I ricercatori della Brown University hanno scoperto come i modelli oceanici ad alta risoluzione simulano la dissipazione della turbolenza nell'oceano globale. La loro ricerca, pubblicato in Lettere di revisione fisica , potrebbe essere utile nello sviluppo di nuovi modelli climatici che catturino meglio le dinamiche oceaniche.

Lo studio si è concentrato su una forma di turbolenza nota come vortici su mesoscala, vortici oceanici su una scala da decine a centinaia di chilometri che durano da un mese a un anno. Questi tipi di vortici possono staccarsi da forti correnti di confine come la Corrente del Golfo, o forma dove entrano in contatto flussi d'acqua di diversa temperatura e densità.

"Puoi pensare a questi come al tempo dell'oceano, " disse Baylor Fox-Kemper, coautore dello studio e professore associato presso il Dipartimento della Terra di Brown, Scienze ambientali e planetarie. "Come tempeste nell'atmosfera, questi vortici aiutano a distribuire l'energia, calore, salinità e altre cose intorno all'oceano. Quindi capire come dissipano la loro energia ci dà un'immagine più accurata della circolazione oceanica".

La teoria tradizionale su come la turbolenza su piccola scala dissipa l'energia afferma che quando un vortice si estingue, trasmette la sua energia a scale sempre più piccole. In altre parole, grandi vortici decadono in vortici sempre più piccoli fino a quando tutta l'energia non viene dissipata. È una teoria consolidata che fa previsioni utili ampiamente utilizzate nella fluidodinamica. Il problema è che non si applica ai vortici su mesoscala.

"Questa teoria si applica solo ai vortici nei sistemi tridimensionali, " ha detto Fox-Kemper. "I vortici mesoscala sono sulla scala di centinaia di chilometri di diametro, eppure l'oceano è profondo solo quattro chilometri, che li rende essenzialmente bidimensionali. E sappiamo che la dissipazione funziona in modo diverso in due dimensioni rispetto a tre".

Piuttosto che rompersi in vortici sempre più piccoli, Fox-Kemper dice, vortici bidimensionali tendono a fondersi in quelli sempre più grandi.

"Lo puoi vedere se trascini il dito molto delicatamente su una bolla di sapone, " ha detto. "Lasci dietro questa striscia vorticosa che diventa sempre più grande nel tempo. I vortici su mesoscala nell'oceano globale funzionano allo stesso modo".

Questo trasferimento di energia di alto livello non è così ben compreso matematicamente come la dissipazione di basso livello. Questo è ciò che Fox-Kemper e Brodie Pearson, un ricercatore alla Brown, voluto fare con questo studio.

Hanno usato un modello oceanico ad alta risoluzione che ha dimostrato di fare un buon lavoro nell'abbinare le osservazioni satellitari dirette del sistema oceanico globale. L'alta risoluzione del modello significa che è in grado di simulare vortici dell'ordine di 100 chilometri di diametro. Pearson e Fox-Kemper volevano esaminare in dettaglio come il modello trattava la dissipazione dei vortici in termini statistici.

"Abbiamo eseguito cinque anni di circolazione oceanica nel modello, e abbiamo misurato lo smorzamento dell'energia in ogni punto della rete per vedere quali sono le statistiche, ", ha detto Fox-Kemper. Hanno scoperto che la dissipazione segue quella che è nota come distribuzione lognormale, quella in cui una coda della distribuzione domina la media.

"C'è la vecchia barzelletta che se hai 10 persone normali in una stanza e Bill Gates entra, tutti si arricchiscono in media di un miliardo di dollari—questa è una distribuzione lognormale, " ha detto Fox-Kemper. "Ciò che ci dice in termini di turbolenza è che il 90 percento della dissipazione avviene nel 10 percento dell'oceano".

Fox-Kemper ha notato che anche la dissipazione verso il basso dei vortici 3-D segue una distribuzione lognormale. Quindi, nonostante la dinamica inversa, "c'è una trasformazione equivalente che consente di prevedere la lognormalità in entrambi i sistemi 2-D e 3-D."

I ricercatori affermano che questa nuova intuizione statistica sarà utile nello sviluppo di simulazioni oceaniche a grana più grossa che non sono così costose dal punto di vista computazionale come quella utilizzata in questo studio. Utilizzando questo modello, ci sono voluti i ricercatori due mesi utilizzando 1, 000 processori per simulare appena cinque anni di circolazione oceanica.

"Se vuoi simulare centinaia o migliaia o anni, o se vuoi qualcosa che puoi incorporare in un modello climatico che combini le dinamiche oceaniche e atmosferiche, hai bisogno di un modello più grossolano o è solo computazionalmente intrattabile, " disse Fox-Kemper. "Se comprendiamo le statistiche di come si dissipano i vortici su mesoscala, potremmo essere in grado di cuocerli nei nostri modelli a grana più grossa. In altre parole, we can capture the effects of mesoscale eddies without actually simulating them directly."

The results could also provide a check on future high-resolution models.

"Knowing this makes us much more capable of figuring out if our models are doing the right thing and how to make them better, " Fox-Kemper said. "If a model isn't producing this lognormality, then it's probably doing something wrong."