Figura 1. "La notte stellata" di Van Gogh e l'"Oceano perpetuo" creato dal Goddard Space Flight Center della NASA. Credito:The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Un team di ricerca KAIST ha riportato alcune delle caratteristiche uniche e delle forze trainanti dietro la turbolenza geofisica submesoscala. L'utilizzo dell'analisi dei big data sulle correnti superficiali oceaniche e sulle concentrazioni di clorofilla osservate utilizzando radar e satelliti costieri ha portato a una migliore comprensione dei processi oceanici su scale spaziali e temporali di O (1) chilometro e O (1) ora. I risultati di questo lavoro porteranno a un migliore monitoraggio dei materiali a base d'acqua e alle prestazioni nei modelli di previsione del clima globali e regionali.
Nel 2012, La National Aeronautics and Space Administration (NASA) degli Stati Uniti ha pubblicato un filmato intitolato "Perpetual Oceans, " che visualizzava la circolazione oceanica ottenuta da osservazioni dell'altezza della superficie del mare derivate dall'altimetro satellitare nell'arco di due anni e mezzo. Quando il film è stato rilasciato al pubblico, ha ricevuto molta attenzione perché i modelli di circolazione erano sorprendentemente simili a "La notte stellata" di Vincent van Gogh.
"Perpetual Oceans" è pieno di modelli di flusso vorticoso che descrivono i moti turbolenti oceanici su mesoscala (una scala di 100 km o più). Nel frattempo, Il professor Sung Yong Kim del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e il suo team si sono concentrati sullo studio della turbolenza oceanica su scala sub-mesoscala (scale spaziali e temporali da 1 a 100 km e ore).
I processi sub-mesoscala sono importanti perché contribuiscono al trasporto verticale di traccianti oceanici, messa, galleggiabilità, e nutrienti e rettificare sia la struttura dello strato misto che la stratificazione dell'oceano superiore. Questi studi di processo sono stati principalmente basati su simulazioni numeriche perché le tradizionali misurazioni oceaniche in situ possono essere limitate nella loro capacità di risolvere le strutture orizzontali e verticali dettagliate di questi processi.
Figura 2. Un diagramma schematico delle cascate di energia in avanti e indietro e la scala spaziale in cui viene iniettata l'energia. Credito:The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Il team ha condotto un'analisi di big data su osservazioni orarie di mappe di correnti superficiali oceaniche di un anno e mappe di concentrazione di clorofilla di cinque anni, ottenuti da strumenti di telerilevamento come i radar ad alta frequenza (HFR) costieri e le immagini geostazionarie oceaniche a colori (GOCI) per esaminare le caratteristiche uniche dei processi oceanici sottomesoscala.
Il team ha analizzato il cambiamento di pendenza degli spettri di energia del numero d'onda delle osservazioni in termini di stagione e direzioni di campionamento. Attraverso l'analisi, il team ha dimostrato che la cascata di energia (un fenomeno in cui l'energia su larga scala si trasferisce a energia su piccola scala o viceversa durante il transito di energia turbolenta) si verifica nella scala spaziale di 10 km nelle direzioni avanti e inversa. Questo è guidato dall'instabilità baroclina rispetto alla frontogenesi guidata da vortici su mesoscala alla scala O(100) km basata sulle circolazioni regionali sottomesoscala osservate.
Questo lavoro contribuirà alla parametrizzazione del fenomeno fisico della sub-mesoscala nel campo della modellazione globale ad alta risoluzione nell'ambito della fisica degli oceani e dei cambiamenti atmosferici e climatici. Sulla base della comprensione del principio della circolazione superficiale sub-mesoscala, applicazioni pratiche possono essere ulteriormente derivate per la radioattività, recupero delle fuoriuscite di petrolio, e monitoraggio degli inquinanti marini.
Figura 3. Un'istantanea della mappa della concentrazione di clorofilla derivata da immagini geostazionarie oceaniche a colori (GOCI) al largo della costa orientale della Corea che presenta diversi esempi di flussi turbolenti sub-mesoscala. Credito:The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Inoltre, i dati utilizzati in questa ricerca si basavano su osservazioni a lungo termine sulle correnti superficiali sub-mesoscala e sulle concentrazioni di clorofilla, che possono riflettere i processi submesoscala generati attivamente nel fronte subpolare al largo della costa orientale della Corea. Quindi, questo studio può potenzialmente essere utile per analisi integrate di big data utilizzando correnti superficiali derivate da radar costieri ad alta risoluzione e prodotti derivati da satelliti e motivare la ricerca interdisciplinare tra la fisica e la biologia degli oceani.
Questa ricerca è stata pubblicata come due articoli complementari nel Journal of Geophysical Research:Oceans il 6 agosto 2018.
Figura 4. Spettri energetici delle correnti superficiali derivate dall'HFR e dalle concentrazioni di clorofilla derivate dal GOCI e la variabilità temporale delle pendenze di decadimento spettrale nelle direzioni cross-shore e long-shore. Credito:The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
