycket som en fot på östra kusten, vilket översvämmar hem och företag upp och ner längs kusten. Och sommarmonsunerna över stora delar av Afrika och Asien kan försvagas, vilket ökar oddsen för torka och hungersnöd som kan lämna ett otalligt antal utan tillräcklig mat eller vatten.

Det skulle vara en “global katastrof”, säger Stefan Rahmstorf vid Potsdam Institute for Climate Impact Research.

De flesta forskare säger att en kollaps av strömmarna är en avlägsen möjlighet detta århundrade, men även en brant avmattning skulle ha betydande effekter, potentiellt kyla och minska nederbörden runt Nordatlanten samtidigt som nederbörden ökar över delar av tropikerna. Det kan höja havsnivån med cirka fem tum utanför USA:s sydöstra kust.

Trots insatserna har forskarna bara en grov förståelse av strömmarnas beteende, balansen mellan de krafter som driver dem, eller deras mottaglighet till förändrade klimatförhållanden. Det är därför Moat och andra är så angelägna om att observera Atlantens cirkulation.

Men mycket av det som hittills har upptäckts är att den atlantiska cirkulationen är mer varierande, förbryllande och kanske oförutsägbar än man tidigare förstått.

The Florida Current

NOAA:s Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory är en hukande, vit femvåningsbyggnad, kantad av palmer på Virginia Key, en barriärö bara några kilometer från centrala Miami.

Det varma övre lagret av den atlantiska cirkulationen, här känd som Floridaströmmen, rasar förbi ön, inklämd mellan staten och Bahamas. Det är en idealisk plats att observera en av de mest kraftfulla sträckorna av systemet, eftersom topografin i Florida Straits begränsar strömmarna, som annars kan sträcka sig över hundratals miles, ner till dussintals. (Floridaströmmen är en del av Golfströmmen, en sträcka av Atlantens cirkulation som spårar sydöstra USA innan den skär över havet till Europa.)

NOAA-forskare har övervakat Floridasundet runt 27° nord nästan kontinuerligt sedan 1982, till stor del genom att dra nytta av telefonkablar under vattnet. De nu nedlagda telefonlinjerna längs havsbotten ger ett billigt, diskret sätt att observera Atlantens cirkulation.

Det passerande havsvattnet skapar en spänning längs kablarnas sidor, som NOAA-forskare fann att de kunde mäta på ett tillförlitligt sätt. De får dagliga avläsningar från instrument som är uppsatta i ett telefonrum på Grand Bahama Island. Med noggrann kalibrering kan de översätta dessa mätningar till uppskattningar av hur mycket vatten som rinner över den latitudlinjen.

Så fungerar AMOC

Samtidigt har William Johns och andra oceanografer vid University of Miamis Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science, som ligger precis tvärs över gångvägen från NOAA-labbet, använt sensorspända förtöjningar och andra instrument för att studera strömmarna öster om Bahamas sedan 1980-talet . De har observerat både den djupa, svala gränsströmmen som flyter söderut och en sträcka av den varma nordliga delen som delar sig och flyter runt öarna.

Dessa ansträngningar började som en del av en bredare insats för att förbättra den vetenskapliga förståelsen för hur haven fungerar och interagerar med klimatet, säger Molly Baringer, biträdande chef för NOAA-labbet, som hjälpte till att utveckla kabelprogrammet.

Men de pågående kabelmätningarna och de historiska uppgifterna har fått ökad betydelse i takt med att oron har ökat om effekterna av den globala uppvärmningen kan ha på den atlantiska cirkulationen och den påverkan som i sin tur kan ha på klimatet. “Det är hur havet rör sig runt värme”, säger Baringer. “Du måste förstå det för att förstå klimatförändringarna.”

Under 1990-talet gjordes ett växande antal andra försök att mäta delar av strömmarna, med korta sträckor av ankrade förtöjningar, drivande flottörer, observationer ombord och andra medel. Men oceanografer insåg att dessa ögonblicksbilder inte räckte för att helt fånga systemets beteende. De behövde sätt att kontinuerligt övervaka strömmarna över havet för att bland annat skilja kortsiktiga fluktuationer från långsiktiga trender.

Storbritanniens National Oceanography Centre etablerade RAPID-ansträngningen 2004 för att göra just det, förankra kablar över Atlanten. Det var uppenbart meningsfullt att också samarbeta med NOAA och University of Miami forskargrupper och dra nytta av dessa pågående övervakningsinsatser.

Moat säger att forskarna försöker belysa hur varierande strömmarna är, hur mycket värme de levererar, hur mycket kol de drar ner från luften, hur harmoniserade de sydliga och norra grenarna är, hur mycket lokala vindar påverkar systemet, och — kritiskt — huruvida den atlantiska cirkulationen saktar ner i den takt som klimatmodellerna förutspår.

Ute till havs

En solig dag i början av november följde jag ett par NOAA forskare nerför en pir på den sydöstra kanten av Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science campus.

Vi gick upp på landgången till FG Walton Smith, en 96 fot lång katamaran med mörkgröna skrov och ett vitt däckshus, som ägs av University of Miami.

Ungefär varje kvartal, åtminstone under pre-pandemitider, har forskare från båda institutionerna gått ombord på fartyget för 30-timmars sprints ut och tillbaka till Bahamas. De använder en A-ram och vinsch på aktern för att sänka ned vad som kallas CTD:er i vattnet vid nio stationer längs vägen, nära linjen för den gamla telefonkabeln.

CTD:erna inkluderar en karusell med rör som fångar vattenprover, samt sensorer som mäter temperatur, tryck, syremättnad och andra vattenegenskaper.

Denis Volkov, en av de främsta forskarna i NOAA:s övervakningsprojekt, förklarar att dessa resor, tillsammans med mer frekventa utflykter på mindre fartyg, gör det möjligt för forskarna att fastställa hur mycket värme och salt som rör sig genom sunden, hur snabba strömmarna varierar. djup, var vattnet som rör sig igenom har sitt ursprung och hur strömmarna påverkar de relativa havsnivåerna längs Floridas och Bahamas kuster.

Separat åker forskarteamen vanligtvis ut på längre resor var 18:e månad, för att ta bort och ersätta sensorer från tre eller fyra förtöjningar på östra sidan av Bahamas. Deras brittiska motsvarigheter gör samma jobb på den östra sidan av havet och längs Atlantic Ridge.

Andra grupper har satt upp arrayer av förtöjningsplatser över olika delar av Atlanten för att bättre förstå hur olika komponenter fungerar, hur tätt systemet är anslutet och om förändringar i en del sköljer över.

Susan Lozier, en oceanograf vid Georgia Institute of Technology, leder en internationell satsning känd som OSNAP, som började 2014. Den har förankrat kablar över Labradorhavet och från den sydöstra kanten av Grönland till kusten av Skottland.

Förhoppningen med den internationella forskningssatsningen var att gå till källorna till djupvattensänkningen, som till stor del är ansvarig för att driva fram strömmarna i Atlanten, för att “försöka få en mycket bättre förståelse för mekanismerna som driver förändring i AMOC, säger Lozier.

Hittills har övervakningsprogrammen till stor del funnit att den atlantiska cirkulationen är mer varierande än man tidigare trott, säger hon.

Dess styrka och hastighet varierar dramatiskt från månad till månad, år till år och region till region. Det mesta av djupvattensänkningen i Nordatlanten verkar inte ske i Labradorhavet, som man länge trodde, utan snarare i bassängerna öster om Grönland. De nord- och söderströmmande lemmarna fungerar mer självständigt än man tidigare förstått. Lokala vindmönster verkar spela en mer inflytelserik roll än väntat. Och vissa fynd är bara förvirrande.

Det är mycket troligt att den atlantiska cirkulationen har försvagats. Studier av Rahmstorf från Potsdam Institute och andra har kommit fram till att det är cirka 15 % långsammare än under mitten av 1900-talet och kan vara som svagast på mer än 1 000 år. Båda fynden är delvis baserade på långsiktiga rekonstruktioner av dess beteende med hjälp av register som temperaturer i Atlanten och storleken på korn på havsbotten, vilket kan återspegla förändringar i djuphavsströmmar.

Det finns också “stark enighet” i modeller om att strömmarna kommer att fortsätta att försvagas detta århundrade om utsläppen av växthusgaser fortsätter.

Men det råder osäkerhet om vilket tillstånd systemet är i för tillfället och om de direkta observationerna stämmer överens med modellerna.

Denis Volkov och Pedro Pena tittar på utrustningsquo; Atlanten kan kollapsa strömmen

Data från RAPID-förtöjningarna visade på en allmän försvagning av den atlantiska cirkulationen från 2004 till 2012, med en plötslig minskning på 30 % från 2009 till 2010. Det var sannolikt en stor bidragande orsak till en särskilt kall vinter i nordvästra Europa 2012, såväl som snabb havsnivåhöjningen under den perioden längs den nordöstra amerikanska kusten och nådde cirka 13 centimeter runt New York. Nedgången var en storleksordning större än globala klimatmodeller förutspådde.

Strömmarna återhämtade sig avsevärt under åren som följde. Men styrkan i cirkulationen är fortfarande under där den var när mätningarna startade. Faktum är att den har minskat ännu mer än vad klimatförändringsmodeller förutspått.

Vissa säger att uppgifterna tyder på att systemet redan har övergått till ett svagare tillstånd. Men det visade en så vild svängning att andra tror att det var mer sannolikt en indikation på hur mycket havsströmmarna kan variera under ett decennium, snarare än något tydligt resultat kopplat till global uppvärmning.

Johns säger att det helt enkelt är oklart vid det här laget. “Vi kan inte vara 100% säkra på om det är en långsiktig trend – dvs relaterad till klimatförändringar – eller en svängning som kan ske naturligt”, sa han under en intervju på sitt kontor med utsikt över Floridasundet.

En extra rynka är att Florida-strömmen som flyter förbi i bakgrunden bara har minskat en liten mängd sedan 1982, och inte riktigt en statistiskt signifikant mängd, enligt NOAA:s resultat. Det är konstigt, eftersom det kraftfulla, koncentrerade flödet är “den plats du mest förväntar dig” för att se en försvagningstrend enligt klimatmodeller, säger Johns. Uppgifterna “visar två lite olika historier”, säger han.

Han och andra tror att det helt enkelt kommer att ta mer tid – år till decennier – innan strömmarna tydligt avslöjar hur klimatförändringarna påverkar dem.< /p>

En kollaps

Anledningen till att forskare oroar sig för att den atlantiska cirkulationen dramatiskt skulle kunna försvagas är att den upprepade gånger gjorde det i det gamla förflutna.

För nästan 13 000 år sedan, när jorden växte fram ur den senaste istiden, klimatet i norr Atlantområdet började plötsligt svalna igen. Temperaturerna sjönk tillbaka mot nästan glaciala förhållanden under en mer än 1 000-årig period känd som de yngre dryas, uppkallad efter en vildblomma som blomstrade under de frostiga förhållandena i Europa under den eran.

Den ledande teorin om Det som utlöste det är Laurentide-isen, som sträckte sig miljontals kvadratkilometer över Nordamerika. När temperaturen steg, smälte den snabbt och hällde ut färskt glaciärvatten i havet genom Mississippifloden.

Vid något tillfälle kan is som dämmer upp en massiv sjö på glaciärens södra kant ha gett vika och släppt lös en översvämning som möjligen ledde om dräneringen till St. Lawrencefloden. Det skulle ha hällt ut färskvatten i Nordatlanten genom dagens Quebec.