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Ein künstliches neuronales Netzwerk zur Überwachung der Ozeanerwärmung

Swarm im All (Abbilung: AIRBUS).

Da der Großteil der aktuellen Erderwärmung von den Ozeanen aufgenommen wird, erwärmen sich vor allem die oberen Wasserschichten, zunehmend aber auch tiefe Ozeanregionen. Das wirkt sich beispielsweise auf den Meeresspiegel aus, da sich warmes Wasser ausdehnt. Außerdem werden die Biodiversität, sensible Ökosysteme oder auch die Ausbreitung von Meereis beeinflusst. Eine Überwachung und Vorhersage von Temperaturveränderungen in den Ozeanen ist daher von großem Interesse und wird intensiv erforscht.

In ihrer in der Fachzeitschrift Scientific Reports erschienenen Studie zeigen Wissenschaftler aus der GFZ-Sektion Erdsystemmodellierung nun eine neue Methode auf, mit der sie ozeanische Temperaturveränderungen aus dem Weltall überwachen können. Dazu nutzen sie die Tatsache, dass die Gezeiten der Ozeane ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das sich mithilfe moderner Satellitentechnik messen lässt. Veränderungen in diesem elektromagnetischen Feld erlauben Rückschlüsse auf Wasserbewegungen, Wärme- und Salzgehalt.

Die Wissenschaftler „trainierten“ ein sogenanntes künstliches ‚Feed-Forward‘ Netzwerk mit gemessenen Daten zur Wärmeverteilung in den Ozeanen aus den Jahren 1990 bis 2015 und Simulationen von per Satellit gemessenen elektromagnetischen Feldern der Ozeangezeiten. Sie konnten zeigen, dass das so trainierte neuronale Netzwerk in der Lage ist, aus Änderungen in magnetischen Gezeiten, Temperaturveränderungen abzuleiten.

Die nur sehr schwachen ozeanischen Magnetfeldsignale können erst von aktuellen Satellitenmissionen wie der Swarm-Mission zur Untersuchung des Erdmagnetfelds gemessen werden. Zusammen mit jüngsten Fortschritten im Bereich des maschinellen Lernens war es den Wissenschaftlern möglich, das neuronale Netzwerk entsprechend zu trainieren. Anders als mit herkömmlichen Messmethoden, beispielsweise per Boje, lässt sich so der Wärmehaushalt von der Meeresoberfläche bis in die Tiefsee erfassen, von wo es bisher erst wenige, punktuelle Messungen gibt.

Christopher Irrgang, Erstautor der Studie: „Die Überwachung des ozeanischen Wärmehaushalts trägt essentiell dazu bei, das Ausmaß des Klimawandels auf der Erde zu erfassen. Unsere Methode kann die derzeit verfügbaren Meeresbeobachtungstechniken ergänzen und erweitern und helfen, den Klimawandel besser zu verstehen.“ (ak)

Originalstudie: Irrgang, C., Saynisch, J., Thomas, M., 2019. Estimating ocean heat content from tidal magnetic satellite observations. Scientific Reports 9 (7893). DOI: s41598-019-44397-8

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