https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb0166

Penyebab Gabungan Hilangnya Es Laut Antartika dan Destratifikasi Samudra Selatan

Abstrak

Jangkauan es laut Antartika mulai berkurang sejak 2015 dan mencapai nilai minimum pada tahun 2023 dalam era pengamatan sejak tahun 1970-an. Untuk mendiagnosis penyebab penurunan ini, kami menganalisis model es laut-laut berdasarkan data pengamatan yang mencakup 2013–2023 dan mengidentifikasi tiga tahap berbeda dari penarikan es laut. Pertama, angin barat yang menguat telah melakukan kondisi awal Samudra Selatan dengan meningkatkan arus naik air dalam Circumpolar Deep Water (CDW) yang hangat dan berkadar garam tinggi. Kedua, angin kuat selama 2015–2016 mempromosikan pencampuran CDW ke laut bagian atas, memicu hilangnya es laut terutama di Antartika Tenggara. Ketiga, pencampuran berkelanjutan CDW ke permukaan dikombinasikan dengan pengurangan ekspor kearah khatulistiwa air tawar yang berasal dari es laut mempertahankan keadaan es laut yang rendah tanpa preseden. Hilangnya es laut di Antartika Tenggara terutama dipimpin oleh proses bawah melalui aliran CDW yang meningkat, sementara hilangnya es laut di Antartika Barat juga dipengaruhi oleh anomali fluks radiasi gelombang panjang. Temuan kami menunjukkan bahwa Samudra Selatan dapat memasuki keadaan es laut rendah yang berkepanjangan jika kondisi yang menguntungkan untuk arus naik terus berlanjut di bawah pemaksaan antropogenik.

Pendahuluan

Es laut Antartika adalah komponen penting dari sistem iklim Bumi, mengatur albedo Samudra Selatan (1), aliran cabang bawah sirkulasi meridional (2), transformasi massa air di dalamnya (3), penyerapan panas dan karbon laut (4), konten panas laut (5), dan produktivitas biologis (6). Es laut Antartika menunjukkan tren positif yang sedang berlangsung dari 1979 hingga 2015 (7–9), meskipun disertai dengan variasi regional yang besar. Ekspansi es laut selama periode ini kemungkinan besar terkait dengan peningkatan transportasi es laut ke utara yang diinduksi angin (10) dan stratifikasi permukaan yang dihasilkan dari ekspor air tawar yang berasal dari es laut di laut Samudra Selatan lintang tinggi (11). Namun, sejak 2015, luas es laut yang diamati mengalami anomali negatif yang berkelanjutan, dengan jangkauan es laut (Sea Ice Extent, SIE) mencapai nilai terendah sepanjang masa pada musim dingin dan musim panas 2023 (12). Anomali SIE negatif ini dikaitkan dengan peningkatan suhu di lapisan dalam 100 m (13) dan peningkatan salinitas permukaan (14). Perubahan dramatis dari nilai rekor tinggi ke nilai rekor rendah dalam es laut Antartika merupakan salah satu perubahan iklim terbesar yang sedang berlangsung di sistem Bumi, dengan potensi mempercepat pemanasan planet (1) dan mengganggu jalur isolasi panas dan karbon di Samudra Selatan (15). Selain itu, hilangnya es laut dapat berdampak negatif pada ekosistem (16) dan mungkin mempengaruhi stabilitas rak es yang mendukung gletser yang rentan terhadap pemanasan laut (17).

Beberapa hipotesis telah diusulkan untuk menjelaskan peran samudera dan atmosfer dalam mengontrol penurunan SIE Antartika baru-baru ini. Akan bermanfaat untuk meninjau kembali hipotesis-hipotesis ini dengan mengklasifikasikannya menurut skala waktu mekanisme yang diusulkan. Pada skala waktu cuaca, fluktuasi angin dapat memiliki efek langsung pada aliran Ekman laut. Misalnya, selama musim panas 2016/17 dan 2019/20, melemahnya angin barat yang tiba-tiba mengurangi transportasi Ekman ke utara air permukaan yang relatif dingin dan tawar, menghasilkan pemanasan dan peningkatan kadar garam permukaan di laut Samudra Selatan subtropis lepas pantai (18). Pemanasan ini mungkin telah berkontribusi pada pengurangan luas es laut musim panas dan penundaan pertumbuhan es laut berikutnya. Pada skala waktu musiman, low pressure yang kuat kemungkinan terkait dengan pembentukan dan pemeliharaan polinya lepas pantai di laut Weddell selama 2016 dan 2017 (19–21). Pola Zonal Wave-3 (ZW3) positif selama 2016 (22) dikaitkan dengan transportasi poleward yang ditingkatkan dari massa udara subtropis hangat, meningkatkan tutupan awan di atas daerah es laut dan fluks radiasi gelombang panjang ke bawah (19, 23). Lintasan ruang-waktu dari pola ZW3 2016 mempengaruhi konsentrasi dan pergeseran es laut, berkontribusi pada pengurangan SIE di laut Weddell, laut Amundsen dan Bellingshausen, dan bagian barat laut Ross (23–26). Aliran angin poleward hangat dikaitkan dengan intensifikasi Low Tekanan Antartika (ASL) selama 2016 dan 2019 (21, 27).

Pada skala waktu musiman hingga dekade, Mode Annular Selatan (Southern Annular Mode, SAM) adalah mode variabilitas iklim dominan di lintang tinggi Samudra Selatan (28). Fase SAM positif terkait dengan pergeseran poleward dan peningkatan intensitas angin barat, mengatur kecepatan transportasi Ekman. Dengan demikian, SAM yang diperkuat diharapkan memiliki dua efek yang berlawanan pada stratifikasi laut bagian atas: peningkatan salinitas permukaan karena transportasi Ekman ke utara air kutub dan es laut yang meningkat (11, 29), dan peningkatan salinitas permukaan lebih jauh ke selatan karena pemompaan Ekman yang meningkat (30). SAM telah menunjukkan tren positif sejak tahun 1970-an (28), yang terkait dengan peningkatan siklonisitas angin di atas laut Samudra Selatan subtropis, yang meningkatkan pemompaan Ekman air dalam hangat di lapisan bawah (24, 31, 32). Selain itu, karena intensifikasi ASL dan penguatan pola ZW3 (33), SAM menunjukkan asimetri zonal yang semakin meningkat, memperkuat aliran poleward dari massa udara subtropis hangat dan lembab dalam zona tertentu Samudra Selatan. Simulasi model iklim pra-industri menunjukkan bahwa interaksi SAM-ZW3 mempengaruhi variabilitas regional es laut (34).

Evolusi es laut di masa depan kemungkinan akan diatur oleh keseimbangan antara mekanisme yang bersaing. Misalnya, konten panas samudera dan atmosfer diharapkan terus meningkat di bawah pemaksaan antropogenik, yang akan menghambat pertumbuhan es laut. Sebaliknya, peningkatan stratifikasi permukaan (35) karena peningkatan kadar garam yang tawar akibat peningkatan curah hujan (36) dan masukan air lelehan gletser (37) akan memperkuat stratifikasi lapisan atas laut dan memperlambat sel sirkulasi dalam (37, 38), menghambat pencampuran vertikal panas dan dengan demikian mempromosikan pertumbuhan es laut. Namun, tren peningkatan salinitas lapisan atas yang agak tidak terduga saat ini terjadi di Samudra Selatan (14). Peningkatan kadar garam ini melemahkan stratifikasi (14) dan membalikkan efek stabilisasi air tawar, yang berpotensi memungkinkan pencampuran panas dan garam dari lapisan air dalam Circumpolar yang lebih hangat (CDW).

Peran mungkin dari peningkatan angin barat dalam menentukan nasib es laut Antartika telah ditekankan oleh hipotesis berdasarkan studi model yang idealis. Dalam perspektif ini, angin barat yang diperkuat ke kutub akan memicu dua respons skala waktu dari samudera (selanjutnya disebut hipotesis dua skala waktu) (39). Respons langsung akan mencakup peningkatan transportasi Ekman ke utara air yang lebih dingin dan lebih tawar dari laut Samudra Selatan lintang tinggi, mendorong pendinginan permukaan dan peningkatan jangkauan es laut. Respons tertunda terkait dengan peningkatan pemompaan Ekman dari air dalam Circumpolar (CDW) yang hangat dan berkadar garam tinggi, menghasilkan laut lapisan atas yang lebih hangat dan berkadar garam lebih tinggi dengan jangkauan es laut berkurang. Namun, respons laut yang diamati lebih kompleks dan juga dipengaruhi oleh stratifikasi permukaan (5) dan aktivitas eddy skala menengah (40, 41), yang dapat mengimbangi perubahan yang diinduksi angin dalam stratifikasi dan sirkulasi. Simulasi yang lebih realistis baru-baru ini menunjukkan bahwa pengurangan SIE juga dapat terjadi dari kondisi yang menguntungkan untuk arus naik yang berasal dari variabilitas alami Samudra Selatan (42) atau kondisi pemaksaan historis (43). Secara keseluruhan, pola yang diamati dari peningkatan bertahap diikuti oleh penurunan tajam dalam jangkauan es laut Antartika sejak 2015 secara kualitatif konsisten dengan prediksi hipotesis dua skala waktu (13), meskipun perbedaan signifikan tetap ada.

Banyak proses yang berpotensi penting telah diusulkan, tetapi mekanisme yang mengatur evolusi iklim es laut Antartika terbaru masih belum pasti dan menjadi fokus perdebatan ilmiah yang aktif. Model iklim umumnya kesulitan merepresentasikan variabilitas yang diamati dan seringkali mensimulasikan skenario yang tidak realistis secara fisik (44). Di sini, kami menggunakan asimilasi data dengan model es laut-samudra yang disebut Sistem Estimasi Kondisi Samudra Selatan (SOSE) (45), untuk mengidentifikasi faktor pendorong perubahan es laut Antartika antara tahun 2013 dan 2023. Periode ini mencakup penurunan drastis luas es laut dari rekor tertinggi ke rekor terendah (46). Dengan membangun anggaran volume es laut (Sea Ice Volume, SIV) dan sifat lautan permukaan yang dilestarikan (misalnya, panas dan garam), kami dapat mengidentifikasi faktor-faktor kunci yang berkontribusi terhadap hilangnya es laut dan mengevaluasi mekanisme paksaan serta urutan peristiwa kausal yang mendasarinya.

Analisis kami menunjukkan bahwa hilangnya es laut Antartika terbaru adalah hasil dari kombinasi tiga tahap pendorong. Pertama, sebelum pertengahan tahun 2015, SIE meningkat bersama dengan anomali lautan permukaan yang dingin dan tawar, yang konsisten dengan peningkatan ekspor air tawar kutub asal ke arah ekuator yang menstabilkan lapisan atas. Kedua, setelah pertengahan tahun 2015, panas dan garam mulai terakumulasi di lautan permukaan, awalnya sebagai akibat dari penurunan air laut hangat dan asin yang lebih dalam (CDW). Respons ini secara kualitatif konsisten dengan hipotesis skala waktu dua jam dan dipermudah oleh angin yang menguntungkan naik dan peningkatan pencampuran vertikal panas dan garam yang didorong oleh angin barat yang diperkuat. Ketiga, setelah tahun 2018, perubahan es laut sebelumnya mengubah fluks air tawar permukaan, yang semakin penting dalam mempertahankan salinitas yang meningkat dan stratifikasi yang melemah di lautan permukaan, pada akhirnya mendorong kelangsungan es laut Antartika yang berkurang.

Terakhir, kami menunjukkan bahwa ada perbedaan signifikan dalam evolusi es laut dan mekanisme pendorongnya antara Antartika tenggara dan barat daya. Asimetri meridional ini berasal dari kontras memaksa angin yang sesuai dan menekankan kompleksitas spasial dinamika atmosfer-es laut-samudra di wilayah tersebut. Dengan mengidentifikasi mekanisme dominan dalam setiap wilayah, kami memberikan gambaran terpadu tentang perubahan es laut Antartika.

Hasil (Results)

Tinjauan Evolusi Hidrologi Antartika Selatan

Di lautan selatan subtropis, selama musim dingin CDW terletak tepat di bawah termoklinal yang lemah (Gambar S1 dan S2) (47). Dibandingkan dengan air permukaan, CDW lebih hangat, lebih asin, memiliki konsentrasi oksigen terlarut (DO) yang lebih rendah, dan konsentrasi karbon anorganik terlarut (DIC) yang lebih tinggi (48). Wilayah lepas pantai benua Antartika tenggara (E Ant; 60°B ~ 150°T; lihat metode) menunjukkan anomali suhu dingin di lapisan bawah (di bawah 100 m) dan anomali pendinginan dan tawar di lautan permukaan (atas 100 m) antara tahun 2013-2016. Selanjutnya, lautan permukaan menjadi lebih hangat dan asin, dengan lapisan bawah (200-500 m kedalaman) mendingin dan sedikit tawar setelah tahun 2018 (Gambar 1, A dan B). Pemanasan dan pengasinan lautan permukaan disertai dengan penurunan DO (garis kontur kuning pada Gambar 1A) dan peningkatan DIC (garis kontur hitam pada Gambar 1B).

Di Antartika barat daya (W Ant; 150°T ~ 60°B; lihat metode), lautan permukaan menunjukkan anomali pendinginan antara tahun 2013-2015, anomali pemanasan antara tahun 2016-2020, dan kembali ke anomali pendinginan antara tahun 2021-2023 (Gambar 1C). Lautan permukaan menunjukkan penurunan DO (garis kontur kuning; Gambar 1C) antara tahun 2013-2019. Lapisan bawah menunjukkan peningkatan konsentrasi DO (garis kontur hitam; Gambar 1C) antara tahun 2017-2021. Lautan permukaan menunjukkan anomali salinitas (Gambar 1D) antara tahun 2013-2019, dengan konsentrasi DIC yang meningkat (garis kontur hitam; Gambar 1D) antara tahun 2015-2019. Setelah tahun 2020, lautan permukaan menjadi tawar. Lapisan bawah beralih dari anomali yang lebih dingin dan asin antara tahun 2013-2018 menjadi anomali yang lebih hangat dan tawar setelah tahun 2018. Ini bertentangan dengan Antartika tenggara, di mana lapisan bawah beralih dari anomali hangat dan asin menjadi dingin dan tawar.

Untuk memberikan konteks tambahan tentang perubahan hidrologi ini, kami menyertakan profil suhu dan salinitas aktual pada Gambar S2. Ini menunjukkan bahwa Antartika tenggara umumnya memiliki lautan permukaan yang lebih asin daripada Antartika barat daya selama musim dingin. Termoklinal internal berfluktuasi secara musiman di kedua wilayah, terletak pada kedalaman yang lebih dangkal selama musim dingin dan menjadi lebih dalam selama musim panas. Antartika tenggara juga memiliki termoklinal musim dingin yang lebih dangkal (50 m) dibandingkan dengan Antartika barat daya (80 m).

Secara ringkas, antara pertengahan tahun 2015, lautan permukaan di wilayah lepas pantai benua Antartika tenggara mengalami transisi yang jelas dari kondisi yang lebih dingin, tawar, kaya DO, dan miskin DIC menjadi kondisi yang lebih hangat, asin, miskin DO, dan kaya DIC. Karakteristik anomali ini konsisten dengan karakteristik CDW (48), menunjukkan peningkatan keberadaan CDW di lautan permukaan dekat (32). Kami akan melakukan analisis anggaran panas dan garam yang detail pada bagian berikutnya untuk mengidentifikasi mekanisme yang terkait. Sebaliknya, evolusi hidrologi di wilayah lepas pantai benua Antartika barat daya tampak lebih kompleks. Meskipun ada transisi yang jelas dari kondisi asin (2013-2019) menjadi tawar (2020-2023) di lautan permukaan, parameter lain menunjukkan perubahan yang lebih kompleks.

Pemanasan dan pengasinan lautan permukaan yang terkait dengan hilangnya es laut dalam SOSE konsisten dengan penelitian berdasarkan profil hidrologi lapangan (13) dan salinitas permukaan dari penginderaan jauh (14). Di sini kami menunjukkan adanya asimetri meridional dalam evolusi karakteristik hidrologi lautan permukaan. Selain itu, mekanisme di balik perubahan ini belum diteliti.

Anomali SIE dan Volume Es Laut Antartika

Pengamatan satelit menunjukkan bahwa anomali SIE negatif berlanjut di kedua Antartika tenggara dan barat daya setelah tahun 2016 (Gambar 2A). Pengamatan awal menunjukkan pola spasial yang relatif stabil dalam SIE antara wilayah Antartika barat daya (Laut Ross, Laut Amundsen, dan Laut Bellingshausen; lihat metode) dan Antartika tenggara (semua wilayah selain Antartika barat daya) hingga sebelum tahun 2008. Tren waktu anomali SIE dalam SOSE konsisten dengan pengamatan satelit, tetapi ukurannya menunjukkan beberapa bias positif dibandingkan dengan pengamatan di Antartika tenggara antara tahun 2013-2016 dan di Antartika barat daya antara tahun 2022-2023. Selain itu, tren waktu anomali SIE dalam SOSE umumnya konsisten dengan yang diamati dalam data satelit. Anomali SIE terutama mencerminkan anomali di tepi kutub es laut, tetapi anomali ketebalan es laut dalam SOSE menunjukkan bahwa hilangnya es laut juga terjadi di dalam paket es (Gambar S3). Kedua Antartika tenggara dan barat daya menunjukkan anomali negatif SIV setelah tahun 2016, dengan es laut di wilayah lepas pantai benua Antartika barat daya menunjukkan pemulihan setelah tahun 2021 (Gambar 2, B-E). Periode pemulihan ini konsisten dengan bias positif SIE SOSE. Kami akan membahas alasannya pada bagian berikutnya.

Analisis anggaran menunjukkan bahwa kehilangan SIV di wilayah lepas pantai (kedalaman >3000 m) Antarktika Timur didorong oleh penurunan produksi es laut termodinamika netto (yaitu, pencairan dibandingkan pertumbuhan; Gbr. 2F dan Gbr. S4F). Sinyal ini konsisten dengan saran penelitian sebelumnya bahwa kehilangan es laut sejak 2015 terutama dipaksa secara termodinamika, bukan digerakkan secara mekanis oleh adveksi atau divergensi (49). Namun, karena ketidakpastian dalam pengukuran ketebalan es laut, penelitian sebelumnya tidak dapat mengkuantifikasi kehilangan volume yang kini diklarifikasi oleh temuan-temuan ini. Meskipun adveksi dan divergensi es laut (AD) sebagian mengimbangi penurunan SIP, hal tersebut tidak cukup untuk kompensasi penuh, sehingga mengakibatkan anomali SIV negatif di Antarktika Timur (Gbr. 2B). Kontribusi tambahan terhadap SIV dari suku AD berasal dari peningkatan SIP di wilayah landas kontinen Antarktika Timur selama 2015–2016, 2019–2020, dan 2022–2023 (Gbr. 2G). Peningkatan ini kemungkinan besar disebabkan oleh meningkatnya ekspor es laut dari landas kontinen, yang difasilitasi oleh penurunan SIP di wilayah lepas pantai. Setelah tahun 2020, anomali SIV negatif diamati di wilayah landas kontinen maupun lepas pantai Antarktika Timur (Gbr. 2, F dan G).

Kehilangan volume es laut di wilayah lepas pantai Antarktika Barat tidak begitu menonjol dan tidak berlangsung sepanjang periode penuh sejak 2016 (Gbr. 2; lepas pantai Antarktika Barat dan landas kontinen Antarktika Barat). SIV rendah yang diamati pada 2016–2020 didorong oleh kombinasi faktor yang mencakup SIP rendah (selama 2013, 2015, 2017, dan 2021–2022) serta AD rendah (terlihat selama 2018–2020; Gbr. 2H dan Gbr. S4H). Anggaran SIV dari SOSE mengungkapkan asimetri longitudinal dalam evolusi es laut, dengan Antarktika Timur menunjukkan anomali SIV negatif yang relatif lebih persisten sejak 2016 (Gbr. 2; lepas pantai Antarktika Timur dan landas kontinen Antarktika Timur). Evolusi anomali SIV konsisten dengan anomali SIE yang diamati, dengan kehilangan lebih menonjol di Antarktika Timur.

Anggaran SIV menekankan peran penting termodinamika dalam penurunan es laut di Antarktika Timur, yang mengimplikasikan bahwa mekanisme yang mendorong kehilangan es laut melibatkan transfer panas ke es. Panas dapat bersumber dari atmosfer di atasnya atau dari CDW hangat yang umumnya terletak di bawah termoklin. Kehilangan es laut berkaitan dengan pemanasan dan peningkatan salinitas lapisan atas laut, disertai akumulasi DIC dan penipisan DO. Karakteristik ini konsisten dengan meningkatnya keberadaan CDW di dekat permukaan (50), namun juga dapat terjadi akibat masukan panas atmosfer yang meningkat. Untuk membedakan kemungkinan-kemungkinan ini, diperlukan analisis rinci mengenai proses yang mengontrol pasokan panas ke lapisan atas laut, sebagaimana diuraikan pada bagian berikutnya.

Di siklon subpolar besar di Laut Weddell dan Laut Ross, termoklin (dan lapisan CDW di bawahnya) mendangkal hingga kedalaman 50–100 m (32, 47). Namun, panas ini terkurung di bawah termoklin kecuali stratifikasi melemah secukupnya untuk memfasilitasi pencampuran CDW ke lapisan campuran (51, 52). Di perairan kutub yang dingin, stratifikasi terutama dikendalikan oleh salinitas (53). Untuk menyelidiki proses yang menginduksi pelemahan stratifikasi dan transfer panas ke atas menuju lapisan campuran, kami menganalisis anggaran suhu dan salinitas lapisan atas laut pada dua bagian berikutnya.

Pemanasan Lapisan Atas Laut Selatan

Fluks gelombang pendek dan panjang terutama dipengaruhi oleh dua faktor: (i) es laut yang mengubah albedo permukaan, dan (ii) tutupan awan yang mengurangi transmisi radiasi gelombang pendek melalui atmosfer namun meningkatkan radiasi gelombang panjang ke bawah. Laut Selatan subpolar umumnya dicirikan oleh kehilangan panas netto melalui radiasi gelombang panjang. Oleh karena itu, anomali positif fluks gelombang panjang ke bawah menunjukkan berkurangnya kehilangan panas ini, yang secara efektif berkontribusi pada pemanasan laut.

Dengan menerapkan kerangka ini pada wilayah lepas pantai Antarktika Timur, pemanasan lapisan atas laut terlihat jelas dari tahun 2015 hingga 2018 (Gbr. 3A). Dari akhir 2013 hingga pertengahan 2015, fluks permukaan ("surf"; tidak termasuk fluks gelombang pendek) menunjukkan anomali positif (kecenderungan pemanasan) selama periode perluasan tutupan es laut. Hal ini konsisten dengan efek insulasi es laut yang menekan kehilangan panas ke atmosfer melalui fluks gelombang panjang dan panas sensibel (2013–2014; garis merah pada Gbr. 3C). Sejak awal 2016, fluks permukaan menunjukkan anomali negatif yang menonjol dan persisten, mencerminkan peningkatan kehilangan panas ke atmosfer akibat berkurangnya tutupan es laut (garis merah pada Gbr. 3C) (12).

Meskipun terjadi peralihan ini, pendorong utama pemanasan lapisan atas laut yang dimulai sejak pertengahan 2015 adalah suku pencampuran vertikal (Diff_v), yang beralih dari anomali negatif ke anomali positif yang persisten hingga 2023 (garis biru pada Gbr. 3C). Sebaliknya, fluks gelombang pendek (garis putus-putus merah pada Gbr. 3C) baru beralih ke anomali positif pada pertengahan 2016, setelah dimulainya kehilangan es laut pada pertengahan 2015. Waktu ini mengimplikasikan bahwa fluks gelombang pendek tidak memulai penurunan es laut, melainkan memfasilitasi penguatannya setelah itu. Meskipun fluks permukaan memanaskan laut dari akhir 2013 hingga awal 2015, pemanasan ini diimbangi oleh pendinginan akibat pencampuran vertikal, sehingga menghasilkan perubahan suhu netto yang hampir nol. Namun, mulai pertengahan 2015, suhu mulai meningkat (Gbr. 3A), yang pada awalnya didorong oleh penguatan pencampuran vertikal.

Wilayah lepas pantai Antarktika Barat juga mengalami pemanasan lapisan atas laut yang dimulai sejak 2015, mencapai puncaknya antara 2017–2020, dan kemudian memasuki periode pendinginan (Gbr. 3B). Namun, mekanisme yang mendorong pemanasan ini sangat berbeda dari mekanisme di Antarktika Timur. Di Antarktika Timur, pencampuran vertikal memainkan peran awal dan berkelanjutan, sedangkan di Antarktika Barat, pencampuran vertikal hanya berkontribusi pada pemanasan pada tahun-tahun tertentu (2018, 2021, dan 2022). Selain itu, tidak seperti Antarktika Timur, fluks gelombang pendek di Antarktika Barat menunjukkan anomali negatif bahkan selama periode tutupan es laut yang berkurang secara tidak normal, seperti musim panas 2016/17 dan 2019/20. Sementara itu, komponen fluks permukaan lainnya menunjukkan anomali positif. Pola ini mengindikasikan pemanasan akibat berkurangnya kehilangan panas melalui radiasi gelombang panjang di Antarktika Barat, yang kontras dengan Antarktika Timur di mana penurunan es laut selalu bertepatan dengan peningkatan fluks gelombang pendek dan anomali negatif fluks permukaan lainnya.

Untuk memeriksa komponen fluks panas permukaan lebih lanjut, kami menganalisis ERA5 untuk wilayah lepas pantai Antarktika Timur dan Barat. Hasilnya (Gbr. 4) konsisten dengan pola yang diamati dalam SOSE (Gbr. 3). Di Antarktika Timur, periode penguatan SIE umumnya berkaitan dengan anomali negatif fluks gelombang pendek: selama periode SIE tinggi (anomali positif), anomali rata-rata temporal adalah −0,3 W/m² untuk gelombang pendek dan 0,1 W/m² untuk fluks gelombang panjang. Sebaliknya, selama periode SIE berkurang (anomali negatif), fluks gelombang pendek umumnya menunjukkan anomali positif (pemanasan), sementara fluks gelombang panjang umumnya menunjukkan anomali negatif, dengan rata-rata masing-masing 0,19 dan −0,06 W/m² (Gbr. 4A).

Namun, di Antarktika Barat, penurunan SIE tidak selalu berkaitan dengan anomali fluks gelombang pendek yang positif. Selama periode SIE rendah seperti musim panas 2016/17 dan 2019/20, fluks gelombang pendek menunjukkan anomali negatif (kecenderungan pendinginan), sementara fluks gelombang panjang menunjukkan anomali positif (Gbr. 4C). Anomali rata-rata temporal fluks gelombang pendek dan panjang selama musim panas ini masing-masing adalah −0,46 dan 0,14 W/m². Sinyal-sinyal ini berkaitan dengan peningkatan tutupan awan di wilayah tersebut (garis biru putus-putus; Gbr. 4C), konsisten dengan penelitian sebelumnya (22, 33). Penelitian-penelitian tersebut mengaitkan peningkatan tutupan awan dengan adveksi udara subtropis yang hangat dan lembab ke arah kutub, yang digerakkan oleh pola ZW3 yang menguat.

Di Antartika Timur Daya, total fluks panas menunjukkan anomali positif pendek pada awal-pertengahan 2013, pertengahan 2016, dan dari pertengahan 2021 hingga 2023 (Gambar 4B). Sebaliknya, di Antartika Barat Daya, total fluks panas menunjukkan anomali hangat di awal dan selama periode yang lebih berkelanjutan dari 2014 hingga akhir 2016, dan sekali lagi dari pertengahan 2018 hingga awal 2020, dan pada 2023 (Gambar 4D).

Anomali hangat juga jelas dalam fluks permukaan bersih tahun 2023 (Gambar 4D), melanjutkan kembali pemanasan lautan bagian atas di Antartika Barat Daya (Gambar 3D). Dalam analisis anggaran es laut sebelumnya, kami menunjukkan ketidaksesuaian antara SOSE dan observasi pada 2022 dan 2023, di mana SOSE tidak menangkap penurunan es laut yang diamati. Namun, anggaran panas menunjukkan bahwa SOSE mensimulasikan pelanjutan pemanasan lautan bagian atas selama periode ini. Hal ini menunjukkan bahwa kehilangan es laut mungkin akan menyusul pada akhirnya. Ini menunjukkan kemungkinan penundaan dalam respons es laut SOSE terhadap pemanasan lautan, daripada ketidaksesuaian fundamental dengan tren yang diamati.

Perubahan Salinitas dan Stratifikasi Lautan Bagian Atas Samudra Selatan

Karena transport vertikal panas terbukti menjadi pendorong penting dari pemanasan lautan bagian atas, kami sekarang beralih ke proses yang mengendalikan stratifikasi lautan bagian atas. Dalam Samudra Selatan subantarktik, stratifikasi terutama ditetapkan oleh salinitas (53). Oleh karena itu, kami memulai dengan meninjau anggaran salinitas untuk mengidentifikasi mekanisme yang mengatur perubahan stratifikasi.

Lautan bagian atas di Antartika Timur Daya menunjukkan anomali air tawar dari 2013 hingga 2015 (Gambar S7). Setelah itu, lautan bagian atas lokal mengalami pengaringan (Gambar 5A) dan menyesuaikan peningkatan konten panas lautan bagian atas. Sebagian dari pengaringan awal kemungkinan besar mencerminkan peningkatan ekspor ekuator dan peleburan es laut (11), dan pengaringan berikutnya sejalan dengan penurunan transport es laut. Dalam diskusi berikutnya, kami menunjukkan bahwa pengaringan lautan bagian atas dipicu oleh pencampuran naik panas dan salinitas, dengan kontribusi lebih lanjut dari penurunan pembentukan es laut dan peleburan dan ekspor ekuator yang terkait.

Namun, di Antartika Barat Daya, tren peningkatan yang terlihat di Antartika Timur Daya tidak muncul. Sebaliknya, salinitas di atas landas kontinen Antartika Barat Daya mencapai puncak pada 2015 dan 2016, kemudian mengalami pengaringan, disertai dengan penguatan stratifikasi terkait. Pengaringan dan penguatan stratifikasi lebih jelas di atas landas kontinen Antartika Barat Daya, sedangkan di luar landas kontinen Antartika Barat Daya mengalami pengaringan yang sedang selama 2019–2023 dan menunjukkan penguatan stratifikasi terkait.

Anggaran Salinitas di Luar Landas Kontinen Antartika Timur Daya

Kami sekarang meninjau salinitas rata-rata spasial dan istilah anggaran terkait untuk mendiagnosis penyebab pengaringan di atas Antartika Timur Daya dan pengaringan di atas Antartika Barat Daya. Pengaringan salinitas lapisan dekat permukaan Antartika Timur Daya dikaitkan dengan penurunan stratifikasi lautan bagian atas (Δσ; didefinisikan sebagai perbedaan kepadatan potensial pada kedalaman 240 m dan 0 m), mencapai nilai minimum pada 2023 (Gambar 5A). Peningkatan salinitas lautan bagian atas awalnya dipimpin oleh istilah adveksi vertikal (garis abu-abu; Gambar 5C dan Gambar S8C), yang menunjukkan anomali positif antara 2013 dan 2016. Istilah ini mencerminkan aliran naik air dengan salinitas tinggi, menunjukkan pemangkasan lapisan CDW yang berkontribusi pada peningkatan salinitas di atas 100 m. Pencampuran vertikal juga menunjukkan anomali positif di luar landas kontinen Antartika Timur Daya selama 2015 dan 2016 (garis biru pada Gambar 5C). Adveksi horizontal juga berkontribusi pada pengaringan di luar landas kontinen Antartika Timur Daya selama 2015–2016. Oleh karena itu, sebelum 2016, istilah adveksi dan difusi keduanya memainkan peran dalam meningkatkan transfer vertikal dan horizontal salinitas. Kami akan membahas pendorong yang paling mungkin dari jalur pengaringan ini di bagian berikutnya.

Meskipun difusi vertikal dan adveksi vertikal keduanya memberikan kontribusi penting pada anggaran salinitas, dalam anggaran panas difusi vertikal mendominasi dan adveksi vertikal memainkan peran yang lebih kecil. Perbedaan ini terjadi karena gradien suhu vertikal sekitar 1–2 pesanan besaran lebih besar daripada gradien salinitas yang sesuai (Gambar S10).

Istilah fluks permukaan di atas luar landas kontinen Antartika Timur Daya menunjukkan anomali positif selama 2013–2014, anomali negatif selama 2015–2016, dan anomali positif setelah 2016. Pola ini sesuai dengan anomali SIP di atas luar landas kontinen Antartika Timur Daya (Gambar 2F), menunjukkan bahwa anomali fluks permukaan didorong oleh variasi pembentukan es laut dan transport. Anomali positif pada 2013–2014 mencerminkan SIP yang ditingkatkan, yang meningkatkan salinitas melalui pelepasan salinitas. Sebaliknya, anomali negatif pada 2015–2016 sejalan dengan SIP yang berkurang, menghasilkan pengaringan lautan bagian atas. Terakhir, anomali positif setelah 2016 sesuai dengan penurunan transport air tawar berasal es laut menuju ekuator (dibahas lebih lanjut di bagian "Sintesis"). Fluks permukaan dan SIP memiliki korelasi 0,68, dengan interval kepercayaan 95% adalah [0,64, 0,72] (di seluruh makalah ini, angka dalam tanda kurung menunjukkan interval kepercayaan 95% dari korelasi dengan musiman dan tren dihilangkan setelah koreksi autokorelasi). Pengaringan lautan bagian atas bersumber dari kedua pengurangan rilis salinitas dan peningkatan ekspor es laut dari landas kontinen Antartika Timur Daya, yang meleleh selama musim panas untuk mengendapkan air tawar di wilayah di luar landas kontinen.

Anggaran Salinitas di Luar Landas Kontinen Antartika Barat Daya

Salinitas lautan bagian atas di atas Antartika Barat Daya tidak menunjukkan tren peningkatan yang terlihat di atas Antartika Timur Daya. Sebaliknya, salinitas di atas landas kontinen Antartika Barat Daya mencapai puncak pada 2015 dan 2016, kemudian mengalami pengaringan, disertai dengan penguatan stratifikasi terkait. Pengaringan dan penguatan stratifikasi lebih jelas di atas landas kontinen Antartika Barat Daya, sedangkan di luar landas kontinen Antartika Barat Daya mengalami pengaringan yang sedang selama 2019–2023 dan menunjukkan penguatan stratifikasi terkait.

Pengaringan Antartika Barat Daya dijelaskan oleh anomali negatif yang berkelanjutan dari istilah adveksi vertikal di luar landas kontinen Antartika Barat Daya (Gambar 5D) dari 2015–2021 dan di landas kontinen Antartika Barat Daya (Gambar S8D) dari 2017–2019. Mulai dari 2020 dan berlanjut hingga 2023, istilah adveksi vertikal menunjukkan tanda-tanda penguatan di kedua wilayah landas kontinen dan di luar landas kontinen Antartika Barat Daya.

Tegangan Permukaan Paksa pada Perubahan Salinitas dan Stratifikasi

Untuk mengevaluasi pendorong dari perubahan salinitas lautan bagian atas dan stratifikasi yang membentuk evolusi es laut, kami meninjau kembali istilah adveksi vertikal dan horizontal dari anggaran salinitas dan membandingkannya dengan tegangan permukaan SOSE. Tegangan permukaan pada laut mencerminkan efek gabungan dari angin dan drift es laut. Adveksi salinitas vertikal diharapkan merespons pemompaan Ekman yang didorong oleh keriting tegangan permukaan, dan adveksi salinitas meridional lautan bagian atas diharapkan merespons tegangan meridional (54). Analisis ini dibatasi pada wilayah di luar landas kontinen Antartika Timur Daya dan Antartika Barat Daya. Saat menghitung keriting tegangan, vektor tegangan permukaan penuh (zonal dan meridional) dipertimbangkan, dan anomali tegangan meridional dihitung hanya menggunakan nilai positif (timur laut). Pendekatan ini setara dengan menggunakan masker spasial yang memilih tegangan timur laut yang mendorong angin barat dan adveksi Ekman ke utara, yang merupakan mekanisme yang diusulkan sebagai pendorong kehilangan es laut (18).

Seperti yang diharapkan, selama periode penguatan sirkulasi dalam tegangan permukaan (∇ × τ negatif; Gambar 6B), komponen fluks garam vertikal menunjukkan nilai positif yang tidak biasa (garis abu-abu pada Gambar 6A). Sebaliknya, selama periode pelemahan sirkulasi dalam tegangan permukaan (∇ × τ positif; Gambar 6B), komponen fluks vertikal menunjukkan nilai negatif. SOSE mengungkapkan asimetri zonal dalam kolom tegangan: Antartika Timur mengalami penguatan sirkulasi dari tahun 2013 hingga 2017, diikuti oleh pelemahan, sedangkan Antartika Barat menunjukkan sirkulasi yang lemah dari tahun 2014 hingga 2017, diikuti oleh penguatan. Asimetri zonal dalam kolom tegangan permukaan ini sesuai dengan asimetri fluks vertikal yang serupa antara Antartika Timur dan Barat dari pertengahan tahun 2021 hingga 2023. Fluks garam vertikal di Antartika Timur memiliki korelasi −0.26 [−0.33, −0.19] dengan kolom tegangan permukaan, sedangkan di Antartika Barat memiliki korelasi −0.28 [−0.35, −0.21]. Kami mencatat di sini bahwa pompa Ekman dan fluks garam vertikal terkait melalui sirkulasi skala besar, tetapi tren mereka tidak selalu harus konsisten (Gambar 6). Pompa Ekman mencerminkan kecepatan vertikal yang disebabkan oleh curl tegangan angin permukaan, sedangkan fluks garam vertikal bergantung pada kecepatan vertikal ini dan gradien garam vertikal lokal.

Asimetri zonal juga ditemukan dalam intensitas stres zonal di atas Antartika Timur dan Barat. Kedua wilayah menunjukkan penguatan antara tahun 2014–2016 dan 2020–2023 (Gambar 6B). Namun, stres meridional biasanya lebih kuat di Antartika Timur antara tahun 2014–2016, sedangkan di Antartika Barat lebih kuat antara tahun 2020–2023. Komponen fluks horizontal di Antartika Timur dan Barat berkorelasi dengan variasi waktu stres meridional, menunjukkan bahwa adveksi Ekman menggerakkan anomali fluks garam horizontal di lapisan atas laut. Fluks garam horizontal di Antartika Timur memiliki korelasi yang relatif kuat dengan stres meridional zonal 0.62 [0.57, 0.67], sedangkan di Antartika Barat memiliki korelasi yang relatif lemah 0.12 [0.05, 0.19]. Sekali lagi, kami mencatat bahwa adveksi Ekman tidak sepenuhnya menjelaskan fluks garam horizontal. Proses lain seperti variasi volatilitas tekanan rendah yang disebabkan angin (55) dan perubahan sirkulasi (31) juga dapat berkontribusi.

Untuk memahami hasil ini dalam konteks perubahan iklim Antartika selama beberapa dekade, kami menganalisis medan angin ERA5 (rata-rata bulanan pada 10 m di atas permukaan laut) untuk wilayah lepas pantai benua Antartika Timur dan Barat dari tahun 1970 hingga 2023 (Gambar 6C). Komponen "WANT: u" dan "EANT: u" hanya mempertimbangkan komponen meridional angin zonal. Curl angin dan angin barat dihitung sebagai anomali terhadap rata-rata bulanan, dengan menggunakan rata-rata bergerak 10 tahun untuk menangkap variabilitas jangka panjang. Antartika Selatan mengalami penguatan curl angin jangka panjang di Antartika Timur dan Barat. Selain itu, angin barat menunjukkan tren positif yang berkelanjutan, mencapai ukuran maksimum antara tahun 2010–2023. Tren jangka panjang angin ini menunjukkan penguatan proses yang mengarahkan transportasi panas dan garam ke atas dari lapisan laut bawah.

Sintesis (Synthesis)

Perubahan SIE Antartika, oseanografi lapisan atas, dan perubahan stratifikasi yang didokumentasikan pada bagian sebelumnya dapat disintesis menjadi tiga periode yang jelas: P1 (pertengahan tahun 2013 hingga 2014), P2 (2015–2017), dan P3 (2018–2023). Periode ini dipilih berdasarkan evolusi waktu wilayah lepas pantai benua Antartika Timur, kontributor utama perubahan SIV total Antartika (Gambar 2B).

Selama periode P1, lapisan atas laut menunjukkan anomali garam positif di sebagian besar Antartika Timur, sedangkan wilayah Antartika Barat menunjukkan anomali garam negatif (Gambar 7; P1-garam). Selama periode P2, ukuran anomali ini secara umum berkurang. Periode P3 dicirikan oleh anomali garam positif di Antartika Timur dan anomali garam negatif di Antartika Barat. Anomali garam dan garam terkait dengan stratifikasi lapisan atas yang berkurang dan diperkuat masing-masing.

Selama periode P1 (sebelum tahun 2015), satu-satunya istilah anggaran yang menunjukkan anomali positif (pencairan) di seluruh Antartika Selatan adalah istilah fluks vertikal (Gambar 7; P1-fluksvertikal). Istilah fluks permukaan menunjukkan anomali positif di sebagian besar wilayah, kecuali Laut Ross, Laut Amundsen, dan Laut Bellingshausen lepas pantai benua, serta Laut Weddell Timur. Anomali fluks permukaan positif ini konsisten dengan peningkatan pelepasan garam akibat penguatan SIP selama periode ini.

Periode P2 (2015–2017) dicirikan oleh hilangnya es laut dan peningkatan garam di lapisan atas laut di sebagian besar Antartika Timur. Istilah fluks vertikal terus mencairkankan lapisan atas laut di wilayah luas Antartika Timur selama periode ini, yang konsisten dengan penguatan sirkulasi dalam tegangan permukaan. Fluks permukaan menunjukkan tren perairan tawar di dekat tepi es laut, konsisten dengan peningkatan impor es laut dari benua dan peleburan berikutnya di laut lepas. Fluks permukaan juga menunjukkan tren pencairan di dalam paket es laut di Antartika Timur. Secara umum, adveksi Ekman (komponen fluks horizontal) mengangkut air yang lebih dingin dan tawar ke utara dari wilayah berlatitud tinggi. Namun, selama periode P2, adveksi horizontal meningkatkan garam di sepanjang tepi utara wilayah lepas pantai benua, sedangkan di wilayah selatan menunjukkan tren perairan tawar, sebagian membatalkan fluks permukaan. Pola ini terjadi bersama dengan anomali stres permukaan meridional positif di Antartika Timur dan anomali negatif yang kuat di Antartika Barat selama tahun 2016. Periode P2 juga dicirikan oleh peningkatan difusi vertikal (Gambar 7; P2-difusivertikal) di sebagian besar Antartika Selatan, yang kemungkinan besar terkait dengan penguatan tegangan permukaan dan dapat mempromosikan pencampuran vertikal.

▶ Sumber asli: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb0166