Modellierung ozeanisch induzierter Erdrotationsschwankungen

Der Ozean ist ein sich ständig in Bewegung befindliches System, dessen Fließverhältnisse durch Winde, atmosphärischen Druck, Temperaturdifferenzen, Bodentopographie und die gravitative Anziehung anderer Himmelskörper beeinflusst werden. Massenverlagerungen im Zuge dieser Zirkulationsprozesse stellen eine Hauptursache für Schwankungen der Erdrotation dar, die sich in Orientierungsänderungen der Drehachse sowohl im Raum (Nutation) als auch gegenüber der Erdoberfläche selbst (Polbewegung) äußern. Die exakte Beschreibung der Ozeandynamik und der damit verbundenen Rotationssignale ist somit ein Standbein jeglicher wissenschaftlichen Anwendung die auf weltraumgestützte Messverfahren zurückgreift. Bestimmte Aspekte dieser Thematik insbesondere jene der Ozeanzirkulation auf kurzen Zeitskalen blieben bislang jedoch unerforscht und werden innerhalb des Projekts SCORE erstmalig untersucht. Die Methodik besteht in der Vorwärtsintegration etablierter numerischer Ozeanmodelle zur Lösung der zwei- bzw. dreidimensionalen Strömungsgleichungen, welche die Zirkulationsphänomene im Ozean als Antwort auf atmosphärische Antriebe abbilden. Im Speziellen wird innerhalb von SCORE auf zwei bisher unberücksichtigte Fragestellungen eingegangen. Der erste Teil des Projekts widmet sich einer möglichen Modulation der täglichen Ozeangezeit durch Veränderungen des atmosphärischen Druckantriebs aufgrund des Wetterphänomens El Niño und die Southern Oscillation (ENSO). Ausgangspunkt für diese Hypothese sind bestehende Belege eines verstärkten täglichen Atmosphärenganges in Äquatornähe bei ausgeprägten El Niño-Ereignissen. Die übliche tägliche Oszillation der Wassermassen könnte unter solchen Bedingungen eine signifikante Abänderung erfahren, was wiederum eine leichte Verkippung der Erde im Raum zur Folge hätte. Konkret wird der Sachverhalt mittels mehrjähriger Ozeangezeitensimulation unter realen, atmosphärischen ENSO-Verhältnissen erarbeitet, wobei die Antriebsdaten von numerischen Wettermodellen stammen und auch Druckreferenzwerte äquatornaher Beobachtungsstationen zur Validierung herangezogen werden. Die so berechneten ozeanischen Bodendruckfelder und Fließgeschwindigkeiten geben Aufschluss über die Größenordnung des ENSO-Signals in der Nutation und lassen sich mittels geodätischer Erdrotationszeitserien unabhängig verifizieren. Eine systematische Studie der Ozeanreaktion auf atmosphärische Antriebe mit Perioden von 2 bis 20 Tagen komplementiert das Projekt. Ziel dieser Untersuchungen ist es, die Relevanz bislang unberücksichtigter Komponenten in hydrodynamischen Modellen für die Beschreibung der ozeanisch induzierten Polbewegung abzuklären. Insbesondere gilt es die Sensitivität der Erdrotationsergebnisse auf verbesserte horizontale Modellauflösung, die Formulierung innerer Reibungsprozesse und Effekte der Selbstanziehung zu ermitteln. Dies liefert die Grundlage zur optimalen Konfiguration gängiger Ozeanmodelle für Anwendungen in der Erdrotation.

Der Ozean ist ein ständig in Bewegung befindliches System, dessen Fließverhältnisse durch atmosphärische Winde, Geometrie und Tiefe der Becken, sowie Anziehungskräfte der Himmelskörper beherrscht werden. Verlagerung von Massen im Zuge dieser Zirkulationsprozesse finden Ausdruck in kleinen, aber messbaren Unregelmäßigkeiten der Erdrotation und in raumzeitlichen Veränderungen des Erdschwerefelds. Die exakte Beschreibung dieser Signale ist ein Standbein vieler wissenschaftlicher Anwendungen, wie der Bestimmung einheitlicher globaler Koordinatensysteme oder der Beobachtung von Massenverlagerungen mit der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). Das Projekt widmete sich vorrangig der Ozeandynamik auf Zeitskalen von Stunden bis Monaten und der damit verbundenen Variationen der Zielgrößen Erdrotation, Erdfigur (in diesem Fall Meereshöhen) und ozeanischer Bodendruck. Die methodische Herausforderung bestand in der Adaptation und gezielten Verwendung numerischer Ozeanmodelle zur Lösung der Strömungsgleichungen. Kernergebnis der Untersuchungen zum Bodendruck auf kurzen Zeitskalen von 2 bis 60 Tagen ist, dass zweckgewidmete Modellsimulationen mit täglichen Beobachtungen der ozeanischen Massenverteilung aus GRACE - unter Berücksichtigung gegebener Unsicherheiten - im Einklang stehen. Dies dient als unabhängiger Beleg der Qualität täglicher GRACE-Schwerefeldlösungen, welchen bislang mit Skepsis begegnet wurde. Auf Modellseite sind zur realistischen Simulation der schnellen großskaligen Dynamik insbesondere die Formulierung von Reibungsprozessen und die Wahl der Modellgitterbreiten (sprich: horizontale Auflösung) relevant. Die dazu komplementäre Analyse ozeanisch verursachter Erdrotationsschwankungen, unter Einbezug präziser weltraumgeodätischer Beobachtungen zur Polbewegung und Tageslänge, bevorzugt ebenfalls hochauflösende Modelle. Konkret legt eine neuartige numerische Simulation, welche ozeanische Wirbel mit einer horizontalen Ausdehnung von ca. 50 km abbildet, nahe, dass der ozeanische Beitrag zur Polbewegung mit ca. 36% gegenüber atmosphärischen Massenverlagerungen (53%) höher ausfällt als allgemein angenommen. Vom methodischen Blickwinkel her ist in diesem Projekt eine erstmalige Einbindung spezieller Rückkopplungseffekte - vor allem die augenblickliche Anziehung global verteilter Wassermassen auf sich selbst - in die Strömungsgleichungen gelungen. Diese Entwicklung begünstigt in erster Linie die Genauigkeit numerisch simulierter Gezeitenhöhen, d.h. das täglich wiederkehrende Wechselspiel aus Ebbe und Flut. In über die ursprüngliche Projektidee hinausgehenden Arbeiten wurde der entwickelte numerische Ansatz zur Studie von Gezeitenveränderungen als Antwort auf den Meeresspiegelanstieg und unterschiedliche Kontinentverteilungen eingesetzt. Letztere Analyse zeigt, dass sowohl die Geometrie der Ozeanbecken als auch die schnellere Rate der Erdrotation in früheren Erdzeitaltern signifikanten Einfluss auf Gezeiten und die Entwicklung des Erde-Mond-Systems nahmen.