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Jul 03, 2023

La dinamica delle onde instabili nel ghiaccio marino

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 13654 (2023) Cita questo articolo 527 accessi 7 dettagli sulle metriche alternative Le proprietà delle onde e del ghiaccio marino nell'Artico e negli oceani meridionali sono collegate da

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Le proprietà delle onde e del ghiaccio marino nell’Artico e negli oceani meridionali sono collegate da meccanismi di feedback, pertanto la comprensione della propagazione delle onde in queste regioni è essenziale per modellare questa componente chiave del sistema climatico terrestre. L'effetto più sorprendente del ghiaccio marino è l'attenuazione delle onde ad una velocità proporzionale alla loro frequenza. L'equazione non lineare di Schrödinger (NLS), un modello fondamentale per le onde oceaniche, descrive i cicli completi di crescita-decadimento dei modi instabili, noti anche come instabilità modulazionale (MI). In questo caso, per modellare l’evoluzione delle onde instabili viene utilizzata una NLS dissipativa (d-NLS) con la caratteristica attenuazione del ghiaccio marino. L’IM nel ghiaccio marino è tuttavia preservato nella sua forma sfasata. La dissipazione dipendente dalla frequenza rompe la simmetria tra la banda laterale dominante sinistra e destra. Prevediamo che questo lavoro possa motivare studi ed esperimenti analoghi in sistemi d'onda soggetti ad attenuazione energetica dipendente dalla frequenza.

Il ghiaccio marino artico e antartico svolge un ruolo di primo piano nel sistema terrestre regolando gli scambi di calore e quantità di moto su grandi scale spaziali1,2,3,4. Le proprietà del ghiaccio marino sono intimamente legate alle proprietà delle onde oceaniche attraverso meccanismi di feedback nella zona di ghiaccio marginale (MIZ)5,6,7 che intorno all'Antartide, alimentata tutto l'anno dalle intense onde dell'Oceano Meridionale8, si estende per centinaia di chilometri9,10,11 . La rapida evoluzione delle regioni polari guidata dai cambiamenti climatici12,14,14 ha rilanciato e stimolato le attività di ricerca per comprendere le proprietà delle onde e il feedback nella MIZ7,15, inclusa l'emergente MIZ artica16.

Esempio di onde dell'Oceano Meridionale (altezza dell'onda \(\circa 5\) m e periodo di picco \(\circa 12\) s) che si propagano in una MIZ composta da piccoli banchi di ghiaccio (1–10 m) visti dal rompighiaccio SA Agulhas II (raggio 21,7 m, per riferimento visivo) il 24 luglio 2022 a 59\(^\circ\)S e 1\(^\circ\)E, e schema della dissipazione esponenziale per un'onda monocromatica di ampiezza unitaria che si propaga da da sinistra a destra. Nello schema la linea verde indica l'elevazione della superficie e la linea rossa l'inviluppo dell'onda che subisce un'attenuazione esponenziale con la distanza.

All'esterno della MIZ, dove la copertura di ghiaccio marino è una miscela di piccoli banchi (molto più corti della lunghezza d'onda) e ghiaccio frazil interstiziale17,18, come mostrato in Fig. 1, le perdite di tipo viscoso sono state identificate come il principale meccanismo di attenuazione delle onde19 ,21,21. All'interno della MIZ, dove i banchi sono più grandi e paragonabili alla lunghezza d'onda, domina l'attenuazione delle onde dovuta allo scattering20. In ordine di pendenza dell'onda, cioè il parametro di non linearità dell'onda, ciascuna componente dell'onda si attenua esponenzialmente con la distanza, vedere lo schema in Fig. 1, e con una velocità di attenuazione dipendente dalla frequenza19,22,23. Cioè, le onde più corte vengono attenuate più velocemente delle loro controparti più lunghe. Per una rassegna completa delle onde nel ghiaccio marino rimandiamo il lettore a Meylan et al.19 e Squire20, e ai riferimenti ivi contenuti.

La dinamica delle onde oceaniche a banda stretta può essere accuratamente descritta dall'equazione non lineare di Schrödinger (NLS). Un fenomeno dinamico intrigante, responsabile della formazione di onde coerenti e di grande ampiezza e che ha attirato l'interesse scientifico dalla fine degli anni '60, è l'instabilità di modulazione (MI)24. Infatti, e contrariamente all'analisi di stabilità lineare delle onde di Stoke, i cicli completi di crescita e decadimento possono essere descritti all'interno del quadro NLS25. Più recentemente, diversi studi sono stati dedicati a studiare l'effetto della dissipazione delle onde sui cicli di focalizzazione MI ricorrenti sfasati26,28,29,30,31,31. Questi ultimi studi evidenziano la ricorrenza sfasata nell’evoluzione a lungo termine delle onde non lineari e instabili, quando sono in gioco effetti di dissipazione costanti, deboli e lineari. Detto questo, l’NLS può anche essere adattato per tenere conto dell’influenza dell’attenuazione del ghiaccio marino sulle onde includendo perdite di tipo viscoso come termine dissipativo che corrisponde al tasso di decadimento dell’ampiezza lineare, come mostrato da32,33. In questo contesto, è stato dimostrato che è importante tenere conto della dipendenza dalla frequenza indotta dal ghiaccio nell’attenuazione delle onde oceaniche nel MIZ34.