Блог

Jul 03, 2023

Динамика неустойчивых волн во льду

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 13654 (2023) Цитировать эту статью 527 Доступов 7 Подробности об альтметрических метриках Свойства волн и морского льда в Северном Ледовитом и Южном океанах связаны между собой

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13654 (2023) Цитировать эту статью

527 Доступов

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Свойства волн и морского льда в Северном Ледовитом и Южном океанах связаны механизмами обратной связи, поэтому понимание распространения волн в этих регионах необходимо для моделирования этого ключевого компонента климатической системы Земли. Самым ярким эффектом морского льда является затухание волн со скоростью, пропорциональной их частоте. Нелинейное уравнение Шредингера (НУШ), фундаментальная модель океанских волн, описывает полные циклы роста и затухания неустойчивых мод, также известных как модуляционная неустойчивость (МИ). Здесь для моделирования эволюции нестабильных волн используется диссипативный NLS (d-NLS) с характерным затуханием морского льда. Однако МИ в морском льду сохраняется в сдвинутой по фазе форме. Зависимое от частоты рассеяние нарушает симметрию между доминирующей левой и правой боковыми полосами. Мы ожидаем, что эта работа может мотивировать аналогичные исследования и эксперименты в волновых системах, подверженных частотно-зависимому затуханию энергии.

Морской лед Арктики и Антарктики играет важную роль в системе Земли, регулируя обмен тепла и импульса в больших пространственных масштабах1,2,3,4. Свойства морского льда тесно связаны со свойствами океанских волн через механизмы обратной связи в краевой ледяной зоне (MIZ)5,6,7, которая вокруг Антарктиды, круглый год питаемая интенсивными волнами Южного океана8, простирается на сотни километров9,10,11 . Быстрая эволюция полярных регионов, вызванная изменением климата12,14,14, возродила и активизировала исследовательскую деятельность по пониманию свойств волн и обратной связи в МИЗ7,15, в том числе в формирующейся арктической МИЗ16.

Пример волн Южного океана (высота волны \(\около 5\) м и период пика \(\около 12\) с), распространяющихся в зоне MIZ, состоящей из небольших льдин (1–10 м), вид с ледокола SA Agulhas II (луч 21,7 м, для наглядности) 24 июля 2022 года на координатах 59\(^\circ\)ю.ш. и 1\(^\circ\)в.д., а также схема экспоненциальной диссипации монохроматической волны единичной амплитуды, распространяющейся от слева направо. На схеме зеленая линия обозначает высоту поверхности, а красная линия — огибающую волны, которая экспоненциально затухает с расстоянием.

Во внешней зоне МИЗ, где морской ледяной покров представляет собой смесь небольших льдин (намного короче длины волны) и порового ледяного песка17,18, как показано на рис. 1, вязкоподобные потери были идентифицированы как основной механизм затухания волн19 ,21,21. Во внутренней части ЗМЗ, где льдины крупнее и сравнимы с длиной волны, доминирует затухание волн за счет рассеяния20. В ведущем порядке по крутизне волны, т.е. параметру нелинейности волны, каждая компонента волны затухает экспоненциально с расстоянием, см. схему на рис. 1, и с частотно-зависимой скоростью затухания19,22,23. То есть более короткие волны затухают быстрее, чем их более длинные аналоги. За всесторонним обзором волн в морском льду мы отсылаем читателя к Мейлану и др.19 и Сквайру20, а также ссылки в них.

Динамика узкополосных океанских волн может быть точно описана нелинейным уравнением Шрёдингера (НУШ). Одним из интригующих динамических явлений, ответственных за формирование когерентных волн большой амплитуды и привлекающих научный интерес с конца 60-х годов, является модуляционная неустойчивость (МИ)24. Фактически, в отличие от анализа линейной устойчивости волн Стокса, полные циклы роста и затухания могут быть описаны в рамках NLS25. Совсем недавно несколько исследований были посвящены изучению влияния диссипации волн на сдвинутые по фазе повторяющиеся циклы фокусировки ИМ26,28,29,30,31,31. Последние исследования подчеркивают сдвинутую по фазе повторяемость в долгосрочной эволюции нелинейных и нестабильных волн, когда действуют постоянные, слабые и линейные эффекты диссипации. Тем не менее, NLS также можно адаптировать для учета влияния затухания волн морским льдом, включив вязкоподобные потери в качестве диссипативного члена, который соответствует скорости затухания линейной амплитуды, как показано32,33. В этом контексте было показано, что важно учитывать вызванную льдом частотную зависимость затухания океанских волн в MIZ34.