Arctic Ocean mixing processes and vertical fluxes of energy and matter

AROMA er motivert av de pågående hurtige endringene i det arktiske klimaet, som er tydeligst uttrykt gjennom reduksjonen i sjøisens tykkelse og økt temperatur i havet og atmosfæren. Disse endringene har alvorlige konsekvenser for atmosfærens karbonopptak, netto primærproduksjon og klimarespons, og vil kunne få dramatiske følger for samfunnet. AROMA har som overordnet mål å forbedre forståelsen av den vertikale blandingens rolle for karbon- og varmebudsjettet i Nordishavet, samt rollen varmemengden i havet har for sjøisens tykkelse og areal og de tilknyttede responsene. For å nå dette målet deltok AROMA i det internasjonale MOSAiC-prosjektet, hvor isbryteren Polarstern drev med isen på tvers av Nordishavet fra september 2019 til oktober 2020. Underveis ble det utført målinger i vannsøylen under isen, utført av forskere som deltok på ferden, i tillegg til selvgående instrumenter og stasjonære plattformer satt ut på sjøisen. For å utvide prosjektrammen og prosjektområdet ble observasjonene analysert sammen med relaterte studier fra prosjektet Arven etter Nansen i Barentshavet og nord for Svalbard. I en tidlig fase av AROMA-prosjektet bidro vi med å utruste MOSAiC med instrumenter og ekspertise innen vertikal blanding. I tillegg deltok vi på prosesstoktene i prosjektet Arven etter Nansen, som foregikk i Barentshavet i oktober 2020 og januar-februar 2021. Formålet med prosesstoktene var å studere dynamikken i polarfronten, møtet mellom varmt Atlanterhavsvann og kaldt polarvann. I samarbeid med forskere fra Universitetet i Alaska Fairbanks analyserte vi data samlet inn av rigger mellom 2003 og 2018 i det eurasiske bassenget i Nordishavet. Resultatene viser hvordan påvirkningen av Atlanterhavsvannet i Nordishavet blir stadig større, med de konsekvenser det medfører, blant annet at issmeltingen akselererer. I den andre fasen av AROMA analyserte vi data samlet inn gjennom prosjektene MOSAiC og Arven etter Nansen. Ved å bruke data fra MOSAiC beskrev vi hvordan turbulens under sjøisen utvikler seg gjennom et helt år. Vi brukte en spesialdesignet turbulensmåler som målte vertikalt helt opp til undersiden av sjøisen og ga oss detaljert informasjon om turbulensstrukturen i øvre del av vannsøylen og like under sjøisen. Vi beskrev hvordan hav-is interaksjoner påvirker denne strukturen. I tillegg til vertikale målinger brukte vi sporstoff om vinteren for å få pålitelige estimater av blandingen i øvre delen av havet og sammenligne dem. Måling av styrken på blandingen er viktig for beregning av vertikal transport. Ved å kombinere data fra MOSAiC- og Arven etter Nansen-prosjektene evaluerte vi hvorvidt eksisterende metoder for å kvantifisere turbulens fra standard observasjoner kan benyttes i Nordishavet. Våre observasjoner fra området nord for Svalbard viser at tidevannsstrømmer er en viktig kilde til blanding av vannmasser i Nordishavet. Særlig interne bølger generert av tidevannstrømmene identifiseres som en nøkkelprosess i overføringen av energi fra tidevann til turbulens. For å forstå hvordan en varmere fremtid vil påvirke Arktis, må vi forstå sammenhengen mellom turbulens, stratifisering og sjøis, og hvordan de påvirker utbredelsen av Atlanterhavsvann i Nordishavet.

We have generated high-quality datasets and conducted thorough analyses to address the goals and objectives of the project. All of our datasets are openly accessible and will serve as a valuable resource for future research. Additionally, the project has facilitated the career development of two early career scientists. Through a series of publications, we provide new insights into oceanographic processes and dynamical mechanisms in a region where warm Atlantic water undergoes substantial transformations. We have developed instrumentation, documented its capabilities and limitations, and tested methods and parameterizations related to ocean mixing in the Arctic Ocean, laying a strong foundation for further research. Activities with similar focuses will provide opportunities for further discoveries, with the potential to address remaining uncertainties in the functioning of the Arctic Ocean and its future evolution. Our observations are being used for process evaluation and to constrain various ocean models. They are also being utilized for training artificial intelligence-based estimates of ocean mixing.

AROMA is a research proposal to support a comprehensive program to observe, understand, and quantify the fundamental processes of vertical mixing and vertical fluxes that shape the oceanographic and biogeochemical structure of the Arctic Ocean. AROMA is a collaboration with and participation in the international program MOSAiC, the Year of Polar Prediction, and the national multidisciplinary program The Nansen LEGACY. AROMA is motivated by the rapid changes that are now occurring in the Arctic climate system, manifested by thinning sea ice, warming ocean and atmosphere temperatures, with consequences for the uptake of atmospheric carbon, net primary productivity, strong climate feedbacks, and dramatic implications for society. The experimental approach is designed to advance understanding of, and provide observational constraints on the coupled physical, biological, and chemical processes in the Arctic Ocean. AROMA assembles the best expertise in experimental ocean mixing and carbon in Norway, in a feasible, well-focused interdisciplinary project, and facilitates participation in major field campaigns, mutually adding value to them while benefiting from the logistics, high-quality platforms and broader multidisciplinary data sets. We hypothesise that 1) vertical mixing rates are enhanced in the absence of sea ice, and bring toward the upper ocean and sea ice a. more oceanic heat, leading to a positive feedback and causing more melting b. more CO2, reducing the air-sea pCO2 gradient and the CO2 uptake c. more nutrients to support increased net primary production 2) the dominant mixing mechanisms are a. breaking of near-inertial waves and upwelling due to passage of storms in the central Arctic b. tidally-induced mixing and coastal upwelling over the continental slope and shelves 3) an efficient vertical pathway of CO2 to the interior ocean is brine release from first year ice formation.