Brown Üniversitesi araştırmacıları; yüksek çözünürlüklü okyanus modellerinin küresel okyanustaki türbülansın dağılımını nasıl taklit ettiğine dair önemli bir bakış açısı geliştirdi. Physical Review Letters’da yayınlanan araştırmaları; okyanus dinamiklerini daha iyi yakalayan, yeni iklim modelleri geliştirmede yardımcı olabilir.
Çalışma, “orta ölçekli girdap” (mesoscale eddies) olarak bilinen bir türbülansta, bir aydan bir yıla kadar son on yılda; (yüzlerce kilometre) okyanus girdaplarına odaklandı. Bu tür girdaplar; Gulf Stream gibi güçlü sınır akıntılarında veya farklı sıcaklık ve yoğunluklarda su akışının temas ettiği yerde sıkışabilir.
Araştırmanın yazarlarından ve Brown’ın Dünya, Çevre ve Gezegen Bilimleri Bölümü’nden Doçent Baylor Fox-Kemper: “Bunları okyanusun havası olarak düşünebilirsiniz. Atmosferdeki fırtınalar gibi bu girdaplar da enerjiyi, sıcaklığı, tuzluluk ve diğer şeyleri okyanusun etrafında dağıtmaya yardımcı oluyorlar. Bu yüzden enerjilerini nasıl boşa harcadığını anlamak bize, okyanus sirkülasyonunun daha doğru bir resmini sunuyor.”
Küçük ölçekli türbülansın enerjiyi nasıl boşa harcadığına dair geleneksel teori ise; “bir girdap ölürken enerjisini daha küçük ölçeklerle iletir…” Başka bir deyişle, büyük girdaplar; tüm enerji tüketilene kadar daha küçük ve daha yavaş dönenlerin içine çöker. Bu, geniş çapta faydalı tahminler yapan, köklü bir teori; akışkanlar dinamikleri içinde kullanılır. Sorun mesoscale eddies için geçerli değildir.
Fox-Kemper: “Bu teori sadece üç boyutlu sistemlerde bulunan girdaplar için geçerlidir. Mesoscale eddies (orta ölçekli girdap) yüzlerce kilometre çapında olup, okyanus sadece dört kilometre derinliktedir ve bu da esasen iki boyutlu olmasını sağlar. Böyle bir dağılımın üç boyuttan farklı iki boyutta çalıştığını biliyoruz.”
Fox-Kemper, daha küçük girdaplara ayrılmak yerine, iki boyutlu girdapları daha büyük girdaplarla birleştirmek eğiliminde olduğunu söylüyor ve ekliyor:
“Örneğin; parmağınızı sabun kabarcıklarına doğru çok yavaş gezdirdiğinizde bu durumu gözlemleyebilirsiniz. Zamanla daha da büyük olan bu hortumsal şeklin geride kaldığını göreceksiniz. İşte küresel okyanustaki orta ölçekli girdaplar da aynı şekilde çalışıyor.”
Bu yüksek ölçekli enerji transferi; matematiksel olarak düşük ölçek dağılımı kadar anlaşılamamıştır. Brown’un araştırmacı bilim adamı Fox-Kemper ve Brodie Pearson da çalışmalarıyla bunu vurgulamak istiyor.
Küresel okyanus sisteminin doğrudan uydu gözlemlerine uyan, yüksek çözünürlüklü bir okyanus modeli kullandılar. Modelin yüksek çözünürlüğü, 100 kilometre çapında girdapları simüle edebileceği anlamına geliyor. Pearson ve Fox-Kemper, modelin girdap dağılımını istatistiksel olarak nasıl ele aldığını detaylı olarak bakmak istediler.
Fox-Kemper, “Modeldeki beş yıllık okyanus dolaşımını yaptık ve istatistiklerin ne olduğunu görmek için her ızgaralama (koordinat) noktasında enerjinin düştüğünü ölçtük.”
Böylece; dağılımın, lognormal dağılım* olarak bilinen şeyi izlediğini gördüler.
* Lognormal Dağılım: Olasılık kuramında, rastgele değişkeninin logaritmasının normal olasılık dağılımına uyduğu sürekli rastgele değişken modeli.
Fox-Kemper, 3D döngülerin küçük ölçekli dağılımının da lognormal dağılımı izlediğini belirtiyor ve ekliyor: “Dolayısıyla, ters dinamiklere rağmen hem 2D hem de 3D sistemlerinde lognormalite tahmin etmenizi sağlayan eşdeğer bir dönüşüm var.”
Araştırmacılar, bu yeni istatistiksel bilginin, çalışmalarda kullanılan hesaplama kadar pahalı olmayan, okyanus simülasyonlarının geliştirilmesinde faydalı olacağını söylüyor. Bu modeli kullanarak araştırmacılar, sadece beş yıllık okyanus dolaşımını taklit etmek için iki ayda 1.000 işlemci kullandılar.
Fox-Kemper: “Yüzlerce, binlerce yıl simüle etmek istiyorsanız ya da okyanus ve atmosferik dinamikleri birleştiren bir iklim modeli içine dahil edebileceğiniz bir şey istiyorsanız, kaba taneli bir modele* ihtiyacınız var. Orta ölçekli girdapların nasıl dağıtıldığının istatistiğini anlarsak, bunları kaba taneli modellerimize uyarlayabiliriz. Başka bir deyişle, orta ölçekli girdapların etkilerini; onları doğrudan simüle etmeden yakalayabiliriz.”
* Kaba Taneli Model (coarser-grained model): Karmaşıklaştırılmış (basitleştirilmiş) gösterimini kullanarak, karmaşık sistemlerin davranışını simüle etmeyi amaçlayan model.
Sonuçlar ayrıca, gelecekte; yüksek çözünürlüklü modeller üzerinde bir kontrol de sağlayabilir.
