自从詹姆斯库克船长在17世纪70年代发现水包围了地球的南部纬度以来，海洋学家一直在研究南大洋，它的物理学，以及它如何与全球水循环和气候相互作用。
通过观察和建模，科学家们早就知道太平洋、大西洋和印度洋的大、深洋流向南流动，在南极洲汇合。在进入南大洋后，他们推翻了——从更深的海洋中引入水——然后再向北移动。这一颠覆完成了全球循环循环，这对海洋吸收碳和热量很重要，对生物生产中使用的营养物质的补充，以及对冰架融化的理解。
然而，直到最近，人们还不太了解这些水颗粒到达南洋表面的混合层及其相关的时间尺度的三维结构。现在，研究人员已经发现，来自三个海洋盆地的深层、相对温暖的海水进入了南大洋，并在南极洲周围盘旋，然后到达了海洋的混合层，在那里与大气相互作用。
该研究小组包括来自麻省理工学院、斯普里斯海洋研究所、普林斯顿大学、地球物理流体动力学实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、华盛顿大学和美国国家航空航天局喷气推进实验室的科学家。发表在自然通讯杂志上的这项研究也揭示了，由于在当前的南极圈内的五个地点的地形交互作用，强涡流在这个上升流过程中起着重要的作用。研究人员还可以确定每个海洋盆地的水是如何被他们称为“螺旋阶梯”的，并且相信这一过程比之前的估计要快得多。
研究人员发现，在南大洋中，强烈的海洋大气相互作用和涡流在很大程度上推动了上升流。西风环绕南极，吹起寒冷，富含二氧化碳的表层水从南极大陆向北穿过南极环极洋流(ACC)。ACC在南大洋的北部边缘流动，不仅是世界上最强大的洋流，而且也是环绕地球的唯一主要洋流。大部分的冷水来自于冰融，由温暖的、营养丰富的水进入深度的ACC，并逐渐从大约1000-3000米深的深处涌起。
对南大洋温度和盐度的观察为这一颠覆的结构提供了线索，但直到最近，计算机模型已经足够成熟，能够运行真实的模拟，让研究人员能够研究在三维空间中上升流的变化以及上升流的结构是如何变化的。为了探索这些问题，研究人员使用了三种大气海洋模型，能够捕捉到微小尺度下的海洋环流的关键特征。然后，他们沿着虚拟的水粒子进入南大洋，在南约30个南部，在1000到3000米深的地方，他们越过了混合的层边界，被认为是200米深。在气候模型实验中使用的条件与2000年的情况相当;在这种永恒的状态下，这些都被运行了200年。在此期间，虚拟水粒子在模型中被释放。
“我们追踪了数以百万计的这些粒子，因为它们在上升。然后，我们绘制出它们的路径，我们可以确定。并分离出体积传输-多少水被移动-通过这些电流。因此，我们能够比较这些不同的区域路径有多重要，”合著者亨利德雷克说，他是麻省理工学院地球、大气和行星科学部(EAPS)的研究生，也是大气、海洋和气候项目的成员。他们还注意到，粒子到达混合层和增强涌流的地点的时间。
他们的分析显示，这些水包裹倾向于向南流动，主要是沿着大西洋、印度和太平洋的西部和东部边界流，在那里他们进入了带密度表面的ACC追踪。围绕水下地形的ACC和涡流的相互作用也在上升流过程中扮演了重要的角色。
德雷克说:“在深海里，水包裹着密度的表面。它从我们释放粒子的地方开始，然后随着你往南走，就会变得更浅。”“所以如果有一个粒子沿着相同密度的表面向南移动，它会在水柱上变得更高，直到最终密度表面与混合层相交。”
此外，在ACC的5个主要的地理位置——西南印度洋脊、克尔格伦高原、麦夸里脊、太平洋南极脊和德雷克通道——形成了湍流和高动能的区域，这有助于提高大部分的水。
德雷克说:“漩涡基本上是在南大洋的漩涡，这些漩涡对运输水域非常重要。”“如果你没有任何涡流，那水很可能会绕着南极洲转回来，回到同样的纬度。”但在涡流中，当这些粒子在这些流线中移动时，它们会到达一个高度的涡流动能，然后向南涌向下一个流线。”
研究人员还发现，到达混合层的水中有一半来自大西洋，而印度洋和太平洋各占了大约四分之一。在28-81年之后，这些水域中的大部分都越过了这个门槛。在最高分辨率模型中，这个时间尺度比非ed濒死模型所产生的估计快10倍，而这些模型更接近150-250年。澳大利亚国立大学的共同作者、普林斯顿大学的阿黛尔莫里森说，“这表明，上升流的速率对南极冰川融化与未来的气候变化是至关重要的。”她说，这些模型基本上是一致的，显示了结果的稳健性。
莫里森说:“从科学上讲，这是很重要的，因为在很长一段时间里，我们认为上升流主要是由风推动的，在南大洋周围几乎是均匀的。”“但是这里我们已经证明了上升流的结构实际上是由海底地形和涡流所控制的。”
约翰•马歇尔塞西尔和绿色电活性聚合物海洋学教授艾达,说他没有研究的一部分,研究证实,在南大洋上涌”是由涡流,但它强调重要的涡流和局部涡流的一些活动,所以它很难代表模型中没有任何漩涡。”
马歇尔说:“我认为，通讯时间尺度可能比我们想象的要快得多，因为它在内部和表面之间。”
该小组计划继续这项工作，研究海洋大气界面，水粒子轨迹，以及从北大西洋到南大洋的深水形成气候变化信号的传播。
德雷克说:“我们对将深海与海洋相连的通道的描述为未来的研究打开了大门，将深海的流体力学与热、碳、以及影响地球气候的海洋大气界面的热量交换联系起来。”
——文章发布于2017年9月26日
