Pesquisadores abordam o paradoxo do oceano com 55 galões de corante fluorescente

Pela primeira vez, pesquisadores do Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego lideraram uma equipe internacional que mediu diretamente a ressurgência de águas frias e profundas por meio de mistura turbulenta 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 pós-doutoranda 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 amplos 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.

Em 1966, Munk calculou um ritmo médio global de ressurgência usando a taxa de formação de águas frias e profundas perto da Antártida. 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 esta ressurgência ocorreu através de uma mistura turbulenta causada pela quebra de ondas internas sob a superfície do oceano. Há cerca de 25 anos, as medições começaram a revelar que a turbulência submarina era maior perto do fundo do mar, mas isto 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 sofreria uma mistura mais forte abaixo dela, onde a água é mais fria. Isto 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.

Esta previsão teórica, desde que confirmada por medições, parece contradizer o facto observado de que o oceano profundo não se encheu simplesmente com a água fria e densa formada nos pólos.

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 desfiladeiro entre os cerca de 9.500 que conhecemos nos oceanos porque este local não é digno de nota no que diz respeito aos desfiladeiros de águas profundas”, disse Alford. “A ideia era que fosse o mais típico possível para tornar nossos resultados mais generalizáveis”.

Flutuando acima do desfiladeiro submarino em um navio de pesquisa, a equipe baixou um tambor de fluoresceína de 55 galões (208 litros) a 10 metros (32,8 pés) acima do fundo do mar e então acionou remotamente a liberação do corante.

Em seguida, a equipe acompanhou o corante por dois dias e meio até que ele se dissipasse por meio de diversos instrumentos adaptados internamente no 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 e na turbulência da água.

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 alguma tinta 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 ressurgências que nunca foram medidas diretamente antes”, disse Wynne-Cattanach. “A taxa dessa ressurgência também é muito rápida, o que, juntamente com as medições da ressurgência em outras partes dos oceanos, sugere que há pontos críticos de ressurgência.”

Alford chamou as descobertas do estudo de “um apelo às armas para que a comunidade da oceanografia física entenda 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 importantes do oceano para compreender melhor os processos físicos”. Em segundo lugar, disse ele, “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 próximo à costa do campus Scripps, no desfiladeiro submarino de La Jolla.