Peu de choses dans la nature sont aussi prévisibles que les marées océaniques. Poussés par l’attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil, ces phénomènes persistants, de courte période et de grande ampleur sont apparents dans presque tous les types d’observations océanographiques et satellitaires. Ils ont également un impact direct sur le rythme de vie de millions de personnes et d’innombrables écosystèmes.
Mais dernièrement, les chercheurs ont remarqué des changements subtils dans les mesures des marées en surface qui ne coïncident pas avec les changements dans l’attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil. Au lieu de cela, les données collectées et la théorie indiquent qu’un réchauffement de la surface des océans pourrait être à l’origine des observations.
Pour étudier ces phénomènes, le Dr Michael Schindelegger de l’Université de Bonn a utilisé les ressources de calcul intensif du Jülich Supercomputing Center (JSC) pour mieux comprendre les données d’observation collectées entre 1993 et 2020, améliorant ainsi la précision de la circulation océanique tridimensionnelle (3D). modèles dans le processus.
La recherche est publié dans la revue Communications Terre et Environnement.
« Les marées masquent souvent d’autres signaux potentiellement intéressants et moins prévisibles, liés par exemple à la circulation générale de l’océan ou aux effets du changement climatique », explique Schindelegger. « L’extraction de signaux climatiques à partir d’observations océanographiques dépend également de la précision avec laquelle nous pouvons modéliser les marées, y compris leurs changements potentiels au fil du temps. »
Les courants internes ajoutent de la complexité
Les scientifiques estiment que les 700 mètres supérieurs de l’océan absorbent environ 90 % de l’excès de chaleur emprisonné dans le système climatique en réchauffement. À mesure que cette zone de l’océan se réchauffe, elle s’étend également et devient moins dense, ce qui entraîne un contraste plus élevé de densité de l’eau par rapport aux niveaux inférieurs de l’océan qui restent plus frais et plus denses.
Plus précisément, Schindelegger et ses collègues explorent la relation interactive entre le réchauffement climatique, la stratification des océans comme mesure du contraste de densité et deux types de courants de marée : les marées barotropes, qui font référence au mouvement périodique des courants océaniques associés aux forces gravitationnelles ; et les marées baroclines ou internes, qui se produisent lorsque les marées barotropes s’écoulent contre la topographie sous-marine, comme une crête, provoquant la poussée des vagues d’eau plus dense des profondeurs vers le haut dans les eaux de surface moins denses.
« Le réchauffement de la couche supérieure de l’océan améliore le transfert d’énergie des marées barotropiques aux marées baroclines, de sorte que les marées en haute mer perdent maintenant quelques pour cent de plus d’énergie marémotrice au profit des vagues internes qu’il y a trente ans », explique Schindelegger. Pour évaluer la gravité de ces changements et prévoir leur impact sur les régions côtières, les simulations sont devenues un outil essentiel.
Les données d’observation et la modélisation doivent fonctionner ensemble
L’observation et la modélisation des marées océaniques n’ont rien de nouveau, et de nouvelles données avec lesquelles travailler deviennent disponibles à chaque heure de la journée. Cependant, les données collectées près des côtes peuvent être entachées de « bruit » et d’erreurs, tandis que les modèles informatiques sont toujours des représentations simplifiées des processus du monde réel. C’est pourquoi, selon Schindelegger, il est impératif de prendre en compte à la fois les données d’observation et les modèles lors des tests de changements de marée.
De plus, considérer les marées dans un océan stratifié plus réaliste (y compris ces marées baroclines) signifie que les modèles océaniques 2D établis devraient être étendus pour inclure la profondeur comme troisième dimension et avoir une résolution horizontale plus élevée pour obtenir une précision utile.
« Les premières tentatives de modélisation se limitaient à un modèle océanique à une seule couche et à densité constante, que je pouvais même exécuter sur un seul processeur », explique Schindelegger. « Mais alors que j’ai commencé à rechercher les causes des changements dans les marées océaniques, en particulier les effets de la stratification, les modèles 3D de circulation générale sont devenus essentiels. »
Schindelegger explique qu’il a passé environ cinq ans à ajouter progressivement de la complexité au modèle, mais il est devenu évident que pour atteindre la résolution nécessaire à des modèles 3D précis, il faudrait davantage de puissance de calcul. C’est pour cette raison que Schindelegger et ses collègues se sont tournés vers le supercalculateur de JSC, JUWELS.
« Comme la grille de calcul s’étend également dans le sens vertical, nous disposons d’environ 300 millions de points de grille pour diagnostiquer les variables pertinentes de pression, de température et de salinité à partir des équations du modèle », explique Schindelegger.
« Nous avons dû utiliser un million d’heures de base pour exécuter le projet avec succès. La répartition de la tâche sur un grand nombre de nœuds de calcul était essentielle pour obtenir des temps d’exécution réalisables et éviter les problèmes de mémoire. Les ressources disponibles sur JUWELS ont fourni la base nécessaire pour ce type d’application. « .
Prédire les marées futures
Schindelegger affirme que, bien que ces changements de marée en surface soient jusqu’à présent subtils (une baisse d’environ un centimètre sur plusieurs décennies sur la côte, et encore moins dans les profondeurs océaniques), il vaut toujours la peine de continuer à améliorer le modèle 3D jusqu’à ce qu’il puisse prédire avec avec une précision raisonnable sur la façon dont ces changements dans la stratification des océans auront un impact sur les régions côtières à l’avenir. Surtout dans des endroits comme le golfe du Maine ou le nord de l’Australie, où les marées sont prononcées et rencontrent une topographie sous-marine complexe, même ces petits changements peuvent avoir des implications considérables.
Avec un accès continu aux ressources de calcul intensif, Schindelegger et ses collaborateurs exploiteront un outil puissant pour compléter l’étude des données d’observation. Ensemble, ces deux méthodes de recherche aideront les chercheurs en géosciences à mieux comprendre le rôle que joue le réchauffement des océans sur les marées et leur rôle dans le système climatique.
Plus d’information:
Lana Opel et al, Un rôle probable de la stratification dans les changements à long terme des marées océaniques mondiales, Communications Terre et Environnement (2024). DOI : 10.1038/s43247-024-01432-5
Fourni par le Gauss Center for Supercomputing