Der Ozean ist ein dynamisches Rätsel. Die Menschen haben sich bemüht, seine vielen Verhaltensweisen zu verstehen, seit das erste hochseetaugliche Fahrzeug auf seine komplexen Gewässer traf.
Ein Phänomen, das Forscher seit Jahren verblüfft, ist, wie mehrere Kilometer breite Strudel kreisförmiger Strömungen, die als Ozeanringe oder Wirbel bekannt sind, intakt bleiben. Ozeanringe sind von entscheidender Bedeutung für den Transport von Wärme und Nährstoffen durch den Ozean und können von einigen Monaten bis zu mehreren Jahren dauern.
Wie in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift beschrieben Geophysikalische ForschungsbriefeEs scheint, dass der Doktorand Larry Gulliver und Professor Timour Radko vom Department of Oceanography der Naval Postgraduate School (NPS) den Code dafür geknackt haben, was genau dazu führt, dass einige Ozeanringe bis zu einem Jahrzehnt halten, während andere sich innerhalb weniger Monate auflösen: die Topographie des Meeresbodens.
Dieses neue Verständnis darüber, wie der Meeresboden Oberflächenströmungen beeinflusst, wird komplexe, numerische Modelle verbessern, die von der Meteorologie- und Ozeanographie-Gemeinschaft (METOC) der Marine verwendet werden, um operative Kommandeure mit kritischen Informationen zu versorgen.
„Wir müssen systematische Verzerrungen beseitigen, die numerische Modelle haben, und einige davon hängen mit der Art und Weise zusammen, wie Modelle mit kleinräumiger Bodentopographie umgehen“, erklärt Radko.
Wirbel können ihre eigenen Wetter- und Wellenmuster erzeugen und unter anderem die Akustik beeinflussen. Die Forschung war bedeutsam genug, um die Titelseite der Zeitschrift (Band 49, Ausgabe 5) mit einem Computerbild des von Gulliver erstellten Modells als Hauptbild zu gestalten.
„Es ist, als würde man auf das Cover des Rolling Stone kommen … Du bist ein Rockstar“, scherzt Radko. „[Gulliver did it] bei seinem ersten Versuch. Dies ist seine erste Arbeit als Hauptautor.“
Radko und Gulliver nennen ihre Entdeckung den „Sandpapiereffekt“ – ein Spitzname, der Assoziationen zu den kleinen Schleifpartikeln von Sandpapier weckt, die viel größere Objekte abschleifen können. Auf die gleiche Weise verlangsamt die kleinräumige Textur des Meeresbodens Strömungen in der Nähe des Meeresbodens, was die Stabilität und Langlebigkeit der Ozeanringe in der Nähe der Oberfläche verbessert.
Wissenschaftler versuchen seit etwa 50 Jahren herauszufinden, was große Wirbel stabil und langlebig macht, aber niemand dachte daran, sich die kleinräumige Topographie des Meeresbodens anzusehen, weil sie zu weit entfernt schien, um diese Ozeanringe zu beeinflussen. Üblicherweise wird die topografische Rauheit von Theoretikern nicht einmal berücksichtigt, wenn es um die Aktivität von Oberflächengewässern geht.
„Jetzt habe ich Zweifel [about current models]“, gibt Radko zu. „Wenn diese kleine Topographie diesen Wirbel beeinflusst, kann sie Strömungen, Wellen und vieles mehr beeinflussen. Ich werde skeptisch gegenüber allem, was davon ausgeht, dass der Boden glatt ist.“
Ohne Berücksichtigung der kleinräumigen Topographie legt die Physik nahe, dass sich Ozeanringe innerhalb weniger Wochen auflösen sollten. Dies wurde von alten Papieren getestet, die die Bodenrauheit in ihren Modellen nicht berücksichtigten. Die NPS-Forscher erkannten, dass der Schlüssel zum „perfekten Modell“ darin besteht, die Topografie so realistisch wie möglich zu gestalten. Sie übernahmen die statistische Darstellung der Bodenrauigkeit, die von tatsächlichen Echolotsystemen bereitgestellt wird. Die Ozeanographen sind vielleicht nicht in der Lage, in absehbarer Zeit jedes Detail des Bodenreliefs im gesamten Ozean zu messen, aber sie haben ein ziemlich gutes Verständnis seiner statistischen Eigenschaften. Das Bodenrauheitsmodell in der Studie von Gulliver und Radko stellt mathematisch dar, wie ein durchschnittlicher Meeresboden aussieht.
„Wir haben uns das geliehen, das geliehen, die andere Idee geliehen, es zusammengestellt und es hat funktioniert!“ sagt Gulliver. Er und Radko lachen immer noch, als sie sich an ihre Überraschung erinnern. „Es ging ziemlich schnell, [but] Ich musste noch ein paar Simulationen durchführen, um sicherzugehen.“
Die Forscher können ihre bedeutende Entdeckung als schnell und einfach beschreiben, obwohl es alles andere als das war. Vier Jahre intensiver Forschung, Zusammenarbeit mit fünf anderen Institutionen, verschiedene Forschungsfragen und Modellierungstechniken … Am Ende validierte das Duo seine Arbeit durch andere Modelle und bestätigte, dass die kleinräumige Topographie tatsächlich das fehlende Stück war, um die Langlebigkeit von Wirbeln freizusetzen. Ihre Entdeckung liefert Forschern und METOC-Offizieren der Marine ein weiteres Stück des komplexen Puzzles, wie der Ozean funktioniert.
Mit Blick auf die Zukunft ist Gulliver auf dem besten Weg, seine Promotion im Dezember abzuschließen, und Radko plant, mit dem Naval Research Laboratory (NRL) zusammenzuarbeiten, um zu untersuchen, wie das Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) der Marine Wirbel darstellt. Er ist zuversichtlich, dass ihre Forschung dazu beitragen wird, die Genauigkeit des Modells zu verbessern.
Wie Radko sagt: „Gehen wir der Sache auf den Grund.“
LT Gulliver et al, Topografische Stabilisierung von Ozeanringen, Geophysikalische Forschungsbriefe (2022). DOI: 10.1029/2021GL097686
Bereitgestellt von der Naval Postgraduate School