DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2025.1566852
تاريخ النشر: 2025-05-15
المؤلف: Olga Luengo-S وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات المحيطية والجوية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة أنماط درجة حرارة مياه البحر في محطات LIVMAR و DECMAR المحيطية على جزيرتي ليفينغستون وديبشن في القارة القطبية الجنوبية من 2015 إلى 2024. تركز على التغيرات الموسمية، والاتجاهات طويلة الأمد، وتأثير الميزات الجيوفيزيائية المحلية، مثل النشاط البركاني وذوبان الجليد. تكشف التحليلات عن انخفاض في درجات الحرارة الدنيا على مدار العقد، حيث لم تسجل DECMAR درجات حرارة تحت الصفر في الشتاءين الماضيين. تظهر كلا الموقعين موسمية واضحة، مع ذروات صيفية أعلى في DECMAR تُعزى إلى النشاط البركاني، الذي يقدم شذوذ حراري وتنوع في أنماط درجات الحرارة. بالمقابل، تشهد LIVMAR انخفاضات في درجات الحرارة في الشتاء بشكل مبكر وأكثر تنوعًا، متأثرة بإدخال المياه العذبة من نهر جليدي جونسون.
تشير النتائج إلى اتجاه عام نحو ارتفاع درجات حرارة مياه البحر والهواء، متسقة مع أنماط تغير المناخ العالمية. ومن الجدير بالذكر أن تكرار أحداث درجات الحرارة المنخفضة الشديدة انخفض بين 2020 و2022، تزامنًا مع النشاط البركاني في مضيق برانسفيلد. تبرز الدراسة التفاعل المعقد بين التأثيرات المناخية الإقليمية والعمليات الجيوفيزيائية المحلية، مما يبرز الحاجة إلى المراقبة المستمرة لفهم التفاعلات بين تغير المناخ والنشاط الجيولوجي في الأنظمة القطبية. بشكل عام، تسهم هذه الأبحاث في فهم أعمق للديناميات الحرارية القطبية، مع تداعيات على كل من الدراسات المناخية والجيوفيزيائية.
مقدمة
شهد المحيط الجنوبي تغييرات كبيرة في العقود الأخيرة، حيث امتص حرارة كبيرة مرتبطة بتغير المناخ، والتي تم تخزينها في كتل المياه تحت السطحية. شهدت شبه جزيرة القارة القطبية الجنوبية الغربية، التي تم تحديدها كنقطة ساخنة للاحتباس الحراري، زيادة في درجات حرارة الغلاف الجوي بمقدار 0.54 درجة مئوية خلال القرن العشرين، إلى جانب اتجاه تبريد طفيف من 2000 إلى 2010. ارتفعت درجات الحرارة تحت السطحية في هذه المنطقة بمقدار يصل إلى 1 درجة مئوية بين التسعينيات والألفينيات. يتميز مضيق برانسفيلد، وهو منطقة شبه مغلقة من المحيط الجنوبي، بتيار برانسفيلد (BC)، وهو تيار باروكيني قوي يتأثر بتدفق المياه العذبة ومصدرين مائيين متميزين: مياه بيلينغسهاوزن الانتقالية (TBW) ومياه ويديل الانتقالية (TWW). يشكل تفاعل هذه الكتل المائية الجبهة شبه الجزيرة (PF) ويرتبط بنظام دوامات مضادة.
تهدف هذه الدراسة إلى تحليل ديناميات درجة حرارة مياه البحر حول جزيرة ديبشن وجزيرة ليفينغستون ضمن أرخبيل شيتلاند الجنوبية، باستخدام مجموعة بيانات تمتد لعقد من الزمن. ستستكشف التغيرات الزمنية في درجة حرارة مياه البحر وتقييم تأثيرات النشاط البركاني، والعمليات الجيو ديناميكية، والعوامل المناخية على التغيرات الحرارية في المياه القطبية الجنوبية. من المتوقع أن تعزز النتائج الفهم للتأثيرات المحلية والإقليمية على درجة حرارة مياه البحر، مما يساهم في المعرفة الأوسع لتأثيرات المناخ في المناطق القطبية.
طرق البحث
في هذا القسم، يتم تفصيل المنهجية المستخدمة لتحليل سلسلة درجات الحرارة السنوية. تتضمن الخطوة الأولية دمج البيانات لإنشاء مجموعة بيانات مستمرة، تليها تحليلات وصفية وتحليلية. يتم حساب متوسطات درجات الحرارة الشهرية لتعزيز فهم الاتجاهات الموسمية. تستخدم التحليلات إجراء تحليل الموسمية والاتجاهات بناءً على LOESS (STL)، الذي يقوم بتفكيك السلسلة الزمنية إلى ثلاثة مكونات: الاتجاه، والموسمية، والبقايا. هذه التقنية التكرارية قوية ضد القيم الشاذة العابرة وتستخدم تنعيم LOESS لتقدير المكونات، وتكريرها من خلال مرحلتين – داخلية وخارجية – حتى يتم تحقيق التقارب.
تبدأ طريقة STL بتقدير المكون الموسمي من خلال تنعيم LOESS للبيانات المجمعة حسب المؤشرات الموسمية. ثم يتم طرح هذا المكون من البيانات الأصلية لعزل دورة الاتجاه الأولية، التي يتم تنعيمها بشكل أكبر لاشتقاق الاتجاه. يتم حساب البقايا عن طريق إزالة كل من الاتجاه والمكونات الموسمية من مجموعة البيانات الأصلية. تم تعديل تنفيذ هذا التفكيك من برنامج R تم تطويره بواسطة هافن (2016)، بناءً على المنهجية الموضحة بواسطة كليفلاند وآخرين (1990). بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم التشابه بين سلسلتي DECMAR/LIVMAR و GdC/JCI باستخدام خطأ الجذر التربيعي المتوسط (RMSE) ومعامل الارتباط لبيرسون (r).
مناقشة
تكشف الأبحاث التي أجريت في مضيق برانسفيلد، وخاصة حول جزيرتي ديبشن وليفينغستون، عن رؤى مهمة حول التعقيدات الجيو ديناميكية وتغيرات درجات الحرارة المتأثرة بالنشاط البركاني المحلي. تبرز الدراسة أن جزيرة ديبشن، وهي بركان نشط، تظهر درجات حرارة مياه أعلى، تصل إلى 3.69 درجة مئوية، مقارنةً بحد أقصى لجزيرة ليفينغستون يبلغ 2.59 درجة مئوية. يُعزى هذا التباين في درجات الحرارة إلى التسخين الجيولوجي من الصهارة تحت البحر، وهو واضح بشكل خاص خلال أشهر الصيف الأسترالية. ومن الجدير بالذكر أن عام 2012 شهد شذوذات حرارية في جزيرة ديبشن مرتبطة بالنشاط البركاني، مما يظهر التأثير العميق للعمليات الجيوفيزيائية المحلية على درجات حرارة مياه البحر.
تشير تحليل بيانات درجات الحرارة من 2011 إلى 2025 إلى نمط موسمي واضح، مع ذروات في الصيف وانخفاضات في الشتاء، متسقة مع الدراسات السابقة. تكشف البيانات أيضًا عن اتجاه لزيادة درجات الحرارة على مر السنين، مع ارتفاع ملحوظ قدره 0.42 درجة مئوية في جزيرة ديبشن و0.28 درجة مئوية في جزيرة ليفينغستون. علاوة على ذلك، تم ربط النشاط التكتوني الكبير، وخاصة حول بركان أوركا تحت البحر، بتقلبات درجات الحرارة الملحوظة في كلا الجزيرتين. تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين النشاط البركاني، والحركات التكتونية، والظروف المحيطية في تشكيل الديناميات الحرارية لهذه المنطقة القطبية الجنوبية الفريدة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2025.1566852
Publication Date: 2025-05-15
Author(s): Olga Luengo-S et al.
Primary Topic: Oceanographic and Atmospheric Processes
Overview
This study examines seawater temperature patterns at the LIVMAR and DECMAR oceanographic stations on Livingston and Deception Islands in Antarctica from 2015 to 2024. It focuses on seasonal variations, long-term trends, and the influence of local geophysical features, such as volcanic activity and glacial melt. The analysis reveals a decrease in minimum temperatures over the decade, with DECMAR not recording temperatures below freezing in the last two winters. Both locations exhibit pronounced seasonality, with higher summer peaks at DECMAR attributed to volcanic activity, which introduces thermal anomalies and variability in temperature patterns. In contrast, LIVMAR experiences earlier and more variable temperature drops during winter, influenced by freshwater input from the Johnson Glacier.
The findings indicate a general upward trend in seawater and air temperatures, consistent with global climate change patterns. Notably, the frequency of extreme low-temperature events decreased between 2020 and 2022, coinciding with volcanic activity in the Bransfield Strait. The study highlights the complex interplay between regional climatic influences and local geophysical processes, emphasizing the need for ongoing monitoring to understand the interactions between climate change and geological activity in polar systems. Overall, this research contributes to a deeper understanding of polar thermal dynamics, with implications for both climate and geophysical studies.
Introduction
The Southern Ocean has experienced significant changes in recent decades, notably absorbing substantial heat related to climate change, which has been stored in subsurface water masses. The western Antarctic Peninsula, identified as a warming hotspot, has seen an increase in atmospheric temperatures by 0.54°C during the 20th century, alongside a minor cooling trend from 2000 to 2010. Subsurface temperatures in this region have risen by up to 1°C between the 1990s and 2000s. The Bransfield Strait, a semi-enclosed area of the Southern Ocean, is characterized by the Bransfield Current (BC), a strong baroclinic current influenced by freshwater runoff and two distinct water sources: Transitional Bellingshausen Water (TBW) and Transitional Weddell Water (TWW). The interaction of these water masses forms the Peninsular Front (PF) and is associated with an anticyclonic eddy system.
This study aims to analyze seawater temperature dynamics around Deception Island and Livingston Island within the South Shetland Archipelago, utilizing a decade-long dataset. It will explore the temporal variations in seawater temperature and assess the impacts of volcanic activity, geodynamic processes, and climatic factors on thermal variability in Antarctic waters. The findings are expected to enhance understanding of local and regional influences on seawater temperature, contributing to the broader knowledge of climate impacts in polar regions.
Methods
In this section, the methodology employed for analyzing annual temperature series is detailed. The initial step involves merging data to create a continuous dataset, followed by both descriptive and analytical analyses. Monthly temperature averages are computed to enhance the understanding of seasonal trends. The analysis utilizes the Seasonal and Trend decomposition procedure based on LOESS (STL), which decomposes the time series into three components: trend, seasonality, and residuals. This iterative technique is robust against transient outliers and employs LOESS smoothing to estimate the components, refining them through two stages—internal and external—until convergence is achieved.
The STL method begins by estimating the seasonal component through LOESS smoothing of data grouped by seasonal indices. This component is then subtracted from the original data to isolate a preliminary trend-cycle, which is further smoothed to derive the trend. The residuals are calculated by removing both the trend and seasonal components from the original dataset. The implementation of this decomposition was adapted from an R program developed by Hafen (2016), based on the methodology outlined by Cleveland et al. (1990). Additionally, the similarity between the DECMAR/LIVMAR and GdC/JCI series was assessed using the Root Mean Squared Error (RMSE) and Pearson’s correlation coefficient (r).
Discussion
The research conducted in the Bransfield Strait, particularly around Deception and Livingston Islands, reveals significant insights into the geodynamic complexities and temperature variations influenced by local volcanic activity. The study highlights that Deception Island, an active volcano, exhibits higher water temperatures, peaking at 3.69°C, compared to Livingston Island’s maximum of 2.59°C. This temperature disparity is attributed to geothermal heating from submarine magma, particularly evident during the austral summer months. Notably, the year 2012 marked thermal anomalies in Deception Island linked to volcanic activity, demonstrating the profound impact of local geophysical processes on seawater temperatures.
The analysis of temperature data from 2011 to 2025 indicates a clear seasonal pattern, with peaks in summer and troughs in winter, consistent with previous studies. The data also reveal a trend of increasing temperatures over the years, with a notable rise of 0.42°C at Deception Island and 0.28°C at Livingston Island. Furthermore, significant tectonic activity, particularly around the Orca submarine volcano, has been correlated with temperature fluctuations observed in both islands. The findings underscore the intricate interplay between volcanic activity, tectonic movements, and oceanographic conditions in shaping the thermal dynamics of this unique Antarctic region.