Глубоко под поверхностью океана невидимые волны взбалтывают и перемешивают воду. Эти внутренние волны, перемещаясь между слоями воды разной температуры и плотности, поднимают холодную, богатую питательными веществами воду из глубин и играют важную роль в циркуляции океана. Понимание их поведения и моделирование имеет решающее значение для разработки более точных симуляций всё более непредсказуемого климата.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, профессор математики Ренсселарского политехнического института (RPI) Юрий В. Львов, доктор философии, и команда океанографов разработали первую в своём роде модель динамики внутренних волн, которая закладывает основу для новых, более надёжных моделей циркуляции океана.
«Считается, что внутренний, управляемый волнами вертикальный перемешивание является основной движущей силой циркуляции океана, — сказал Львов. — Оно формирует климат Земли, влияя на повышение уровня моря, потоки питательных веществ, морские экосистемы, а также антропогенное тепло и поглощение углерода».
Львов и его команда создали свою модель, используя теорию взаимодействия волн, которая описывает, как внутренние волны обмениваются энергией и перераспределяют её при взаимодействии.
«Задача учёных заключалась в том, чтобы построить точную и надёжную теорию, которая количественно и точно описывает эти процессы, — сказал Львов. — Океан слишком велик, а внутренние волны действуют в масштабах, слишком малых для того, чтобы современные глобальные модели могли точно их разрешить».
Львов и его команда применили подход, основанный на первых принципах, параметризовав физику процесса без необходимости в численном моделировании высокого разрешения. Они интерпретировали турбулентное перемешивание как поглотитель энергии в конце каскада энергии через океаническое поле внутренних волн, подпитываемое крупномасштабными силами и поддерживаемое процессами взаимодействия волн.
«Мы обнаружили хорошее соответствие между нашими количественными оценками, основанными на первых принципах, и данными наблюдений, что позволяет предположить, что мы уловили существенную динамику взаимодействия волн и их вклад в турбулентное перемешивание, — сказал Львов. — В целом мы обнаружили, что локальные взаимодействия доминируют над межмасштабными переносами энергии, а не масштабно-разнесённые».
«Новая теория предлагает физически обоснованную альтернативу существующим эмпирическим предположениям», — добавил Львов.
«Эта публикация доктора Львова и его соавторов является впечатляющим достижением, которое открывает новые пути к представлению перемешивания в моделях циркуляции океана, которые являются важнейшим компонентом климатических прогнозов», — сказал Питер Р. Крамер, доктор философии, заведующий кафедрой математических наук в RPI.
«Попытка применить математический анализ к обоснованной физической модели для объяснения и понимания данных наблюдений в реальном океане демонстрирует междисциплинарный характер исследований на нашем факультете и в Школе наук», — отметил Крамер.
Львов изучает теорию внутренних волн с момента прихода в RPI в 1999 году, и эта статья представляет собой кульминацию его работы.
«Я особенно благодарен за вклад ведущего автора Джованни Деметтеиса, который был моим докторантом во время исследования и написания статьи, а также за вклад всей этой команды талантливых и преданных своему делу учёных», — сказал Львов.
Предоставлено Ренсселарским политехническим институтом.