Las simulaciones numéricas muestran que la fricción hidrodinámica cerca de las costas juega un papel crucial en la explicación de la estabilización del flujo medio del océano en el Atlántico Norte.
En el océano, las fuentes de energía son bien conocidas, ya que provienen principalmente de la acción de los vientos dominantes sobre el mar, y en menor medida de los flujos creados por diferencias de temperatura o salinidad. Así, la circulación oceánica en el Atlántico Norte se describe en promedio por un flujo turbulento a gran escala en el sentido de las agujas del reloj, el giro del Atlántico Norte (del cual la Corriente del Golfo es una componente), que se superpone a los vientos alisios que soplan hacia el oeste cerca del ecuador y a los vientos dominantes del oeste en nuestras latitudes.
Sin embargo, la identificación de las regiones donde se disipa la energía sigue siendo un problema en gran medida abierto, ya que los procesos de disipación ocurren en las pequeñas escalas del flujo que resultan de la cascada turbulenta que redistribuye de manera compleja la energía inyectada a gran escala hacia las escalas más pequeñas.
Para estudiar el papel de las costas en estos procesos de disipación, una colaboración de investigadores del Laboratorio de Física de la ENS de Lyon (LPENSL, CNRS / ENS de Lyon) y del Instituto de Geociencias del Medio Ambiente (IGE, CNRS / INRAE / IRD / Universidad Grenoble Alpes) ha revisado un modelo clásico que describe la aparición de giros oceánicos con corrientes de borde intensificadas hacia el oeste, como la Corriente del Golfo en el Atlántico Norte o la Corriente de Kuroshio en el Pacífico. Este modelo describe un flujo en dos dimensiones forzado por los vientos, una simplificación justificada por el hecho de que la relación de aspecto de un océano (espesor dividido por tamaño lateral característico) es similar a la de una hoja de papel a escala planetaria.
Utilizando simulaciones numéricas, los investigadores muestran que los giros oceánicos persisten en el límite donde los términos de disipación viscosa son muy pequeños, con una tasa de disipación de energía que permanece constante, independiente del valor de la viscosidad del fluido. Este fenómeno de anomalía disipativa es bien conocido en los flujos en tres dimensiones espaciales, pero es sorprendente en el contexto de un flujo en dos dimensiones.
El océano es modelado como una cuenca oceánica cuadrada de 5000 km de lado, una versión idealizada para físicos del Atlántico Norte.
Izquierda: en el límite de las bajas disipaciones, el océano aparece en todo momento como un mar de torbellinos.
Derecha: cuando este flujo es promediado a lo largo de tiempos muy largos, los torbellinos desaparecen y se encuentra un giro oceánico intensificado en el borde oeste.
Los colores codifican el sentido de rotación de los torbellinos.
© Lennard Miller, Bruno Deremble y Antoine Venaille / IGE / Grenoble, LPENSL / CNRS.
De hecho, en tres dimensiones, los grandes torbellinos se desestabilizan y crean pequeños torbellinos y así sucesivamente, hasta alcanzar las escalas disipativas de manera muy eficiente. En dos dimensiones, mientras no haya paredes laterales, se sabe que ocurre el fenómeno inverso: los pequeños torbellinos se fusionan para formar grandes torbellinos muy estables, hasta formar un vórtice gigantesco que ocupa toda la cuenca oceánica, aumentando constantemente la energía total debido a una disipación ineficaz.
Para evitar la aparición de un vórtice tan irrealista, los modelos de océanos existentes deben entonces tener en cuenta efectos en 3D, o añadir términos de disipación como la fricción con el fondo marino.
Este estudio muestra por primera vez que estos vórtices gigantes no pueden formarse en los modelos de océano en 2D que tienen en cuenta paredes laterales donde la velocidad se anula: los giros oceánicos de baja energía persisten, superpuestos a un vigoroso gas de vórtices localizados e intensos, creados a lo largo de las costas. No es necesario invocar un mecanismo de disipación adicional para explicar la estabilización de los flujos de giros en un régimen turbulento.
Este trabajo es un primer paso hacia el estudio del ciclo de energía oceánica en modelos más realistas que tienen en cuenta la estratificación del océano. Se ha publicado en la revista Physical Review Fluids.
Referencia:
Gyre turbulence: Anomalous dissipation in a two-dimensional ocean model,
Lennard Miller, Bruno Deremble, y Antoine Venaille, Physical Review Fluids, publicado el 3 de mayo de 2024.
Doi: 10.1103/PhysRevFluids.9.L051801
Archivo abierto: arXiv
En el océano, las fuentes de energía son bien conocidas, ya que provienen principalmente de la acción de los vientos dominantes sobre el mar, y en menor medida de los flujos creados por diferencias de temperatura o salinidad. Así, la circulación oceánica en el Atlántico Norte se describe en promedio por un flujo turbulento a gran escala en el sentido de las agujas del reloj, el giro del Atlántico Norte (del cual la Corriente del Golfo es una componente), que se superpone a los vientos alisios que soplan hacia el oeste cerca del ecuador y a los vientos dominantes del oeste en nuestras latitudes.
Sin embargo, la identificación de las regiones donde se disipa la energía sigue siendo un problema en gran medida abierto, ya que los procesos de disipación ocurren en las pequeñas escalas del flujo que resultan de la cascada turbulenta que redistribuye de manera compleja la energía inyectada a gran escala hacia las escalas más pequeñas.
Para estudiar el papel de las costas en estos procesos de disipación, una colaboración de investigadores del Laboratorio de Física de la ENS de Lyon (LPENSL, CNRS / ENS de Lyon) y del Instituto de Geociencias del Medio Ambiente (IGE, CNRS / INRAE / IRD / Universidad Grenoble Alpes) ha revisado un modelo clásico que describe la aparición de giros oceánicos con corrientes de borde intensificadas hacia el oeste, como la Corriente del Golfo en el Atlántico Norte o la Corriente de Kuroshio en el Pacífico. Este modelo describe un flujo en dos dimensiones forzado por los vientos, una simplificación justificada por el hecho de que la relación de aspecto de un océano (espesor dividido por tamaño lateral característico) es similar a la de una hoja de papel a escala planetaria.
Utilizando simulaciones numéricas, los investigadores muestran que los giros oceánicos persisten en el límite donde los términos de disipación viscosa son muy pequeños, con una tasa de disipación de energía que permanece constante, independiente del valor de la viscosidad del fluido. Este fenómeno de anomalía disipativa es bien conocido en los flujos en tres dimensiones espaciales, pero es sorprendente en el contexto de un flujo en dos dimensiones.
El océano es modelado como una cuenca oceánica cuadrada de 5000 km de lado, una versión idealizada para físicos del Atlántico Norte.
Izquierda: en el límite de las bajas disipaciones, el océano aparece en todo momento como un mar de torbellinos.
Derecha: cuando este flujo es promediado a lo largo de tiempos muy largos, los torbellinos desaparecen y se encuentra un giro oceánico intensificado en el borde oeste.
Los colores codifican el sentido de rotación de los torbellinos.
© Lennard Miller, Bruno Deremble y Antoine Venaille / IGE / Grenoble, LPENSL / CNRS.
De hecho, en tres dimensiones, los grandes torbellinos se desestabilizan y crean pequeños torbellinos y así sucesivamente, hasta alcanzar las escalas disipativas de manera muy eficiente. En dos dimensiones, mientras no haya paredes laterales, se sabe que ocurre el fenómeno inverso: los pequeños torbellinos se fusionan para formar grandes torbellinos muy estables, hasta formar un vórtice gigantesco que ocupa toda la cuenca oceánica, aumentando constantemente la energía total debido a una disipación ineficaz.
Para evitar la aparición de un vórtice tan irrealista, los modelos de océanos existentes deben entonces tener en cuenta efectos en 3D, o añadir términos de disipación como la fricción con el fondo marino.
Este estudio muestra por primera vez que estos vórtices gigantes no pueden formarse en los modelos de océano en 2D que tienen en cuenta paredes laterales donde la velocidad se anula: los giros oceánicos de baja energía persisten, superpuestos a un vigoroso gas de vórtices localizados e intensos, creados a lo largo de las costas. No es necesario invocar un mecanismo de disipación adicional para explicar la estabilización de los flujos de giros en un régimen turbulento.
Este trabajo es un primer paso hacia el estudio del ciclo de energía oceánica en modelos más realistas que tienen en cuenta la estratificación del océano. Se ha publicado en la revista Physical Review Fluids.
Referencia:
Gyre turbulence: Anomalous dissipation in a two-dimensional ocean model,
Lennard Miller, Bruno Deremble, y Antoine Venaille, Physical Review Fluids, publicado el 3 de mayo de 2024.
Doi: 10.1103/PhysRevFluids.9.L051801
Archivo abierto: arXiv
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