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Jul 03, 2023

La dynamique des vagues instables dans la glace marine

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 13654 (2023) Citer cet article 527 Accès 7 Détails des métriques Altmetric Les propriétés des vagues et de la glace de mer dans les océans Arctique et Austral sont liées par

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13654 (2023) Citer cet article

527 Accès

7 Altmétrique

Détails des métriques

Les propriétés des vagues et de la glace de mer dans les océans Arctique et Austral sont liées par des mécanismes de rétroaction. La compréhension de la propagation des vagues dans ces régions est donc essentielle pour modéliser cet élément clé du système climatique terrestre. L’effet le plus frappant de la glace de mer est l’atténuation des vagues proportionnellement à leur fréquence. L'équation non linéaire de Schrödinger (NLS), un modèle fondamental pour les vagues océaniques, décrit les cycles complets de croissance et de décroissance des modes instables, également connus sous le nom d'instabilité modulation (IM). Ici, un NLS dissipatif (d-NLS) avec atténuation caractéristique des glaces de mer est utilisé pour modéliser l'évolution des vagues instables. Le MI dans la glace de mer est cependant préservé sous sa forme déphasée. La dissipation dépendante de la fréquence brise la symétrie entre les bandes latérales dominantes gauche et droite. Nous prévoyons que ces travaux pourraient motiver des études et des expériences analogues sur les systèmes de vagues soumis à une atténuation d'énergie dépendant de la fréquence.

Les glaces de mer de l'Arctique et de l'Antarctique jouent un rôle de premier plan dans le système terrestre en régulant les échanges de chaleur et de quantité de mouvement à grande échelle spatiale1,2,3,4. Les propriétés de la glace de mer sont intimement liées aux propriétés des vagues océaniques via des mécanismes de rétroaction dans la zone marginale de glace (MIZ)5,6,7 qui autour de l'Antarctique, alimentée par les intenses vagues de l'océan Austral toute l'année8, s'étend sur des centaines de kilomètres9,10,11. . L’évolution rapide des régions polaires entraînée par le changement climatique12,14,14 a relancé et dynamisé les activités de recherche visant à comprendre les propriétés et la rétroaction des vagues dans la ZIM7,15, y compris dans la ZIM arctique émergente16.

Exemple de vagues de l'océan Austral (hauteur de vague \(\environ 5\) m et période de pointe \(\environ 12\) s) se propageant dans une ZIM composée de petites banquises (1 à 10 m) vues depuis le brise-glace SA Agulhas II (faisceau 21,7 m, pour référence visuelle) le 24 juillet 2022 à 59\(^\circ\)S et 1\(^\circ\)E, et schéma de dissipation exponentielle pour une onde monochromatique d'amplitude unitaire se propageant depuis de gauche à droite. Dans le schéma, la ligne verte désigne l'élévation de la surface et la ligne rouge l'enveloppe d'onde qui subit une atténuation exponentielle avec la distance.

À l’extérieur de la ZIM, où la couverture de glace de mer est un mélange de petits floes (beaucoup plus courts que la longueur d’onde) et de glace de frasil interstitielle17,18, comme le montre la figure 1, des pertes de type visqueux ont été identifiées comme le principal mécanisme d’atténuation des vagues19. ,21,21. Dans l’intérieur de la ZIM, où les floes sont plus grands et comparables à la longueur d’onde, l’atténuation des vagues par diffusion domine20. Au premier ordre en termes d'inclinaison des vagues, c'est-à-dire le paramètre de non-linéarité des vagues, chaque composante d'onde s'atténue de manière exponentielle avec la distance, voir le schéma de la figure 1, et à un taux d'atténuation dépendant de la fréquence . Autrement dit, les ondes plus courtes sont atténuées plus rapidement que leurs homologues plus longues. Pour un examen complet des vagues dans la glace de mer, nous renvoyons le lecteur à Meylan et al.19 et Squire20, ainsi qu'aux références qui y figurent.

La dynamique des vagues océaniques à bande étroite peut être décrite avec précision par l’équation non linéaire de Schrödinger (NLS). Un phénomène dynamique intrigant, responsable de la formation d’ondes cohérentes et de grande amplitude et qui suscite l’intérêt scientifique depuis la fin des années 60, est l’instabilité de modulation (IM)24. En fait, et contrairement à l'analyse de stabilité linéaire des ondes de Stoke, les cycles complets de croissance et de décroissance peuvent être décrits dans le cadre NLS25. Plus récemment, plusieurs études ont été consacrées à l'étude de l'effet de la dissipation des ondes sur les cycles de focalisation récurrents déphasés de l'IM26,28,29,30,31,31. Ces dernières études mettent en évidence la récurrence déphasée dans l’évolution à long terme des ondes non linéaires et instables, lorsque des effets de dissipation constants, faibles et linéaires sont en jeu. Cela dit, le NLS peut également être adapté pour tenir compte de l'influence de l'atténuation des glaces de mer sur les vagues en incluant les pertes de type visqueux comme terme dissipatif qui correspond au taux de décroissance de l'amplitude linéaire, comme le montrent 32,33. Dans ce contexte, il a été démontré qu'il est important de tenir compte de la dépendance à la fréquence induite par la glace dans l'atténuation des vagues océaniques dans la ZIM34.