Paradoxo do oceano: novos dados desafiam a ciência de décadas

Até agora, a circulação oceânica em larga escala envolvendo águas profundas subindo à superfície nunca havia sido observada diretamente.

Pela primeira vez, pesquisadores do Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego lideraram uma equipe internacional para medir diretamente a ressurgência de águas frias e profundas através de misturas turbulentas ao longo da encosta de um desfiladeiro submarino no Oceano Atlântico.

O ritmo de ressurgência que os investigadores observaram foi mais de 10.000 vezes a taxa média global prevista pelo falecido oceanógrafo Walter Munk na década de 1960.

Os resultados aparecem em um novo estudo liderado pela bolsista de pós-doutorado da Scripps, Bethan Wynne-Cattanach, e publicado na revista Natureza. As descobertas começam a desvendar um mistério incômodo na oceanografia e podem eventualmente ajudar a melhorar a capacidade da humanidade de prever as mudanças climáticas. A pesquisa foi apoiada por doações do Natural Environment Research Council e da National Science Foundation.

O mundo como o conhecemos requer uma circulação oceânica em grande escala, muitas vezes chamada de circulação por correia transportadora, na qual a água do mar se torna fria e densa perto dos pólos, afunda nas profundezas e, eventualmente, sobe de volta à superfície onde aquece, iniciando o ciclo de novo. Estes padrões gerais mantêm uma rotação de calor, nutrientes e carbono que sustenta o clima global, os ecossistemas marinhos e a capacidade do oceano de mitigar as alterações climáticas causadas pelo homem.

Apesar da importância da correia transportadora, no entanto, um componente dela conhecido como circulação meridional de tombamento (MOC) tem se mostrado difícil de observar. Em particular, o retorno da água fria das profundezas do oceano para a superfície através da ressurgência foi teorizado e inferido, mas nunca medido diretamente.

Teorias de Munk e avanços recentes

Em 1966, Munk calculou um ritmo médio global de ressurgência usando a taxa de formação de águas frias e profundas perto da Antártica. Ele estimou a velocidade da ressurgência em um centímetro por dia. O volume de água transportado por esta taxa de ressurgência seria enorme, disse Matthew Alford, professor de oceanografia física no Scripps e autor sénior do estudo, “mas espalhado por todo o oceano global, esse fluxo é demasiado lento para ser medido diretamente. ”

Munk propôs que essa ressurgência ocorreu por meio de mistura turbulenta causada pela quebra de ondas internas sob a superfície do oceano. Cerca de 25 anos atrás, medições começaram a revelar que a turbulência submarina era maior perto do fundo do mar, mas isso apresentou aos oceanógrafos um paradoxo, disse Alford.

Se a turbulência for mais forte perto do fundo, onde a água é mais fria, então uma determinada parcela de água experimentaria uma mistura mais forte abaixo dela, onde a água é mais fria. Isso teria o efeito de tornar as águas do fundo ainda mais frias e densas, empurrando a água para baixo em vez de elevá-la em direção à superfície. Essa previsão teórica, uma vez confirmada por medições, parece contradizer o fato observado de que o oceano profundo não se encheu simplesmente com a água fria e densa formada nos polos.

Nova Teoria e Observações Diretas

Em 2016, investigadores como Raffaele Ferrari, oceanógrafo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e coautor do presente estudo, propuseram uma nova teoria que tinha o potencial de resolver este paradoxo. A ideia era que encostas íngremes no fundo do mar, em locais como as paredes de desfiladeiros subaquáticos, poderiam produzir o tipo certo de turbulência para causar ressurgência.

Wynne-Cattanach, Alford e seus colaboradores decidiram ver se poderiam observar diretamente esse fenômeno conduzindo um experimento no mar com a ajuda de um barril de um corante verde fluorescente não tóxico chamado fluoresceína. A partir de 2021, os investigadores visitaram um desfiladeiro submarino com cerca de 2.000 metros de profundidade em Rockall Trough, cerca de 370 quilómetros (230 milhas) a noroeste da Irlanda.

“Selecionamos este cânion dentre os cerca de 9.500 que conhecemos nos oceanos porque este local é bem comum em termos de cânions de águas profundas”, disse Alford. “A ideia era que ele fosse o mais típico possível para tornar nossos resultados mais generalizáveis.”

Flutuando sobre o cânion submarino em um navio de pesquisa, a equipe baixou um tambor de 55 galões de fluoresceína a 10 metros (32,8 pés) acima do fundo do mar e então acionou remotamente a liberação do corante.

Então a equipe rastreou o corante por dois dias e meio até que ele se dissipou usando vários instrumentos adaptados internamente na Scripps para as demandas do experimento. Os pesquisadores conseguiram rastrear o movimento do corante em alta resolução movendo lentamente o navio para cima e para baixo na encosta do cânion. As principais medições vieram de dispositivos chamados fluorômetros que são capazes de detectar a presença de pequenas quantidades do corante fluorescente – até menos de 1 parte por bilhão – mas outros instrumentos também mediram mudanças na temperatura da água e turbulência.

Implicações e Pesquisas Futuras

O rastreamento dos movimentos do corante revelou uma ressurgência causada pela turbulência ao longo da encosta do cânion, confirmando pela primeira vez a resolução do paradoxo proposta por Ferrari com observações diretas. A equipe não apenas mediu a ressurgência ao longo da encosta do cânion, mas também que a ressurgência foi muito mais rápida do que os cálculos de Munk em 1966 previam.

Enquanto Munk inferiu uma média global de um centímetro por dia, as medições em Rockall Trough revelaram que a ressurgência prossegue a 100 metros por dia. Além disso, a equipe observou algum corante migrando para longe da encosta do cânion em direção ao seu interior, sugerindo que a física da ressurgência turbulenta era mais complexa do que Ferrari originalmente teorizou.

“Observamos uma ressurgência que nunca foi medida diretamente antes”, disse Wynne-Cattanach. “A taxa dessa ressurgência também é muito rápida, o que, junto com medições de ressurgência descendente em outros lugares dos oceanos, sugere que há pontos críticos de ressurgência.”

Alford chamou as descobertas do estudo de “um apelo às armas para a comunidade da oceanografia física compreender muito melhor a turbulência oceânica”.

Wynne-Cattanach disse que foi uma grande honra para ela, como estudante de pós-graduação, liderar um projeto que representa o ápice de décadas de trabalho de cientistas de todo o campo com pesquisadores tão proeminentes como colaboradores. Com base nas descobertas preliminares da equipe, Wynne-Cattanach se tornou a primeira aluna a ser convidada para falar na prestigiosa Gordon Research Conference on Ocean Mixing em 2022.

O próximo passo será testar se há ressurgências semelhantes em outros desfiladeiros submarinos ao redor do mundo. Dadas as características pouco notáveis ​​do cânion, Alford disse que parece razoável esperar que o fenômeno seja relativamente comum.

Se os resultados se confirmarem noutros lugares, Alford disse que as simulações climáticas globais terão de começar a contabilizar explicitamente este tipo de ressurgência provocada pela turbulência nas características topográficas do fundo do oceano. “Este trabalho é o primeiro passo para adicionar a física oceânica que falta aos nossos modelos climáticos, o que acabará por melhorar a capacidade desses modelos de prever as alterações climáticas”, disse ele.

O caminho para melhorar a compreensão científica da turbulência oceânica é duplo, de acordo com Alford. Primeiro, “precisamos fazer mais experimentos de alta tecnologia e alta resolução como este em partes-chave do oceano para entender melhor os processos físicos”. Segundo, ele disse, “precisamos medir a turbulência em tantos lugares diferentes quanto possível com instrumentos autônomos como os flutuadores Argo”.

Os pesquisadores já estão conduzindo um experimento semelhante de liberação de corante na costa do campus de Scripps, no cânion submarino de La Jolla.