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Jul 03, 2023

A dinâmica das ondas instáveis ​​no gelo marinho

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13654 (2023) Citar este artigo 527 Acessos 7 Detalhes de métricas altmétricas As propriedades das ondas e do gelo marinho nos oceanos Ártico e Antártico estão ligadas por

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13654 (2023) Citar este artigo

527 acessos

7 Altmétrico

Detalhes das métricas

As propriedades das ondas e do gelo marinho nos oceanos Ártico e Austral estão ligadas por mecanismos de feedback, portanto a compreensão da propagação das ondas nestas regiões é essencial para modelar este componente chave do sistema climático da Terra. O efeito mais marcante do gelo marinho é a atenuação das ondas a uma taxa proporcional à sua frequência. A equação não linear de Schrödinger (NLS), um modelo fundamental para ondas oceânicas, descreve os ciclos completos de crescimento-decaimento de modos instáveis, também conhecidos como instabilidade modulacional (MI). Aqui, um NLS dissipativo (d-NLS) com atenuação característica do gelo marinho é usado para modelar a evolução de ondas instáveis. O MI no gelo marinho é preservado, no entanto, na sua forma de mudança de fase. A dissipação dependente da frequência quebra a simetria entre as bandas laterais esquerda e direita dominantes. Prevemos que este trabalho possa motivar estudos e experimentos análogos em sistemas de ondas sujeitos à atenuação de energia dependente da frequência.

O gelo marinho do Ártico e da Antártida desempenha um papel proeminente no sistema terrestre, regulando as trocas de calor e de momento em grandes escalas espaciais1,2,3,4. As propriedades do gelo marinho estão intimamente ligadas às propriedades das ondas oceânicas através de mecanismos de feedback na zona de gelo marginal (MIZ)5,6,7 que ao redor da Antártica, alimentada por intensas ondas do Oceano Antártico durante todo o ano8, se estende por centenas de quilômetros9,10,11 . A rápida evolução das regiões polares impulsionada pelas alterações climáticas12,14,14 reavivou e dinamizou as atividades de investigação na compreensão das propriedades das ondas e do feedback na MIZ7,15, incluindo na emergente MIZ do Ártico16.

Exemplo de ondas do Oceano Antártico (altura da onda \(\approx 5\) me período de pico \(\approx 12\) s) se propagando em uma MIZ composta por pequenos blocos de gelo (1–10 m) vistos do quebra-gelo SA Agulhas II (feixe 21,7 m, para referência visual) em 24 de julho de 2022 em 59\(^\circ\)S e 1\(^\circ\)E, e esquema de dissipação exponencial para uma onda monocromática de amplitude unitária se propagando de da esquerda para direita. No esquema, a linha verde indica a elevação da superfície e a linha vermelha o envelope da onda que sofre atenuação exponencial com a distância.

No exterior do MIZ, onde a cobertura de gelo marinho é uma mistura de pequenos blocos (muito mais curtos que o comprimento de onda) e gelo frazil intersticial 17,18, como mostrado na Fig. 1, perdas semelhantes a viscosas foram identificadas como o principal mecanismo de atenuação das ondas 19 ,21,21. No interior do MIZ, onde os flocos são maiores e comparáveis ​​ao comprimento de onda, domina a atenuação das ondas por espalhamento . Na ordem inicial na inclinação da onda, ou seja, no parâmetro de não linearidade da onda, cada componente da onda atenua exponencialmente com a distância, veja o esquema na Fig. 1, e a uma taxa de atenuação dependente da frequência . Ou seja, ondas mais curtas são atenuadas mais rapidamente do que ondas mais longas. Para uma revisão abrangente das ondas no gelo marinho, encaminhamos o leitor para Meylan et al.19 e Squire20, e suas referências.

A dinâmica das ondas oceânicas de banda estreita pode ser descrita com precisão pela equação não linear de Schrödinger (NLS). Um fenômeno dinâmico intrigante, responsável pela formação de ondas coerentes e de grande amplitude e que tem atraído o interesse científico desde o final da década de 60, é a instabilidade de modulação (MI)24. Na verdade, e em contraste com a análise de estabilidade linear das ondas de Stoke, os ciclos completos de crescimento e decaimento podem ser descritos dentro da estrutura NLS25. Mais recentemente, vários estudos foram dedicados a investigar o efeito da dissipação de ondas nos ciclos de focagem do IM recorrente com mudança de fase26,28,29,30,31,31. Os últimos estudos destacam a recorrência da mudança de fase na evolução a longo prazo de ondas não lineares e instáveis, quando estão em jogo efeitos de dissipação constantes, fracos e lineares. Dito isto, o NLS também pode ser adaptado para acomodar a influência da atenuação do gelo marinho nas ondas, incluindo perdas do tipo viscoso como um termo dissipativo que corresponde à taxa de decaimento da amplitude linear, como mostrado por 32,33. Neste contexto, foi demonstrado que é importante ter em conta a dependência da frequência induzida pelo gelo na atenuação das ondas oceânicas no MIZ34.