Simulações numéricas mostram que o atrito hidrodinâmico nas proximidades das costas desempenha um papel crucial para explicar a estabilização do fluxo médio do oceano no Atlântico Norte.
No oceano, as fontes de energia são bem conhecidas, sendo principalmente a ação dos ventos dominantes sobre o mar, e em menor grau os fluxos criados por diferenças de temperatura ou salinidade. Assim, a circulação oceânica no Atlântico Norte é descrita em média por um fluxo turbilhonar em grande escala no sentido horário, a circulação do Atlântico Norte (da qual a Corrente do Golfo é uma componente), que se sobrepõe aos alísios que sopram em direção ao oeste perto do equador e aos ventos dominantes de oeste nas nossas latitudes.
Por outro lado, a identificação das regiões onde a energia é dissipada continua sendo um problema amplamente aberto, pois os processos de dissipação ocorrem em pequenas escalas de fluxo, que por sua vez resultam da cascata turbulenta que redistribui de forma complexa a energia injetada em larga escala para as menores escalas.
Para estudar o papel das costas nesses processos de dissipação, uma colaboração de pesquisadores do Laboratório de Física da ENS de Lyon (
LPENSL, CNRS / ENS de Lyon) e do Instituto de Geociências do Meio Ambiente (
IGE, CNRS / INRAE / IRD / Universidade Grenoble Alpes) revisitou um modelo clássico que descreve o surgimento de giros oceânicos com correntes intensificadas na borda oeste, como a Corrente do Golfo no Atlântico Norte ou a Kuroshio no Pacífico. Este modelo descreve um fluxo bidimensional forçado pelos ventos, uma simplificação justificada pelo fato de que a razão de aspecto de um oceano (espessura dividida pelo tamanho lateral característico) é próxima à de uma folha de papel, em escala planetária.
Com simulações numéricas, os pesquisadores mostram que os giros oceânicos persistem no limite em que os termos de dissipação viscosa são muito pequenos, com uma taxa de dissipação de energia que permanece constante, independente do valor da viscosidade do fluido. Esse fenômeno de anomalia dissipativa é bem conhecido em fluxos tridimensionais, mas é surpreendente no contexto de um fluxo bidimensional.
O oceano é modelado como um tanque oceânico quadrado de 5000 km de lado, uma versão física idealizada do Atlântico Norte.
Esquerda: no limite de baixas dissipações, o oceano aparece a todo momento como um mar de vórtices.
Direita: quando esse fluxo é médio por longos períodos, os vórtices desaparecem e encontramos um giro oceânico intensificado na borda oeste.
As cores indicam o sentido de rotação dos vórtices.
© Lennard Miller, Bruno Deremble e Antoine Venaille / IGE / Grenoble, LPENSL / CNRS.
De fato, em três dimensões, os grandes vórtices se desestabilizam e criam pequenos vórtices e assim por diante, até atingir as escalas dissipativas de forma muito eficaz. Em duas dimensões, contanto que não haja paredes laterais, é conhecido que ocorre um fenômeno inverso: os pequenos vórtices se fundem para formar grandes vórtices muito estáveis, até formar um vórtice gigantesco que ocupa todo o tanque oceânico, com a energia total aumentando incessantemente devido a uma dissipação ineficaz.
Para evitar o surgimento de um vórtice tão irrealista, os modelos de oceanos existentes devem então levar em conta os efeitos 3D, ou adicionar termos de dissipação como o atrito com o fundo do mar.
Este estudo mostra pela primeira vez que esses vórtices gigantes não podem se formar nos modelos oceânicos 2D que consideram paredes laterais onde a velocidade é anulada: os giros oceânicos de baixa energia persistem, sobrepostos a um vigoroso gás de vórtices localizados e intensos, criados ao longo das costas. Portanto, não é necessário invocar um mecanismo de dissipação adicional para explicar a estabilização dos fluxos de giros em um regime turbulento.
Este trabalho é um primeiro passo para o estudo do ciclo de energia oceânica em modelos mais realistas que levam em conta a estratificação do oceano. Ele é publicado na revista
Physical Review Fluids.
Referência:
Gyre turbulence: Anomalous dissipation in a two-dimensional ocean model,
Lennard Miller, Bruno Deremble, e Antoine Venaille,
Physical Review Fluids, publicado em 3 de maio de 2024.
Doi:
10.1103/PhysRevFluids.9.L051801
Arquivo aberto:
arXiv
Fonte: CNRS INP