En las profundidades del océano, olas invisibles agitan y remueven el agua. Estas ondas internas, que viajan entre capas de agua de diferentes temperaturas y densidades, extraen agua fría y rica en nutrientes de las profundidades y desempeñan un papel fundamental en la circulación oceánica. Comprender y modelar su comportamiento es fundamental para desarrollar simulaciones más precisas de un clima cada vez más impredecible.
por el Instituto Politécnico Rensselaer
En un artículo de Nature Communications , el profesor de matemáticas del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI), Yuri V. Lvov, Ph.D., y un equipo de oceanógrafos desarrollan un modelo único de dinámica de olas internas que sienta las bases para modelos nuevos y más confiables de circulación oceánica.
«Se cree que la mezcla vertical interna, impulsada por las olas, es un factor clave en la circulación oceánica», afirmó Lvov. «Configura el clima terrestre al influir en el aumento del nivel del mar, los flujos de nutrientes, los ecosistemas marinos y la absorción antropogénica de calor y carbono».
Lvov y su equipo construyeron su modelo utilizando la teoría de interacción onda-onda, que describe cómo las ondas internas intercambian energía y la redistribuyen cuando interactúan.
«El reto para los científicos ha sido construir una teoría precisa y robusta que describa estos procesos de forma cuantitativa y precisa», afirmó Lvov. «El océano es simplemente demasiado grande, y las olas internas operan a escalas demasiado pequeñas para que los modelos globales actuales las resuelvan con precisión».
Lvov y su equipo implementaron un enfoque de primeros principios, parametrizando la física del proceso sin necesidad de modelado numérico de alta resolución. Interpretaron la mezcla turbulenta como el sumidero de energía al final de una cascada de energía a escala reducida a través del campo de olas interno oceánico, impulsada por forzamientos a gran escala y sostenida por procesos de interacción ola-ola.
«Encontramos una fuerte concordancia entre nuestras cuantificaciones de primer principio y los datos observacionales , lo que sugiere que hemos captado la dinámica esencial de las interacciones entre olas y su contribución a la mezcla turbulenta», afirmó Lvov. «En general, descubrimos que las interacciones locales predominan en las transferencias de energía entre escalas, en lugar de las que están separadas por escalas».
«La nueva teoría ofrece una alternativa físicamente fundamentada a las conjeturas empíricas existentes», añadió Lvov.
«Esta publicación del Dr. Lvov y sus colaboradores es un logro impresionante que abre nuevas vías para la representación de la mezcla en los modelos de circulación oceánica, que son un componente crucial de las predicciones climáticas», afirmó el Dr. Peter R. Kramer, jefe del Departamento de Ciencias Matemáticas del RPI.
El esfuerzo por integrar el análisis matemático en un modelo físico sólido para explicar y comprender los datos observacionales en el océano real ejemplifica la naturaleza interdisciplinaria de la investigación en nuestro departamento y la Facultad de Ciencias.
Lvov ha estado estudiando la teoría de ondas internas desde que se unió a RPI en 1999, y este artículo representa la culminación de ese trabajo.
«Estoy especialmente agradecido por las contribuciones del autor principal, Giovanni Dematteis, quien fue mi investigador postdoctoral durante la investigación y redacción del artículo, y por las contribuciones de todo este equipo de científicos talentosos y dedicados», dijo Lvov.
Más información: Giovanni Dematteis et al., La interacción de las ondas internas explica los patrones globales de mezcla oceánica interior, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51503-6
