Wiskundig Model Verheldert Interne Oceaangolven en Klimaatvoorspelling

In deze NASA-satellietfoto zijn interne oceaangolven zichtbaar in het helder verlichte gebied voor de kust van West-Australië. Deze golven, die diep onder het oppervlak van de oceaan woelen en het water in beweging brengen, zijn cruciaal voor de oceaancirculatie. Ze reizen tussen waterlagen van verschillende temperaturen en dichtheden, en brengen koud, voedingsrijk water omhoog vanuit de diepten. Het begrijpen en modelleren van hun gedrag is essentieel voor het ontwikkelen van nauwkeurigere simulaties van een steeds onvoorspelbaarder wordend klimaat.

In een artikel gepubliceerd in Nature Communications, heeft professor Yuri V. Lvov, Ph.D., van het Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) samen met een team van oceanografen een baanbrekend model ontwikkeld voor de dynamiek van interne golven. Dit model vormt de basis voor nieuwe, betrouwbaardere modellen van oceaancirculatie.

“Interne, door golven aangedreven verticale menging wordt beschouwd als een belangrijke motor van oceaancirculatie,” zei Lvov. “Het beïnvloedt het klimaat van de aarde door de zeespiegelstijging, voedingsstoffenfluxen, mariene ecosystemen en de opname van warmte en koolstof door de mens.”

Het team heeft hun model gebouwd met behulp van de theorie van golven-golfinteractie, die beschrijft hoe interne golven energie uitwisselen en herdistribueren tijdens hun interacties. “De uitdaging voor wetenschappers is geweest om een nauwkeurige en robuuste theorie op te bouwen die deze processen kwantitatief en precies beschrijft,” voegde Lvov toe. “De oceaan is gewoon te groot, en de interne golven opereren op schalen die te klein zijn voor de huidige globale modellen om nauwkeurig te kunnen vastleggen.”

Lvov en zijn team hebben een benadering van de eerste principes toegepast, waarbij ze de fysica van het proces parameteriseren zonder de noodzaak voor hoog-resolutie numerieke modellering. Ze interpreteerden turbulente menging als de energieduiker aan het eind van een afschaling van energie door het interne golfveld van de oceaan, aangedreven door grootschalige krachten en ondersteund door processen van golven-golfinteractie.

“We vonden een sterke overeenkomst tussen onze kwantificaties van de eerste principes en waarnemingsgegevens, wat suggereert dat we de essentiële dynamiek van golven-golfinteracties en hun bijdrage aan turbulente menging hebben vastgelegd,” zei Lvov. “Over het algemeen ontdekten we dat lokale interacties de inter-schaal energietransfers domineren, in plaats van gescheiden schalen.”

“De nieuwe theorie biedt een fysiek onderbouwd alternatief voor bestaande empirische schattingen,” voegde Lvov toe.

“Deze publicatie van Dr. Lvov en zijn collega’s is een indrukwekkende prestatie die nieuwe wegen opent naar het vertegenwoordigen van menging in oceaancirculatiemodellen, die een cruciaal onderdeel zijn van klimaatvoorspellingen,” zei Peter R. Kramer, Ph.D., afdelingshoofd van Wiskundige Wetenschappen aan RPI.

“De inspanning om wiskundige analyse toe te passen op een goed onderbouwd fysiek model om observatiedata in de echte oceaan te verklaren en begrijpen, illustreert de interdisciplinaire aard van het onderzoek in onze afdeling en de School of Science.”

Lvov bestudeert de theorie van interne golven sinds hij in 1999 bij RPI kwam, en dit artikel vertegenwoordigt de culminatie van dat werk. “Ik ben vooral dankbaar voor de bijdragen van hoofdauteur Giovanni Dematteis, die mijn postdoc was tijdens het onderzoek en het schrijven van het artikel, en voor de bijdragen van dit hele team van getalenteerde en toegewijde wetenschappers,” zei Lvov.