Transformations and pathways of Southern Ocean waters into the South Atlantic Ocean

[eng] The returning limb of Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) is partly supplied by the cold-fresh waters that enter through the Drake Passage. Up to the isoneutral 28.0 kg m−3, the mean water inflow through the Drake Passage to the Scotia Sea is 140.8 ± 7.4 Sv and the outflow through the Northern Passages is 115.9 ± 8.3 Sv. Below this isoneutral reference and down to 2000 m, an additional 23.4 Sv enters through the Drake Passage. The mean barotropic contribution always represents over half the total transports, with substantial seasonal and moderate interannual variability in the water transports. The water mean-residence time is about 6 - 8 months. Combining the Argo floats data with other observational measurements, we apply a climatological high-resolution inverse model over the Scotia Sea boundaries up to the 28.0 kg m-3 isoneutral. The ACC enters 136.7 ± 1.0 Sv through the Drake Passage and exits 137.9 ± 1.0 Sv through the northern boundary, with the difference responding to the South Scotia Ridge and Philip Passages contributions. Along its northward path, the ACC waters lose heat but gain equatorward freshwater transport. Within the Scotia Sea, the surface-modal and modal-intermediate waters experience production in all biogeochemical variables. Finally, regarding anthropogenic DIC, the Scotia Sea stores 0.123 Pg C yr-1. Then, the ROD method compares actual drifters' displacements with numerical trajectory predictions; the observed-predicted differences in final positions respond to diffusive motions not captured by the numerical models. The ROD method is applied in the western South Atlantic Ocean leading to maximum diffusivities of 4630 - 4980 m2 s-1 in the upper 200 m of the water column, presenting an inverse relationship with depth. The diffusivities near the surface are fairly constant in latitude but the diffusion coefficients at 1000 m decrease considerably south of the Southern Boundary. With the horizontal diffusion coefficients obtained previously, we use the Lagrangian technique to determine the fraction of the upper-ocean transport that remains in the ACC flow as it crosses the South Atlantic Ocean and the fraction that contributes to the South Atlantic subtropical gyre. The mean results reveal that 94.8 Sv remains in the ACC, whereas a total of 15.1 Sv contributes directly to the AMOC. This AMOC transport takes a median of 14.3 years to arrive to the Brazilian Current from the Drake Passage. Furthermore, 78.1% of the particles that recirculate in the subtropical gyre perform one recirculation. The results confirm that the water masses entering the subtropical gyre through its eastern edge warm up substantially and lose density, partly transformed to surface waters. Furthermore, the contributions at the eastern edge of the South Atlantic subtropical gyre from the warm-water and the cold-water routes are compared. We perform numerical simulations of Lagrangian trajectories to identify the multiple direct and indirect pathways of intermediate waters. The total cold-route contribution represents between 17.9 and 18.9%, substantially higher than the 7.1 to 12.3% warm- route contribution. Several individual pathways form both routes, but the direct path is the preferential pathway followed by 83.6 to 87.2% of the water parcels. The direct cold route is the one that undergoes a greater transformation of its water masses, and it is confirmed that also feeds the Agulhas Current, contributing similarly to that coming from the Indonesian Throughflow.[spa] La rama de retorno de la circulación meridional del Atlántico (AMOC) es parcialmente sustentada por las aguas frías y frescas que proceden del océano Pacífico a través del pasaje de Drake. Hasta la isoneutra de 28.0 kg m-3, la entrada de agua media a través del paso de Drake hacia el mar de Scotia es de 140.8 ± 7.4 Sv mientras que la salida a través de los pasos del Norte corresponde a 115.9 ± 8.3 Sv. Su componente barotrópica media siempre representa más de la mitad de los transportes totales, con una variación interanual moderada y estacional considerable en los transportes de agua. El tiempo medio estimado de residencia en el mar de Scotia es de unos 6 - 8 meses. Combinando los datos de boyas Argo con otras medidas observacionales y aplicando un modelo inverso climatológico en los límites del mar de Scotia con el fin de definir el flujo de entrada y salida de la ACC hasta la isoneutra de 28.0 kg m-3 se estima que 136.7 ± 1.0 Sv del ACC entran por el paso de Drake y salen 137.9 ± 1.0 Sv por el límite norte. A lo largo de su trayectoria hacia el norte, las aguas del ACC pierden calor pero ganan transporte de agua dulce. Dentro del mar de Scotia, las aguas superficiales- modales y las superficiales-intermedias experimentan producción en todas las variables biogeoquímicas. Finalmente, en cuanto al DIC antropogénico, el mar de Scotia almacena 0.123 Pg C año-1. El método ROD compara los desplazamientos reales de los derivadores con las trayectorias de las partículas simuladas en modelos numéricos; las diferencias observadas-predichas en las posiciones finales responden a movimientos difusivos no capturados por los modelos numéricos. Dicho método es aplicado en el Atlántico Sur occidental obteniendo difusiones máximas de 4630 - 4980 m² s-1 en los primeros 200 m de la columna de agua, presentando una relación inversa con la profundidad. Cerca de la superficie, los coeficientes de difusión son bastante constantes en latitud, sin embargo, a 1000 m los coeficientes disminuyen considerablemente en el sur del frente Límite Sur. Con los coeficientes de difusión horizontal anteriores, se realizan simulaciones Lagrangianas para determinar qué fracción de transporte permanece en la ACC y qué cantidad de transporte se desvía en el norte para alimentar el giro subtropical del Atlántico Sur. Los resultados medianos revelan que 94.8 Sv permanecen en la ACC, mientras que un total de 15.1 Sv contribuyen directamente a la AMOC. Este transporte que se incorpora a la AMOC tarda una mediana de 14.3 años al llegar al corriente del Brasil. Los resultados confirman que las masas de agua que entran al giro subtropical por el borde oriental se calientan sustancialmente y la mayoría pierden densidad, parcialmente transformadas en aguas superficiales, mientras que las masas de agua que permanecen a la ACC se transfieren en gran medida a las capas superficiales y profundas. En cuanto a las contribuciones de la ruta cálida y la ruta fría en el margen oriental del giro subtropical del Atlántico Sur, se realizan simulaciones numéricas para identificar las múltiples vías directas e indirectas de las aguas intermedias. La contribución total de las aguas de la ruta fría representa entre un 17.9 y 18.9%, siendo sustancialmente mayor que el 7.1 y 12.3% de la contribución por parte de la ruta cálida. Ambas rutas están formadas por múltiples vías individuales pero la vía directa es la vía preferente seguida por el 83.6 – 87.2% de las parcelas de agua, siendo la ruta fría directa la que sufre una mayor transformación de sus aguas.[cat] La branca de retorn de la circulació meridional de l'Atlàntic (AMOC) és parcialment sustentada per les aigües fredes i fresques que procedeixen a través del passatge de Drake. Fins a la isoneutra de 28.0 kg m-3, l'entrada d'aigua mitja al mar de Scotia és de 140.8 ± 7.4 Sv mentre que la sortida a través dels passos del Nord correspon a 115.9 ± 8.3 Sv. La seva component barotròpica mitjana sempre representa més de la meitat dels transports d’aigua totals, amb una variació interanual moderada i estacional considerable. El seu temps mig de residència és d'uns 6 - 8 mesos. Mitjançant les dades de boies Argo amb altres mesures observacionals, apliquem un model invers en el mar de Scotia. Exactament, 136.7 ± 1.0 Sv del ACC entren pel pas de Drake i surten 137.9 ± 1.0 Sv pel límit nord. Al llarg de la seva trajectòria, les aigües perden calor però guanyen transport d'aigua dolça; a més les aigües superficials-modals i les superficials- intermèdies experimenten producció en totes les variables biogeoquímiques. El mar de Scotia emmagatzema 0.123 Pg C any-1 de DIC antropogènic. El mètode ROD revela que a l'Atlàntic Sud la difusió horitzontal té una relació inversa amb la profunditat. Les difusions són màximes de 4630 - 4980 m² s-1 en els primers 200 m i bastant constants en latitud, no obstant això a 1000 m els coeficients disminueixen considerablement al sud del front Límit Sud. Les simulacions Lagrangianes revelen que 94.8 Sv romanen en el ACC, mentre que un total de 15.1 Sv contribueixen directament a la AMOC. Aquest transport triga una mediana de 14.3 anys en arribar al corrent del Brasil. Les masses d'aigua que entren al gir subtropical s'escalfen substancialment i la majoria perden densitat, parcialment transformades en aigües superficials. Finalment, comparem les contribucions de la ruta càlida i la ruta freda en el marge oriental del gir subtropical de l'Atlàntic Sud obtenint que la ruta freda representa entre un 17.9 i 18.9%, sent substancialment major que la ruta càlida. Totes dues rutes estan formades per múltiples vies individuals però la via directa sempre és la via preferent

Water Mass Transports and Pathways in the North Brazil- Equatorial Undercurrent Retroflection

The equatorial retroflection of the North Brazil Current (NBC) into the Equatorial Undercurrent (EUC) and its posterior tropical recirculation is a major regulator for the returning limb of the Atlantic Meridional Overturning Circulation. Indeed, most surface and thermocline NBC waters retroflect at the equator all the way into the central and eastern Atlantic Ocean, before they recirculate back through the tropics to the western boundary. Here, we use cruise data in the western equatorial Atlantic during April 2010 and reanalysis time series for the equatorial and tropical waters in both hemispheres in order to explore the recirculation pathways and transport variability. During the 1998–2016 period, the annual-mean EUC transports 15.1 ± 1.3 Sv at 32°W, with 2.8 ± 0.4 Sv from the North Atlantic and 11.4 ± 1.3 Sv from the South Atlantic. At 32°W most of the total EUC transport comes from the western boundary retroflection south of 3°N (7.2 ± 0.9 Sv), a substantial fraction retroflects north of 3°N (5.6 ± 0.4 Sv), and the remaining flow (2.3 Sv) joins through the interior basin. The South Atlantic subtropical waters feed the EUC at all thermocline depths while the North Atlantic and South Atlantic tropical waters do so at the surface and upper-thermocline levels. The EUC transport at 32°W has a pronounced seasonality, with spring and fall maxima and a range of 8.8 Sv. The 18 yr of reanalysis data shows a weak yet significant correlation with an Atlantic Niño index, and also suggests an enhanced contribution from the South Atlantic tropical waters during 2008–2016 as compared with 1997–2007En prensa3,17

Transformations and pathways of Southern Ocean waters into the South Atlantic Ocean

Memoria de tesis doctoral presentada por Anna Olivé Abelló para obtener el título de Doctora en Ciencias del Mar por la Universitat de Barcelona (UB), realizada bajo la dirección del Dr. Josep Lluís Pelegrí Llopart del Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC) y el Dr. Francisco Machín Jiménez de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC).-- 325 pages[EN] The returning limb of Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) is partly supplied by the cold-fresh waters that enter through the Drake Passage. Up to the isoneutral 28.0 kg m−3, the mean water inflow through the Drake Passage to the Scotia Sea is 140.8 ± 7.4 Sv and the outflow through the Northern Passages is 115.9 ± 8.3 Sv. Below this isoneutral reference and down to 2000 m, an additional 23.4 Sv enters through the Drake Passage. The mean barotropic contribution always represents over half the total transports, with substantial seasonal and moderate interannual variability in the water transports. The water mean-residence time is about 6 - 8 months. Combining the Argo floats data with other observational measurements, we apply a climatological high-resolution inverse model over the Scotia Sea boundaries up to the 28.0 kg m-3 isoneutral. The ACC enters 136.7 ± 1.0 Sv through the Drake Passage and exits 137.9 ± 1.0 Sv through the northern boundary, with the difference responding to the South Scotia Ridge and Philip Passages contributions. Along its northward path, the ACC waters lose heat but gain equatorward freshwater transport. Within the Scotia Sea, the surface-modal and modal-intermediate waters experience production in all biogeochemical variables. Finally, regarding anthropogenic DIC, the Scotia Sea stores 0.123 Pg C yr-1. Then, the ROD method compares actual drifters' displacements with numerical trajectory predictions; the observed-predicted differences in final positions respond to diffusive motions not captured by the numerical models. The ROD method is applied in the western South Atlantic Ocean leading to maximum diffusivities of 4630 - 4980 m2 s-1 in the upper 200 m of the water column, presenting an inverse relationship with depth. The diffusivities near the surface are fairly constant in latitude but the diffusion coefficients at 1000 m decrease considerably south of the Southern Boundary. With the horizontal diffusion coefficients obtained previously, we use the Lagrangian technique to determine the fraction of the upper-ocean transport that remains in the ACC flow as it crosses the South Atlantic Ocean and the fraction that contributes to the South Atlantic subtropical gyre. The mean results reveal that 94.8 Sv remains in the ACC, whereas a total of 15.1 Sv contributes directly to the AMOC. This AMOC transport takes a median of 14.3 years to arrive to the Brazilian Current from the Drake Passage. Furthermore, 78.1% of the particles that recirculate in the subtropical gyre perform one recirculation. The results confirm that the water masses entering the subtropical gyre through its eastern edge warm up substantially and lose density, partly transformed to surface waters. Furthermore, the contributions at the eastern edge of the South Atlantic subtropical gyre from the warm-water and the cold-water routes are compared. We perform numerical simulations of Lagrangian trajectories to identify the multiple direct and indirect pathways of intermediate waters. The total cold-route contribution represents between 17.9 and 18.9%, substantially higher than the 7.1 to 12.3% warm- route contribution. Several individual pathways form both routes, but the direct path is the preferential pathway followed by 83.6 to 87.2% of the water parcels. The direct cold route is the one that undergoes a greater transformation of its water masses, and it is confirmed that also feeds the Agulhas Current, contributing similarly to that coming from the Indonesian Throughflow[ES] La rama de retorno de la circulación meridional del Atlántico (AMOC), componente clave del sistema climático de la Tierra tanto a nivel regional como global, es principalmente sustentada por el transporte hacia el norte de aguas oceánicas ligeras procedentes del océano Atlántico Sur en su regreso a latitudes polares. Dicha rama superior del Atlántico Sur está formada, en parte, por las aguas frías y frescas que proceden del océano Pacífico a través del pasaje de Drake. Su existencia permite la entrada de las aguas de la Corriente Circumpolar Antártica (ACC) a través del Atlántico Sur occidental y llegar hasta el giro subtropical sorteando una serie de obstáculos topográficos y dinámicos. Esta tesis doctoral se centra precisamente en comprender cómo se produce esta incorporación en términos de circulación, variabilidad y transformaciones de masa de agua en una de las regiones más remotas, aisladas y menos estudiadas de nuestro planeta. [...]Peer reviewe

Transformations and pathways of Southern Ocean waters into the South Atlantic Ocean

[eng] The returning limb of Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) is partly supplied by the cold-fresh waters that enter through the Drake Passage. Up to the isoneutral 28.0 kg m−3, the mean water inflow through the Drake Passage to the Scotia Sea is 140.8 ± 7.4 Sv and the outflow through the Northern Passages is 115.9 ± 8.3 Sv. Below this isoneutral reference and down to 2000 m, an additional 23.4 Sv enters through the Drake Passage. The mean barotropic contribution always represents over half the total transports, with substantial seasonal and moderate interannual variability in the water transports. The water mean-residence time is about 6 - 8 months. Combining the Argo floats data with other observational measurements, we apply a climatological high-resolution inverse model over the Scotia Sea boundaries up to the 28.0 kg m-3 isoneutral. The ACC enters 136.7 ± 1.0 Sv through the Drake Passage and exits 137.9 ± 1.0 Sv through the northern boundary, with the difference responding to the South Scotia Ridge and Philip Passages contributions. Along its northward path, the ACC waters lose heat but gain equatorward freshwater transport. Within the Scotia Sea, the surface-modal and modal-intermediate waters experience production in all biogeochemical variables. Finally, regarding anthropogenic DIC, the Scotia Sea stores 0.123 Pg C yr-1. Then, the ROD method compares actual drifters' displacements with numerical trajectory predictions; the observed-predicted differences in final positions respond to diffusive motions not captured by the numerical models. The ROD method is applied in the western South Atlantic Ocean leading to maximum diffusivities of 4630 - 4980 m2 s-1 in the upper 200 m of the water column, presenting an inverse relationship with depth. The diffusivities near the surface are fairly constant in latitude but the diffusion coefficients at 1000 m decrease considerably south of the Southern Boundary. With the horizontal diffusion coefficients obtained previously, we use the Lagrangian technique to determine the fraction of the upper-ocean transport that remains in the ACC flow as it crosses the South Atlantic Ocean and the fraction that contributes to the South Atlantic subtropical gyre. The mean results reveal that 94.8 Sv remains in the ACC, whereas a total of 15.1 Sv contributes directly to the AMOC. This AMOC transport takes a median of 14.3 years to arrive to the Brazilian Current from the Drake Passage. Furthermore, 78.1% of the particles that recirculate in the subtropical gyre perform one recirculation. The results confirm that the water masses entering the subtropical gyre through its eastern edge warm up substantially and lose density, partly transformed to surface waters. Furthermore, the contributions at the eastern edge of the South Atlantic subtropical gyre from the warm-water and the cold-water routes are compared. We perform numerical simulations of Lagrangian trajectories to identify the multiple direct and indirect pathways of intermediate waters. The total cold-route contribution represents between 17.9 and 18.9%, substantially higher than the 7.1 to 12.3% warm- route contribution. Several individual pathways form both routes, but the direct path is the preferential pathway followed by 83.6 to 87.2% of the water parcels. The direct cold route is the one that undergoes a greater transformation of its water masses, and it is confirmed that also feeds the Agulhas Current, contributing similarly to that coming from the Indonesian Throughflow.[cat] La branca de retorn de la circulació meridional de l'Atlàntic (AMOC) és parcialment sustentada per les aigües fredes i fresques que procedeixen de l'oceà Pacífic a través del passatge de Drake. Fins a la isoneutra de 28.0 kg m-3, l'entrada d'aigua mitja a través del pas de Drake cap al mar de Scotia és de 140.8 ± 7.4 Sv mentre que la sortida a través dels passos del Nord correspon a 115.9 ± 8.3 Sv. La seva component barotròpica mitjana sempre representa més de la meitat dels transports totals, amb una variació interanual moderada i estacional considerable en els transports d'aigua. El temps mig estimat de residència en el mar de Scotia és d'uns 6 - 8 mesos. Combinant les dades de boies Argo amb altres mesures observacionals, s’ha aplicat un model invers climatològic en els límits de el mar de Scotia amb la finalitat de definir el flux d'entrada i sortida de la ACC fins a la isoneutra de 28.0 kg m-3. Exactament, 136.7 ± 1.0 Sv del ACC entren pel pas de Drake i surten 137.9 ± 1.0 Sv pel límit nord. Al llarg de la seva trajectòria cap al nord, les aigües del ACC perden calor però guanyen transport d'aigua dolça. Dins del mar de Scotia, les aigües superficials-modals i les superficials-intermèdies experimenten producció en totes les variables biogeoquímiques. Finalment, en quant al DIC antropogènic, el mar de Scotia emmagatzema 0.123 Pg C any-1. Després, el mètode ROD compara els desplaçaments reals dels derivadors amb les trajectòries de les partícules simulades amb els models numèrics; les diferències observades-predites en les posicions finals responen a moviments difusius no capturats pels models numèrics. El mètode ROD és aplicat a l'Atlàntic Sud occidental obtenint difusions màximes de 4630 - 4980 m² s-1 en els primers 200 m de la columna d'aigua, presentant una relació inversa amb la profunditat. Prop de la superfície, els coeficients de difusió són bastant constants en latitud, no obstant això a 1000 m els coeficients disminueixen considerablement al sud del front Límit Sud. Amb els coeficients de difusió horitzontal obtinguts anteriorment, realitzem simulacions Lagrangianes per a determinar quina fracció de transport roman en el ACC i quina quantitat de transport es desvia al nord per a alimentar el gir subtropical de l'Atlàntic Sud. Els resultats mitjans revelen que 94.8 Sv romanen en el ACC, mentre que un total de 15.1 Sv contribueixen directament a la AMOC. Aquest transport que s'incorpora a la AMOC triga una mediana de 14.3 anys en arribar al corrent del Brasil. Els resultats confirmen que les masses d'aigua que entren al gir subtropical per la vora oriental s'escalfen substancialment i la majoria perden densitat, parcialment transformades en aigües superficials, mentre que les masses d'aigua que romanen a l'ACC es transfereixen en gran mesura a les capes superficials i profundes. A més, s’han comparat les contribucions de la ruta càlida i la ruta freda en el marge oriental del gir subtropical de l'Atlàntic Sud. Amb aquesta fi, realitzem simulacions numèriques per a identificar les múltiples vies directes i indirectes de les aigües intermèdies. La contribució total de les aigües de la ruta freda representa entre un 17.9 i 18.9%, sent substancialment major que el 7.1 i 12.3% de la contribució per part de la ruta càlida. Totes dues rutes estan formades per múltiples vies individuals però la via directa és la via preferent seguida pel 83.6 – 87.2% de les parcel·les d'aigua, sent la ruta freda directa la que sofreix una major transformació de les seves aigües.[spa] La rama de retorno de la circulación meridional del Atlántico (AMOC) es parcialmente sustentada por las aguas frías y frescas que proceden del océano Pacífico a través del pasaje de Drake. Hasta la isoneutra de 28.0 kg m-3, la entrada de agua media a través del paso de Drake hacia el mar de Scotia es de 140.8 ± 7.4 Sv mientras que la salida a través de los pasos del Norte corresponde a 115.9 ± 8.3 Sv. Su componente barotrópica media siempre representa más de la mitad de los transportes totales, con una variación interanual moderada y estacional considerable en los transportes de agua. El tiempo medio estimado de residencia en el mar de Scotia es de unos 6 - 8 meses. Combinando los datos de boyas Argo con otras medidas observacionales y aplicando un modelo inverso climatológico en los límites del mar de Scotia con el fin de definir el flujo de entrada y salida de la ACC hasta la isoneutra de 28.0 kg m-3 se estima que 136.7 ± 1.0 Sv del ACC entran por el paso de Drake y salen 137.9 ± 1.0 Sv por el límite norte. A lo largo de su trayectoria hacia el norte, las aguas del ACC pierden calor pero ganan transporte de agua dulce. Dentro del mar de Scotia, las aguas superficiales- modales y las superficiales-intermedias experimentan producción en todas las variables biogeoquímicas. Finalmente, en cuanto al DIC antropogénico, el mar de Scotia almacena 0.123 Pg C año-1. El método ROD compara los desplazamientos reales de los derivadores con las trayectorias de las partículas simuladas en modelos numéricos; las diferencias observadas-predichas en las posiciones finales responden a movimientos difusivos no capturados por los modelos numéricos. Dicho método es aplicado en el Atlántico Sur occidental obteniendo difusiones máximas de 4630 - 4980 m² s-1 en los primeros 200 m de la columna de agua, presentando una relación inversa con la profundidad. Cerca de la superficie, los coeficientes de difusión son bastante constantes en latitud, sin embargo, a 1000 m los coeficientes disminuyen considerablemente en el sur del frente Límite Sur. Con los coeficientes de difusión horizontal anteriores, se realizan simulaciones Lagrangianas para determinar qué fracción de transporte permanece en la ACC y qué cantidad de transporte se desvía en el norte para alimentar el giro subtropical del Atlántico Sur. Los resultados medianos revelan que 94.8 Sv permanecen en la ACC, mientras que un total de 15.1 Sv contribuyen directamente a la AMOC. Este transporte que se incorpora a la AMOC tarda una mediana de 14.3 años al llegar al corriente del Brasil. Los resultados confirman que las masas de agua que entran al giro subtropical por el borde oriental se calientan sustancialmente y la mayoría pierden densidad, parcialmente transformadas en aguas superficiales, mientras que las masas de agua que permanecen a la ACC se transfieren en gran medida a las capas superficiales y profundas. En cuanto a las contribuciones de la ruta cálida y la ruta fría en el margen oriental del giro subtropical del Atlántico Sur, se realizan simulaciones numéricas para identificar las múltiples vías directas e indirectas de las aguas intermedias. La contribución total de las aguas de la ruta fría representa entre un 17.9 y 18.9%, siendo sustancialmente mayor que el 7.1 y 12.3% de la contribución por parte de la ruta cálida. Ambas rutas están formadas por múltiples vías individuales pero la vía directa es la vía preferente seguida por el 83.6 – 87.2% de las parcelas de agua, siendo la ruta fría directa la que sufre una mayor transformación de sus aguas

Transferencia de las aguas antárticas al Atlántico Sur

Early Career Workshop organizado por la plataforma interdisciplinar PolarCSICPeer reviewe

Transformations and pathways of Southern Ocean waters into the South Atlantic Ocean

Programa de Doctorat en Ciències del Mar / Tesi realitzada a l'Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC)[eng] The returning limb of Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) is partly supplied by the cold-fresh waters that enter through the Drake Passage. Up to the isoneutral 28.0 kg m−3, the mean water inflow through the Drake Passage to the Scotia Sea is 140.8 ± 7.4 Sv and the outflow through the Northern Passages is 115.9 ± 8.3 Sv. Below this isoneutral reference and down to 2000 m, an additional 23.4 Sv enters through the Drake Passage. The mean barotropic contribution always represents over half the total transports, with substantial seasonal and moderate interannual variability in the water transports. The water mean-residence time is about 6 - 8 months. Combining the Argo floats data with other observational measurements, we apply a climatological high-resolution inverse model over the Scotia Sea boundaries up to the 28.0 kg m-3 isoneutral. The ACC enters 136.7 ± 1.0 Sv through the Drake Passage and exits 137.9 ± 1.0 Sv through the northern boundary, with the difference responding to the South Scotia Ridge and Philip Passages contributions. Along its northward path, the ACC waters lose heat but gain equatorward freshwater transport. Within the Scotia Sea, the surface-modal and modal-intermediate waters experience production in all biogeochemical variables. Finally, regarding anthropogenic DIC, the Scotia Sea stores 0.123 Pg C yr-1. Then, the ROD method compares actual drifters' displacements with numerical trajectory predictions; the observed-predicted differences in final positions respond to diffusive motions not captured by the numerical models. The ROD method is applied in the western South Atlantic Ocean leading to maximum diffusivities of 4630 - 4980 m2 s-1 in the upper 200 m of the water column, presenting an inverse relationship with depth. The diffusivities near the surface are fairly constant in latitude but the diffusion coefficients at 1000 m decrease considerably south of the Southern Boundary. With the horizontal diffusion coefficients obtained previously, we use the Lagrangian technique to determine the fraction of the upper-ocean transport that remains in the ACC flow as it crosses the South Atlantic Ocean and the fraction that contributes to the South Atlantic subtropical gyre. The mean results reveal that 94.8 Sv remains in the ACC, whereas a total of 15.1 Sv contributes directly to the AMOC. This AMOC transport takes a median of 14.3 years to arrive to the Brazilian Current from the Drake Passage. Furthermore, 78.1% of the particles that recirculate in the subtropical gyre perform one recirculation. The results confirm that the water masses entering the subtropical gyre through its eastern edge warm up substantially and lose density, partly transformed to surface waters. Furthermore, the contributions at the eastern edge of the South Atlantic subtropical gyre from the warm-water and the cold-water routes are compared. We perform numerical simulations of Lagrangian trajectories to identify the multiple direct and indirect pathways of intermediate waters. The total cold-route contribution represents between 17.9 and 18.9%, substantially higher than the 7.1 to 12.3% warm- route contribution. Several individual pathways form both routes, but the direct path is the preferential pathway followed by 83.6 to 87.2% of the water parcels. The direct cold route is the one that undergoes a greater transformation of its water masses, and it is confirmed that also feeds the Agulhas Current, contributing similarly to that coming from the Indonesian Throughflow.[cat] La branca de retorn de la circulació meridional de l'Atlàntic (AMOC) és parcialment sustentada per les aigües fredes i fresques que procedeixen de l'oceà Pacífic a través del passatge de Drake. Fins a la isoneutra de 28.0 kg m-3, l'entrada d'aigua mitja a través del pas de Drake cap al mar de Scotia és de 140.8 ± 7.4 Sv mentre que la sortida a través dels passos del Nord correspon a 115.9 ± 8.3 Sv. La seva component barotròpica mitjana sempre representa més de la meitat dels transports totals, amb una variació interanual moderada i estacional considerable en els transports d'aigua. El temps mig estimat de residència en el mar de Scotia és d'uns 6 - 8 mesos. Combinant les dades de boies Argo amb altres mesures observacionals, s’ha aplicat un model invers climatològic en els límits de el mar de Scotia amb la finalitat de definir el flux d'entrada i sortida de la ACC fins a la isoneutra de 28.0 kg m-3. Exactament, 136.7 ± 1.0 Sv del ACC entren pel pas de Drake i surten 137.9 ± 1.0 Sv pel límit nord. Al llarg de la seva trajectòria cap al nord, les aigües del ACC perden calor però guanyen transport d'aigua dolça. Dins del mar de Scotia, les aigües superficials-modals i les superficials-intermèdies experimenten producció en totes les variables biogeoquímiques. Finalment, en quant al DIC antropogènic, el mar de Scotia emmagatzema 0.123 Pg C any-1. Després, el mètode ROD compara els desplaçaments reals dels derivadors amb les trajectòries de les partícules simulades amb els models numèrics; les diferències observades-predites en les posicions finals responen a moviments difusius no capturats pels models numèrics. El mètode ROD és aplicat a l'Atlàntic Sud occidental obtenint difusions màximes de 4630 - 4980 m² s-1 en els primers 200 m de la columna d'aigua, presentant una relació inversa amb la profunditat. Prop de la superfície, els coeficients de difusió són bastant constants en latitud, no obstant això a 1000 m els coeficients disminueixen considerablement al sud del front Límit Sud. Amb els coeficients de difusió horitzontal obtinguts anteriorment, realitzem simulacions Lagrangianes per a determinar quina fracció de transport roman en el ACC i quina quantitat de transport es desvia al nord per a alimentar el gir subtropical de l'Atlàntic Sud. Els resultats mitjans revelen que 94.8 Sv romanen en el ACC, mentre que un total de 15.1 Sv contribueixen directament a la AMOC. Aquest transport que s'incorpora a la AMOC triga una mediana de 14.3 anys en arribar al corrent del Brasil. Els resultats confirmen que les masses d'aigua que entren al gir subtropical per la vora oriental s'escalfen substancialment i la majoria perden densitat, parcialment transformades en aigües superficials, mentre que les masses d'aigua que romanen a l'ACC es transfereixen en gran mesura a les capes superficials i profundes. A més, s’han comparat les contribucions de la ruta càlida i la ruta freda en el marge oriental del gir subtropical de l'Atlàntic Sud. Amb aquesta fi, realitzem simulacions numèriques per a identificar les múltiples vies directes i indirectes de les aigües intermèdies. La contribució total de les aigües de la ruta freda representa entre un 17.9 i 18.9%, sent substancialment major que el 7.1 i 12.3% de la contribució per part de la ruta càlida. Totes dues rutes estan formades per múltiples vies individuals però la via directa és la via preferent seguida pel 83.6 – 87.2% de les parcel·les d'aigua, sent la ruta freda directa la que sofreix una major transformació de les seves aigües.[spa] La rama de retorno de la circulación meridional del Atlántico (AMOC) es parcialmente sustentada por las aguas frías y frescas que proceden del océano Pacífico a través del pasaje de Drake. Hasta la isoneutra de 28.0 kg m-3, la entrada de agua media a través del paso de Drake hacia el mar de Scotia es de 140.8 ± 7.4 Sv mientras que la salida a través de los pasos del Norte corresponde a 115.9 ± 8.3 Sv. Su componente barotrópica media siempre representa más de la mitad de los transportes totales, con una variación interanual moderada y estacional considerable en los transportes de agua. El tiempo medio estimado de residencia en el mar de Scotia es de unos 6 - 8 meses. Combinando los datos de boyas Argo con otras medidas observacionales y aplicando un modelo inverso climatológico en los límites del mar de Scotia con el fin de definir el flujo de entrada y salida de la ACC hasta la isoneutra de 28.0 kg m-3 se estima que 136.7 ± 1.0 Sv del ACC entran por el paso de Drake y salen 137.9 ± 1.0 Sv por el límite norte. A lo largo de su trayectoria hacia el norte, las aguas del ACC pierden calor pero ganan transporte de agua dulce. Dentro del mar de Scotia, las aguas superficiales- modales y las superficiales-intermedias experimentan producción en todas las variables biogeoquímicas. Finalmente, en cuanto al DIC antropogénico, el mar de Scotia almacena 0.123 Pg C año-1. El método ROD compara los desplazamientos reales de los derivadores con las trayectorias de las partículas simuladas en modelos numéricos; las diferencias observadas-predichas en las posiciones finales responden a movimientos difusivos no capturados por los modelos numéricos. Dicho método es aplicado en el Atlántico Sur occidental obteniendo difusiones máximas de 4630 - 4980 m² s-1 en los primeros 200 m de la columna de agua, presentando una relación inversa con la profundidad. Cerca de la superficie, los coeficientes de difusión son bastante constantes en latitud, sin embargo, a 1000 m los coeficientes disminuyen considerablemente en el sur del frente Límite Sur. Con los coeficientes de difusión horizontal anteriores, se realizan simulaciones Lagrangianas para determinar qué fracción de transporte permanece en la ACC y qué cantidad de transporte se desvía en el norte para alimentar el giro subtropical del Atlántico Sur. Los resultados medianos revelan que 94.8 Sv permanecen en la ACC, mientras que un total de 15.1 Sv contribuyen directamente a la AMOC. Este transporte que se incorpora a la AMOC tarda una mediana de 14.3 años al llegar al corriente del Brasil. Los resultados confirman que las masas de agua que entran al giro subtropical por el borde oriental se calientan sustancialmente y la mayoría pierden densidad, parcialmente transformadas en aguas superficiales, mientras que las masas de agua que permanecen a la ACC se transfieren en gran medida a las capas superficiales y profundas. En cuanto a las contribuciones de la ruta cálida y la ruta fría en el margen oriental del giro subtropical del Atlántico Sur, se realizan simulaciones numéricas para identificar las múltiples vías directas e indirectas de las aguas intermedias. La contribución total de las aguas de la ruta fría representa entre un 17.9 y 18.9%, siendo sustancialmente mayor que el 7.1 y 12.3% de la contribución por parte de la ruta cálida. Ambas rutas están formadas por múltiples vías individuales pero la vía directa es la vía preferente seguida por el 83.6 – 87.2% de las parcelas de agua, siendo la ruta fría directa la que sufre una mayor transformación de sus aguas

L’impacte de l’oceà Austral sobre el clima

3 pages, 2 figures[EN] The Southern Ocean is defined as the ocean region that encircles and partly isolates the Antarctic continent from the warmer subtropics. The intense westerly winds raise the deep dense waters towards the south, and this phenomenon has two main effects. First, it leads to the eastward Antarctic Circumpolar Current (ACC), the planet’s most intense, longest and deepest current, which connects the three major ocean basins, helping to establish the global overturning circulation (Figure 1). Second, it permits the direct interaction between the atmosphere and the deep waters, regulating the exchange of mass, heat, salt, carbon, oxygen and other properties between the lower and upper layers of the global ocean (Figure 2). […][ES] El océano Austral se define como la región oceánica que rodea y aísla parcialmente al continente antártico de las cálidas aguas subtropicales. Los intensos vientos del oeste elevan las aguas profundas y densas hacia el sur, lo que tiene dos efectos principales. Por un lado, da lugar a la corriente Circumpolar Antártica (ACC), la corriente más intensa, larga y profunda del planeta, que fluye hacia el este y conecta las tres principales cuencas oceánicas contribuyendo al establecimiento de la cinta transportadora oceánica global (figura 1). Por otra parte, permite la interacción directa entre la atmósfera y las aguas profundas, regulando el intercambio de masa, calor, sal, carbono, oxígeno y otras propiedades entre las capas inferiores y superiores del océano global (figura 2). […][CAT] L’oceà Austral es defineix com la regió oceànica que envolta i aïlla parcialment al continent antàrtic de les càlides aigües subtropicals. Els intensos vents de l’oest eleven les aigües profundes i denses cap al sud, la qual cosa té dos efectes principals. D’una banda, dona lloc al corrent Circumpolar Antàrtic (ACC), el corrent més intens, llarg i profund del planeta, que flueix cap a l’est i connecta les tres principals conques oceàniques contribuint a l’establiment de la cinta transportadora oceànica global (figura 1). D’altra banda, permet la interacció directa entre l’atmosfera i les aigües profundes, regulant l’intercanvi de massa, calor, sal, carboni, oxigen i altres propietats entre les capes inferiors i superiors de l’oceà global (figura 2). […]Peer reviewe

Cuantificar la intermitencia espacial de las grandes corrientes oceánicas

El CSIC ha desarrollado una nueva metodología que permitirá cuantificar la intermitencia espacial de las grandes corrientes oceánicas, para, entre otras cosas, predecir mejor el climaPeer reviewe

Sea-ice coverage and water mass transports in the Powell Basin

Cryosphere 2022 - International Symposium on Ice, Snow and Water in a Warming World, 21-26 August 2022, Reykjavík, IcelandThe cold and densest Antarctic Bottom Water (AABW) results from negative buoyancy and brine rejection during sea-ice formation. Once formed at the shelf, AABW sinks to the seafloor and migrates northward following the topography, controlling the strength of the global meridional overturning circulation. At the same time, the relatively warm circumpolar deep water (CDW) outcrops at the sea surface, being responsible for the observed melting of continental ice in the Antarctic Peninsula. Hence, sea-ice freezing and melting control the Southern Ocean overturning circulation, playing a key role in the Earth¿s climate system. Here, we explore the relation between sea-ice coverage and water transports in the Powell Basin (northwestern Weddell Sea), with special focus on the transport of AABW through the western South Scotia Ridge into the Scotia Sea. For this purpose, we combine the sea-ice thickness distribution with velocity fields from the GLORYS12V1 reanalysis in the Powell Basin for a 5-years period (between 2017 and 2021). The preliminary results show high interannual variability of sea-ice extent in the region, reaching a maximum of 288.5 km3 in 2019 and a minimum of 144.4 km3 in 2017. This interannual variability is related to substantial changes in the AABW contribution to the Scotia Sea across the western South Scotia Ridge, with mean AABW outflow ranging between 2.5 ± 2.9 and 4.6 ± 1.9 Sv when there is ice coverage and between 1.2 ± 3.0 Sv and 6.6 ± 2.7 Sv when the region is not covered with sea-ice. Further, there appears to be an inverse relation between the CDW and AABW mass transport imbalances throughout the year, independent of the sea-ice cover presence, which suggests that part of the CDW mass transport that enters from the Antarctic ice shelf can be transformed in AABW. The net total mass transport is fairly well balanced during mid and late austral summer, but as the region becomes covered by sea-ice then there is a mean total inflowPeer reviewe

The transfer of Antarctic Circumpolar waters to the western South Atlantic Ocean through topographic features

IX Simposio de Estudios Polares del Comité Español del Scientific Committee on Antarctic Research (SCAR), 5-7 September 2018, Madrid, España.-- 1 pageThe circulation and hydrography of the Southern Ocean is dominated by the wind-driven Antarctic Circumpolar Current (ACC) that flows eastward around Antarctica, connecting the Pacific, Atlantic and Indian Oceans. Five major topographic features strongly condition ACC flow pattern. The Drake Passage restricts its latitudinal extent connecting the Pacific and Atlantic Oceans, encountering, to the east, the formidable Scotia Sea ridge system. The most prominent discontinuities in the north ridges are: the 54-54 Passage, between 54.8ºW and 53.3ºW; the Shag Rocks Passage, the deepest gap, situated between 49.6ºW and 47.1ºW; the Black Rock Passage, the narrowest one at 40ºW, within North Scotia Ridge; and the Georgia Passage, a 3200 m depth gap between 34.2ºW and 28.9ºW, laying amidst the North Scotia Ridge and the South Sandwich Arc. All of them are of extreme importance in determining the flow patterns, front variability and structure of the water input to the South Atlantic Ocean. The water mass exchange betweenthe Southern Ocean and the South Atlantic Ocean remains poorly documented, especially through in situ observations. The main objective of this study is to describe the parameter alterations and quantify the flow of Southern Ocean waters across the different passages in the North Scotia Ridge and Georgia Passage. The methodology followed uses Argo floats data to construct seasonal and annual mean hydrographic sections from the sea surface to 2000 m, spanning the passages in a 0.5º wide area. Moreover, thesesections will be used to calculate the geostrophic transports, which will be compared with the principal access pathways as deduced from the float trajectories. The preliminary results show that the predominant access of the ACC waters to the South Atlantic Ocean occurs across the North Scotia Ridge discontinuities, the Shag Rocks Passage being the principal pathway, with only a scarce 14.5% of Argo floats drifting through Georgia Passage. Along the Drake Passage, superficial fresh and cold water emanatesfrom the Antarctic continent with a pronounced decline of isopycnals as it flows near the American continent. The hydrographic sections across the 54-54 Passage show a sharp elevation of isotherms at the sill during austral summer and winter; maximum superficial geostrophic velocities of 1.40 m/s, minimum salinity values of 33.70 and minimum potential temperatures of 0.33ºC are observed. These parameters show relatively small variations within the Shag Rocks Passage, suggesting that its topography –a 2900 m depth sill–does not represent a significant barrier for the upper and intermediate waters, whereas on its eastern sill –which has a maximum depth of 1860 m–the 2ºC isotherm experiments an important ascension at 1000m. At Black Rock Passage, the waters present maximum potential temperatures (2.29ºC) between 300 and 750 m depth, below a surface cold layer. Finally, the coldest potential temperatures at Georgia Passage range between 0.43ºC and -1.83ºC, with warm patches keeping their buoyancy at 250–650 m depth. The isotherm rise in the eastern side of the passage is associated to maximum negative velocities of -0.88 m/sPeer Reviewe