Математическая модель раскрывает тайны внутренних океанских волн и улучшает прогнозы климата

На этом спутниковом снимке NASA видны внутренние океанские волны у побережья Западной Австралии. Автор: NASA Earth Observatory https://earthobservatory.nasa.gov/images/87519/waves-above-and-below-the-water

Глубоко под поверхностью океана скрытые волны перемешивают водные массы. Эти внутренние волны, возникающие между слоями воды с разной температурой и плотностью, поднимают холодные, богатые питательными веществами воды с глубин и играют ключевую роль в океанической циркуляции. Понимание и моделирование их поведения крайне важно для создания более точных прогнозов изменяющегося климата.

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, профессор математики Политехнического института Ренсселера (RPI) Юрий В. Львов и команда океанографов разработали первую в своем роде модель динамики внутренних волн, которая закладывает основу для новых, более надежных моделей океанической циркуляции.

«Волновое вертикальное перемешивание считается одним из основных факторов океанической циркуляции», — пояснил Львов. «Оно влияет на климат Земли, изменяя уровень моря, потоки питательных веществ, морские экосистемы, а также поглощение тепла и углерода антропогенного происхождения».

Львов и его команда построили модель, используя теорию волновых взаимодействий, которая описывает, как внутренние волны обмениваются энергией и перераспределяют ее при взаимодействии.

«Главной проблемой для ученых было создание точной и надежной теории, количественно описывающей эти процессы», — отметил Львов. «Океан слишком велик, а внутренние волны действуют в масштабах, слишком мелких для современных глобальных моделей».

Исследователи применили подход, основанный на фундаментальных принципах, параметризуя физику процесса без необходимости в высокоточном численном моделировании. Они интерпретировали турбулентное перемешивание как поглощение энергии в конце каскада энергии через поле внутренних волн океана.

«Мы обнаружили сильное соответствие между нашими расчетами и данными наблюдений, что говорит о том, что мы смогли уловить ключевые динамические аспекты волновых взаимодействий и их вклад в турбулентное перемешивание», — подчеркнул Львов.

Питер Р. Крамер, заведующий кафедрой математических наук RPI, отметил: «Эта работа открывает новые пути для представления перемешивания в моделях океанической циркуляции, которые являются важнейшим компонентом климатических прогнозов».

Юрий Львов изучает теорию внутренних волн с 1999 года, и данная публикация стала кульминацией его многолетних исследований. Он особо поблагодарил ведущего автора Джованни Дематтеиса и всю команду ученых за их вклад в работу.

Дополнительная информация: Giovanni Dematteis et al, Interacting internal waves explain global patterns of interior ocean mixing, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51503-6