Coordinated Arctic Acoustic Thermometry Experiment

For nesten 30 år siden (1994) ble et 19,6 Hz-lyd signal for første gang sendt over Polhavet i «Transarctic Acoustic Propagation» (TAP)-eksperimentet. I CAATEX ønsket vi å gjennomføre et nytt akustisk termometrieksperiment for å sammenligne med målingene fra TAP-eksperimentet. I akustisk termometri måler vi tiden det tar fra et lydsignal sendes ut nord for Svalbard til det mottas på en vertikal lyttekabel i Beauforthavet. Vi kjenner avstanden og dermed kan gangtidsmålingene brukes til å finne lydhastigheten. Nøyaktig lydhastighet krever høy nøyaktighet i tidtaking og avstand mellom kilde og mottaker. Lydhastigheten kan gjennom empiriske formler gi havtemperaturen. På grunn av avtagende utbredelse og tykkelse av havis, ville vi bruke en kilde som sender ut litt høyere frekvens. To kilder med senterfrekvens på 35 Hz ble valgt, klargjort og programmert for sendinger hver tredje dag i ett år. To vertikale rigger var utstyrt med lydkilder. Alle seks riggene be utstyrt med 100 m lange vertikale lyttekabler med 25-40 hydrofoner. Alle riggene var utstyrt med oseanografiske instrumenter for saltholdighets- og temperaturmålinger, et oppoverrettet ekkolodd for å måle istykkelsen, en akustisk strømmåler og trykkmålere for å måle havbunnstrykket. Riggene ble utplassert langs en bane som krysser Polhavet. En rigg med lydkilde ble plassert nord for Svalbard og en annen lydkilde ble plassert i Beauforthavet vest i Arktis. Det at vi har flere rigger langs banen gjør det mulig å måle gangtider over ulike segmenter, og dermed gi mer regional informasjon om gangtider og dermed lydfart. Lyttekablene registrerte alternerende sendinger fra hver kilde i løpet av en årelang distribusjon fra høsten 2019 til høsten 2020. På grunn av den sterke vertikale lagdelingen av havet under havisen er den akustiske forplantningen best beskrevet ved å dele opp det akustiske feltet i dybdeavhengige moder. Mode 1 er fanget og forplanter seg i det rundt 200 m tykke laget med polart vann, mode 2 forplanter seg delvis i det kalde polarvannet og delvis i det varmere Atlanterhavsvannet, mens mode 3 og høyere moder forplanter seg i atlanterhavsvannet og dypere vannmasser. De ulike modene vil derfor forplante seg med ulike gruppehastigheter som igjen reflekterer temperaturer i de ulike vannlagene. Mode 1 og mode 2 forventes begge å være påvirket av havisen. På grunn av tidligere rapporter om en betydelig endring i akustisk forplantning fra 1994 til 1999, var det forventet at det ville være en betydelig endring i akustiske reisetider/gruppehastigheter på grunn av potensiell oppvarming av atlanterhavsvannet i sentrale deler av Arktis. Analysen av akustiske målingene indikerer imidlertid ingen vesentlig oppvarming av havet under den arktiske havisen i det sentrale Arktis. Det er imidlertid nødvendig med en nærmere titt for å undersøke om vi kan observere andre endringer i de akustiske målingene på grunn av endringer i havis og lagdeling av havet under isen.. For å undersøke atlanterhavsvannet under isen i Nansen- og Amundsen bassengene nærmere ble det etablert tidsserier av midlere havtemperatur fra ulike seksjoner målt fra isbrytere og undervannsbåter i perioden 1994-2021. Tidsseriene indikerer en svak økning på rundt 0,3°C fra 1995 til 2021 i Atlanterhavslaget (300-700m) for den eurasiske delen av CAATEX-seksjonen. Når vi ser på hele seksjonen fra Nord for Svalbard til Beauforthavet, holder alle CMIP6-modeller godt under 0,5°C, frem til 2020 i både Atlanterhavslaget og Haloklinlaget (100-300 m). På dette tidspunktet er modellspredningen lav, men etterpå er det en betydelig økning i modellspredningen. Her har vi brukt et svakt fremtidsscenario (ssp126). I 2040 viser de fleste CMIP6-modeller en oppvarming under 1°C i Atlanterhavslaget og Haloklinlaget, mens 1-2 modeller viser en større temperaturendring. Et annet fersk studie publisert i Science brukte det mer aggressive ssp585-scenariet og viste en lignende oppvarming i 2040; flermodellgjennomsnittet viser en oppvarming under 1°C på 0-700m. Oppvarming av atmosfæren over Arktis finner allerede sted, og oppvarmingen skjer 4 ganger raskere enn globalt. Det ser ut til at det vil ta lengre tid før havet følger etter. Det nylige studiet fra Science viste at en oppvarming av Polhavet vil skje i dette århundret og det blir anslått at Polhavet i gjennomsnitt vil varmes opp dobbelt så raskt enn globalt i dette århundret. I vår studie ser vi en lignende tendens med akselerert modellspredning og oppvarming. Det forventes store endringer i årene som kommer og det vil være viktig å fortsette helårsovervåkingen av Polhavet. Et oppfølgende prosjekt er har startet opp finansiert av HORIZON EUROPE.

CAATEX have shown by acoustic and oceanographic observations that the ocean temperature under the sea ice in the central Arctic have not yet changed significantly.This is also supported by reanalysis and climate models. However, the CMIP models indicates that we are now moving into decades where the ocean under the ice will change significantly, and therefore year round autonomous monitoring should be continued and intensified. CAATEX has established baseline data for future detection of changes in the ocean under the ice. It is therefore, important to continue and extend the monitoring of the ocean under the ice with moorings equipped with sensors ands instruments for several ocean parameters at fixed locations over several years. Furthermore by enabling the network for acoustic tomography and underwater geopositiong of underwater floats measurments from a larger region will be obtained. INTAROS and CAATEX has addressed the data delivery chain from advanced mooring systems. An INTAROS roadmap has been developed by more than 300 scientists with significant input from CAATEX. Roadmap will impact how the future Arctic Ocean Observation System is designed and implemented. CAATEX an INTAROS is followed up in the recently EU funded High Arctic Ocean Observation System (HiAOOS). The new project is coordinated by NERSC, and information will be available at https://hiaoos.eu. CAATEX has provided results which will be important for the development of methods and digital tools in HiAOOS and other projects. The CAATEX experiments in 2019 and 2020 required coordination and collaboration between several actors from research organizations, ice services and the coast guard. The operations included required navigation combining ship-radar and satellite remote sensing data to reach the planned mooring sites deep into the Nansen and Amundsen Basin and in the Beaufort sea. Deploying and recovering 4-kilometre-long moorings in harsh ice and weather conditions are complex operations that require clever mooring design, safety procedures, sea ice management, monitoring of the sea ice drift, bathymetric mapping, and accurate positioning the moorings. The CAATEX operations have given the coast guard and the involved scientists expertise in the planning and execution of complex operations in ice covered regions under harsh conditions. Good practices for deep water mooring design and procedures for deployment and recovery in ice covered regions has been developed. The expertise the ice service at Met.no, and the coast guard and Kv Svalbard have built up is important for Norway’s capability to take SAR responsibility in the sector from North of Svalbard and up to the North Pole. It is important to maintain this competence and to share it with other operators in the Arctic region.

The Arctic region experiences strong climate change, but yet the central Arctic Ocean under the sea ice is poorly observed and remains largely unknown. A particular focus in CAATEX will be to obtain regional to basin scale information about ocean temperature from acoustic thermometry and standard oceanographic instrumentation. A major effort will be to design and implement the basin wide acoustic thermometry experiment. Six fixed mooring thermometry will provide yearlong times series of mean ocean temperature between each of the moorings and across the basin. Canadian scientists will deploy drifting buoys to receive signals from two sources in fixed moorings providing mean ocean temperature along each section connecting the buoys and moorings.This scanning concept will systematically map a very large portion of the upper and lower part of the central Arctic Ocean, manifesting spatial variability. The yearlong time series of mean ocean temperature and point measurements between the fixed moorings will provide information about the temporal variability on local to basin-wide scale. CAATEX will contribute to MOSAIC with measurements from sea ice buoys. The prime result from CAATEX field experiment is baseline data on mean ocean temperature and heat content of the central Arctic Ocean, which will be used for estimation of ocean climate change, as well as evaluation of global climate models. The new observations from the fixed moorings will be compared to similar acoustic observations made in 1994 and 1999 and thereby quantify how much the mean ocean temperature along the mooring array has changed over two decades. To obtain an improved estimate of the heat content of the central Arctic Ocean, the new data obtained in CAATEX will be used in combination with a high-resolution ice-ocean model. This estimate will be highly valuable for benchmarking the skill of climate models to represent Arctic Ocean heat content.