Wind-driven collisions between floes explain the observed dispersion of Arctic sea ice
Questo studio dimostra che le simulazioni granuli stocastiche che tengono conto delle collisioni tra i ghiacci di mare indotte dal vento riproducono accuratamente la dispersione e le distribuzioni di velocità del ghiaccio marino artico osservate, risolvendo le precedenti discrepanze con i modelli browniani e stabilendo un quadro predittivo basato su processi locali su scala di floe.
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L'Oceano Artico non è un unico foglio di ghiaccio solido, ma un vasto e mutevole mosaico di lastroni di ghiaccio frammentati, noti come floe, che vagano sull'acqua. Questi floe, che variano da pochi metri a diversi chilometri di ampiezza, sono spinti dal vento e trascinati dalle correnti oceaniche. Sebbene il movimento complessivo di questo pacchetto di ghiaccio sia fondamentale per regolare il clima terrestre e sostenere gli ecosoli ecosistemi polari, il moto caotico e scattante dei singoli floe ha a lungo messo in difficoltà gli scienziati. Quando i ricercatori cercavano di prevedere quanto velocemente questi pezzi di ghiaccio si diffondessero o come si muovessero in risposta a venti raffica, i modelli standard fallivano. Questi modelli, che trattano i floe di ghiaccio come minuscole particelle che vagano casualmente in un fluido, prevedevano una velocità di diffusione dieci volte superiore a quella effettivamente osservata nel mondo reale. Essi non riuscivano inoltre a spiegare perché il ghiaccio si muovesse con un modello di velocità specifico e insolito, che non corrispondeva alle fluttuazioni casuali del vento stesso.
Un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Università della California meridionale e dell'Università della California, Riverside, offre una chiara risoluzione a queste discrepanze concentrandosi su un singolo fattore spesso trascurato: le collisioni tra i floe di ghiaccio. Il team ha costruito una sofisticata simulazione al computer che tracciava migliaia di singoli floe di ghiaccio mentre venivano spinti da venti rumorosi e fluttuanti. Nel loro modello, i floe di ghiaccio non erano particelle isolate; erano ammassati, coprendo fino al novanta per cento della superficie oceanica. Mentre il vento li spingeva, i floe si scontravano costantemente tra loro. I ricercatori hanno scoperto che queste frequenti collisioni, che drenano energia, erano l'elemento mancante. Ogni volta che due floe collidevano, dissipavano l'energia immessa dal vento, rallentando il ghiaccio e impedendogli di diffondersi in modo così selvaggio come previsto dai vecchi modelli.
Alimentando la simulazione con dati reali sul vento provenienti dallo Stretto di Fram, una importante via di comunicazione per il ghiaccio marino tra la Groenlandia e le Svalbard, il team ha ottenuto una corrispondenza straordinaria con le osservazioni reali. La simulazione ha riprodotto l'esatta velocità con cui il ghiaccio si diffondeva, la specifica distribuzione delle velocità e i modelli di energia del movimento su scale temporali che vanno da ore a mesi. I risultati hanno dimostrato che in un campo di ghiaccio affollato, il ghiaccio si comporta in modo molto diverso rispetto all'acqua aperta. Quando il ghiaccio è rado, i floe si muovono liberamente e rapidamente, assecondando le raffiche casuali del vento. Ma quando il ghiaccio diventa più denso, le collisioni diventano così frequenti da dominare il movimento. I floe di ghiaccio rimbalzano l'uno contro l'altro così spesso che non riescono ad accumulare velocità, portando a una deriva molto più lenta e vincolata rispetto a quanto precedentemente ritenuto possibile.
Lo studio esclude esplicitamente altre potenziali spiegazioni che gli scienziati avevano precedentemente considerato, come la natura intermittente del vento, la turbolenza delle correnti oceaniche o le correlazioni a lungo raggio nel campo di ghiaccio. I ricercatori hanno dimostrato che nessuno di questi fattori era necessario per spiegare il comportamento osservato. Al contrario, il complesso e caotico moto del ghiaccio emergeva direttamente e semplicemente dalle interazioni locali tra i floe stessi. Il team ha inoltre sviluppato un quadro matematico, basato sulla fisica dei materiali granulari come la sabbia o i granelli, per descrivere questa dinamica. Questa teoria ha confermato che le rapide collisioni agiscono come un freno, convertendo l'energia caotica del vento in calore e attrito, il che restringe l'intervallo di velocità che il ghiaccio può raggiungere e appiattisce lo spettro energetico del suo moto.
Le scoperte suggeriscono che per comprendere il trasporto globale del ghiaccio marino, gli scienziati non devono modellare l'intera atmosfera o l'oceano con estremo dettaglio. Inveve, il comportamento del pacchetto di ghiaccio può essere compreso osservando la scala locale: come i singoli pezzi di ghiaccio interagiscono con i propri vicini immediati e con il vento. I ricercatori hanno utilizzato solo quantità misurate direttamente, come la velocità del vento e lo spessore del ghiaccio, per guidare il loro modello, dimostrando che i complessi schemi su larga scala del movimento del ghiaccio sono una conseguenza diretta di semplici collisioni locali. Questo approccio fornisce un modo nuovo e più accurato per prevedere come il ghiaccio marino si muoverà in un clima che cambia, offrendo un quadro più chiaro di una componente critica del sistema climatico terrestre.
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