ロボットデータは神秘的な穴を説明するのを助ける

偽色NASA衛星画像は青で氷を、白で雲を示しています。 （写真：スクリップス海洋研究所）

南極のWeddell海の表面の冬の氷は時々巨大な穴を発達させます。 2016年と2017年に、そのような穴の1つが科学者とメディアから強い好奇心を集めました。

大きなギャップが数十年前に形成されていましたが、これが海洋学者たちが南極の冬の海氷の予期せぬギャップを真に監視する機会を得たのは今回が初めてでした。それは、すごいタイミングと経験豊かな海洋学者の海に関する知識の結果としてもたらされた機会でした。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のスクリップス海洋研究所の研究者による共著による新しい研究では、海氷カバーの衛星画像とロボットドリフターによって収集されたデータ、さらにセンサーを装備したシールでさえも現象をよりよく理解しています。ワシントン大学（UW）が率いる研究は、なぜこの穴がわずか数年しか現われないのか、そしてそれがより大きな海洋循環にどのような役割を果たすことができるのかを探っています。

6月10日にNature誌に掲載されたこの研究は、海洋学者たちが気候に欠かせないと考えている地域に触れています。南洋は世界の海流や炭素循環に重要な役割を果たすと考えられていますが、その挙動はよくわかっていません。極寒の冬の24時間の暗闇の中で南極大陸のまわりで風が途切れることなく途切れることなく、それは地球上で最も激しい嵐のいくつかを主催します。この研究は、それらの風が動いている現象が世界中の気候に影響を与える可能性があることを示唆しています。

「私たちは海氷のこの大きな穴 - ポリニヤとして知られている - は滅多にないプロセスである可能性は稀だと思いました。しかし2016年と2017年の出来事は私たちにそれを再評価することを強いました」海洋学の博士課程の学生。 「最近のポリニヤは、異常な海の状態と、ハリケーンのような風が激しいウェッデル海を一周する一連の非常に激しい暴風雨の組み合わせから始まったことが観測によって示されています。」

大体「氷の中の穴」を意味するロシア語の「ポリニヤ」は、風が氷を押しやるにつれて海岸近くに形成されます。しかし、それはまた海岸から遠くに現れ、それがペンギン、クジラ、そしてアザラシが飛び出して呼吸するオアシスとして機能する数週間から数カ月の間固執することもあります。

南極沿岸から遠く離れたこの特定の場所は、しばしば小さな開口部を持ち、以前に大きなポリニヤを見ました。最初の衛星が打ち上げられた直後の1974年、1975年、1976年にその場所で知られていた最大のポリニヤは、気温が氷点下をはるかに下回ったにもかかわらず、南極冬に3度連続して氷結しなかった。

この新しい研究では、南極海の状態を監視するために流れに沿ってドリフトする機器を2014年から導入してきた、南大洋炭素気候観測モデリングプロジェクト、またはSOCCOMの観測を使用しました。プロジェクトの成功の鍵は、機器が配備されていたウェッデル海でのサイトの選択でした。 2014年後半には、SOCCOMの主任研究者の1人であるScripps海洋学者Lynne Talleyが、その特徴の一部であるMaud Riseという水中の山のために場所を選択しました。研究チームは、もともとArgo用に建造されたフロートの修正版を発売しました。これは、世界中の2,000メートル（6,500フィート）の深さまで基礎データを収集する約4,000台のロボットのネットワークです。生物地球化学的なアルゴフロートとして知られているこれらの特殊なユニットは、生物学的活動に関連する測定を可能にする追加の機器を持っています。

共同研究者のTalleyは、Maud Rise地域が興味深い気候現象と関連していることを知っていたため、この地域をターゲットにしたと述べました。彼女は、山の周りの海洋物理学が山の周りのフロートを連行させる可能性があることを知っていました。そして、それはデータの大当たりにつながることができました。

「しかし、1970年代半ば以降の最大のイベントは、フロートを投入した直後に発生するとは思わなかった」と彼女は付け加えた。

偶然にも、巨大なポリニヤの形成は2016年に起こりました。そのとき、イベントをとらえるためにフロートはまだ地域に存在していました。その年の8月のNASAの衛星画像は3週間の間に現れた33000平方キロメートル（13000平方マイル）のギャップを明らかにしました。 2017年の9月と10月には、50,000平方キロメートル（19,000平方マイル）まで拡大した、さらに大きなギャップが現れました。

同紙の共著者であるスクリップスの研究者、マット・マズロフ氏は、次のように述べています。 「フロートデータは、この氷被の開口部の原因と影響の徹底的な調査、ならびに歴史的事象の新たな理解を可能にしました。」

この研究では、他のアルゴのデータと、それを海岸、気象観測所、大気の再解析、そして何十年にもわたる衛星画像に照らすタグを装備したゾウアザラシによって収集されたデータを使用しました。

UW海洋学教授の共同執筆者であるStephen Riserは、次のように述べています。 「どの年でも、これらのことがいくつか起こる可能性がありますが、それらすべてを手に入れない限り、polynyaは手に入りません。」

この研究は、南極大陸を取り巻く風が岸に近づくと、ウェッデル海東部でより強い上向きの水の混合が促進されることを示しています。その地域では、モード上昇はそれのまわりで密な海水を強制し、上に回転する渦を残す。 2台のSOCCOM機器がモード上昇の上の渦の中に閉じ込められ、そこで何年もの観測を記録した。

2016年を通して見られたように、表層海洋が特に塩辛いとき、強い冬の暴風雨が転倒循環を引き起こし、深部からのより暖かい塩水が表層までかき混ぜられることが示されています。そこに空気がそれを冷やし、それを下の水よりも濃くします。その水が沈むにつれて、約1℃（34℉）の比較的暖かい深層水が地表でそれを置き換え、氷が再形成され得ないフィードバックループを作り出します。

「イーサンがモードライズで発見した混合もまた栄養素を混合し、SOCCOMの生物地球化学的浮遊物によって測定された大きくて早いクロロフィルブルームの一因となった」とタリーは言った。

気候変動によって動かされて、融解する氷河や他の源からの淡水は、南大洋の表層をそれほど緻密にしないと予想されます。しかし、新しい研究はその仮定に疑問を投げかけています。多くのモデルは南極を一周する風が強くなり、海岸に近づくことを示しています。新しい論文はこれがより多くのpolynyaを形成するように奨励するであろうことを示唆しています。

これらは、2016年のような小さなポリニヤでさえ、水を表面から深海までずっと移動させることを証明する最初の観測です。

UWの海洋学博士号を最近完成した共同執筆者のEarle Wilsonは、次のように述べています、「本質的に、それは表面から深部への片道旅行で地表水を注入するのではなく、海全体を弾くことです。

地表ポリニヤが気候に影響を与える1つの方法は、南極海底水として知られている深海です。どこでそしてどのようにして深海が作られるかはその特性に影響を与え、そしてそれは他の主要な海流に波及効果を与えるでしょう。

「今のところ、人々はほとんどの海底の水が南極大陸の棚の上に形成されていると考えていますが、これらの大きな洋上ポリニヤは以前より一般的だったのかもしれません」とライザー氏は述べた。 「我々はこのプロセスを研究することができるように我々のモデルを改良する必要があり、それはより大規模な気候影響を持つ可能性がある」

深層水には、何世紀にもわたって沈没して途中で溶解した生命体からの炭素が含まれているため、大きくて長持ちするポリニャスも大気に影響を与える可能性があります。この水が表面に達すると、その炭素が放出される可能性があります。

「この深い炭素貯留層は何百年もの間閉鎖されてきました。ポリヤでは、この激しい混合によって地表で換気される可能性があります」とキャンベル氏は言います。 「大規模な炭素ガス放出イベントは、気候システムが複数年連続して起こった場合、本当に気候システムを攻撃する可能性があります。」

「このpolynyaは私達の変化する気候に関して重要な意味を持つ重要な出来事でした。 Mau Riseの上にフロートを配置するのは、Lynneの知恵のおかげです。 「この研究に加えて、他の分析が出始めています。これは、イベントの重要性と、SOCCOMのおかげで収集した情報量の両方を証明するものです。」

この論文の他の共著者は、トロント大学のケント・ムーア氏です。サウスカロライナ大学のCasey Brayton氏は、ScrippsのSummer Undergraduate Research Fellowship（SURF）プログラムの一環として、このプロジェクトでの作業を開始しました。

SOCCOMは国立科学財団によって資金を供給されています。キャンベルは、国防科学技術工学大学院フェローシッププログラムを通じて国防総省によって支援されました。追加の資金は、NSF、国立海洋大気庁、UW、およびスクリップス海洋学からのものです。

- ワシントン大学より