Neue 3D-Modelle zeigen, wie sich die Klimaerwärmung auf die Gezeiten der Ozeane unter Wasser auswirkt

Nur wenige Dinge in der Natur sind so vorhersehbar wie die Gezeiten der Ozeane. Angetrieben durch die Anziehungskraft von Mond und Sonne sind diese anhaltenden, kurzzeitigen und großflächigen Phänomene in nahezu allen Arten ozeanografischer und Satellitenbeobachtungen erkennbar. Sie wirken sich auch direkt auf den Lebensrhythmus von Millionen Menschen und unzähligen Ökosystemen aus.

Aber in letzter Zeit haben Forscher subtile Veränderungen in den Gezeitenmessungen an der Oberfläche festgestellt, die nicht mit Veränderungen in der Anziehungskraft von Mond und Sonne übereinstimmen. Stattdessen deuten die gesammelten Daten und Theorien darauf hin, dass eine Erwärmung der Meeresoberfläche hinter den Beobachtungen stecken könnte.

Um diese Phänomene zu untersuchen, nutzt Dr. Michael Schindelegger von der Universität Bonn Supercomputing-Ressourcen am Jülich Supercomputing Centre (JSC), um die zwischen 1993 und 2020 gesammelten Beobachtungsdaten besser zu verstehen und so die Genauigkeit der dreidimensionalen (3D) Ozeanzirkulation zu verbessern Modelle im Prozess.

Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Kommunikation Erde und Umwelt.

„Gezeiten überdecken oft andere potenziell interessante und weniger vorhersehbare Signale, die beispielsweise mit der allgemeinen Zirkulation des Ozeans oder den Auswirkungen des Klimawandels zusammenhängen“, erklärt Schindelegger. „Die Gewinnung von Klimasignalen aus ozeanografischen Beobachtungen hängt auch von der Genauigkeit ab, mit der wir Gezeiten modellieren können, einschließlich ihrer möglichen Veränderungen im Laufe der Zeit.“

Interne Strömungen erhöhen die Komplexität

Wissenschaftler schätzen, dass die oberen 700 Meter des Ozeans etwa 90 % der überschüssigen Wärme absorbieren, die im sich erwärmenden Klimasystem gespeichert wird. Wenn sich diese Zone des Ozeans erwärmt, dehnt sie sich auch aus und wird weniger dicht, was zu einem größeren Kontrast in der Wasserdichtigkeit im Vergleich zu niedrigeren Ebenen des Ozeans führt, die kühler und dichter bleiben.

Konkret erforschen Schindelegger und seine Kollegen den interaktiven Zusammenhang zwischen einem sich erwärmenden Klima, der Ozeanschichtung als Maß für den Dichtekontrast und zwei Arten von Gezeitenströmungen: barotrope Gezeiten, die sich auf die periodische Bewegung von Meeresströmungen beziehen, die mit Gravitationskräften verbunden ist; und barokline oder interne Gezeiten, die auftreten, wenn barotrope Gezeiten wie ein Rücken gegen die Unterwassertopographie strömen und dazu führen, dass Wellen dichteren Wassers aus der Tiefe nach oben in weniger dichtes Oberflächenwasser drängen.

„Die Erwärmung im oberen Ozean verstärkt den Energietransfer von barotropen zu baroklinen Gezeiten, sodass die Gezeiten im offenen Ozean jetzt ein paar Prozent mehr Gezeitenenergie an interne Wellen verlieren als noch vor drei Jahrzehnten“, erklärt Schindelegger. Um die Schwere dieser Veränderungen abzuschätzen und ihre Auswirkungen auf Küstenregionen vorherzusagen, sind Simulationen zu einem unverzichtbaren Instrument geworden.

Beobachtungsdaten und Modellierung müssen zusammenarbeiten

Die Beobachtung und Modellierung von Meeresgezeiten ist nichts Neues, und jede Stunde des Tages stehen neue Daten zur Verfügung, mit denen man arbeiten kann. Allerdings können erfasste Daten in Küstennähe mit „Rauschen“ und Fehlern behaftet sein, während Computermodelle immer vereinfachte Darstellungen von Prozessen in der realen Welt sind. Aus diesem Grund ist es laut Schindelegger zwingend erforderlich, sowohl Beobachtungsdaten als auch Modelle zu berücksichtigen, wenn man Gezeitenänderungen testet.

Darüber hinaus bedeutet die Berücksichtigung der Gezeiten in einem realistischeren, geschichteten Ozean – einschließlich dieser baroklinen Gezeiten –, dass etablierte 2D-Ozeanmodelle um die Tiefe als dritte Dimension erweitert werden müssten und über eine höhere horizontale Auflösung verfügen müssten, um eine brauchbare Genauigkeit zu erreichen.

„Frühe Modellierungsversuche beschränkten sich auf ein einschichtiges Ozeanmodell mit konstanter Dichte, das ich sogar auf einer einzigen CPU ausführen konnte“, sagt Schindelegger. „Aber als ich begann, die Ursachen für Veränderungen in den Gezeiten des Ozeans zu erforschen, insbesondere die Auswirkungen der Schichtung, wurden 3D-Modelle der allgemeinen Zirkulation unerlässlich.“

Schindelegger sagt, er habe etwa fünf Jahre damit verbracht, das Modell nach und nach komplexer zu gestalten, aber es sei klar geworden, dass mehr Rechenleistung erforderlich sei, um die erforderliche Auflösung für genaue 3D-Modelle zu erreichen. Aus diesem Grund griffen Schindelegger und seine Kollegen auf den Supercomputer JUWELS von JSC zurück.

„Da sich das Rechengitter auch in vertikaler Richtung erstreckt, stehen uns rund 300 Millionen Gitterpunkte zur Verfügung, um aus den Modellgleichungen die relevanten Größen Druck, Temperatur und Salzgehalt zu diagnostizieren“, sagt Schindelegger.

„Wir mussten eine Million Kernstunden aufwenden, um das Projekt erfolgreich durchzuführen. Die Verteilung der Aufgabe auf eine große Anzahl von Rechenknoten war der Schlüssel zur Erzielung realisierbarer Laufzeiten und zur Vermeidung von Speicherproblemen. Die auf JUWELS verfügbaren Ressourcen bildeten die notwendige Grundlage für diese Art von Anwendung.“ .“

Vorhersage zukünftiger Gezeiten

Schindelegger sagt, dass es sich dennoch lohnt, das 3D-Modell weiter zu verbessern, bis es Vorhersagen treffen kann, obwohl diese Änderungen der Gezeiten an der Oberfläche bislang subtil sind – ein Abfall von etwa einem Zentimeter über mehrere Jahrzehnte an der Küste und noch weniger in der Tiefsee Mit hinreichender Genauigkeit können wir ermitteln, wie sich diese Veränderungen in der Ozeanschichtung in Zukunft auf die Küstenregionen auswirken werden. Besonders an Orten wie dem Golf von Maine oder Nordaustralien, wo die Gezeiten ausgeprägt sind und auf eine komplexe Unterwassertopographie stoßen, können selbst diese kleinen Änderungen erhebliche Auswirkungen haben.

Durch den kontinuierlichen Zugriff auf Supercomputing-Ressourcen werden Schindelegger und seine Mitarbeiter ein leistungsstarkes Werkzeug nutzen, um das Studium von Beobachtungsdaten zu ergänzen. Zusammengenommen werden diese beiden Forschungsmethoden Forschern in den Geowissenschaften helfen, die Rolle, die ein sich erwärmender Ozean für die Gezeiten spielt, und ihre Rolle im Klimasystem besser zu verstehen.