OceanMag - Elektromagnetische Induktion im Ozean

Durch die hohe Konzentration an gelösten Salzen ist der Weltozean ein sehr guter elektrischer Leiter. Während sich das leitfähige Meerwasser um die Erde bewegt, interagiert es kontinuierlich mit dem umgebenden Erdmagnetfeld, welches im Erdkern erzeugt wird. Durch diesen Prozess werden positiv und negativ geladene Salz-Ionen im Meerwasser durch die Lorentzkraft abgelenkt, was zu einer räumlichen Ansammlung elektrischer Ladung und damit zu schwachen elektrischen Strömen im gesamten Ozeanbecken führt. Diese ozeanischen elektrischen Ströme induzieren charakteristische magnetische Signale im Bereich einiger Nanotesla (nT), die in erster Ordnung proportional zu kombinierten ozeanischen Transporten von Wasser, Wärme und Salinität sind.

Messungen dieser sogenannten Bewegungsinduktion (z.B. durch Magnetometer auf Satelliten, an Landstationen oder an Unterseekabeln) ermöglichen die indirekte Beobachtung dieser integralen Größen, welche sich von der Meeresoberfläche bis hin zum Ozeanboden erstrecken. Satelliten, wie z.B. das im November 2013 gestartete Satelliten-Trio Srwam der ESA, vermessen das geomagnetische Feld global und können auch die schwache Magnetfeldkomponente des Ozeans detektieren. Insbesondere das periodische Magnetfeld der lunaren semidiurnalen (M2) Ozeantide kann aus Swarm-Satellitendaten separiert werden. Da solche Beobachtungsdaten aber Signale von verschiedenen sich überlagernden elektromagnetischen Quellen enthalten, konnten die schwachen und irregulären magnetischen Signale der Ozeanzirkulation bisher nicht aus den Satellitendaten separiert werden.

Unsere laufende Forschung zur Bewegungsinduktion im Ozean hat zum Ziel, neue Techniken der Ozeanbeobachtung zu etablieren, die auf ozeanisch induzierten Magnetfeldsignalen basieren. Die darauf aufbauende Kombination mit weiteren ozeanischen Beobachtungsmethoden, wie z.B. Satelliten-Altimetrie oder - Gravimetrie, bietet die Möglichkeit, umfassende Einblicke in großskalige Ozeandynamiken zu gewinnen.

Grafik: M2 induziertes Magnetfeld auf Meereshöhe [nT]. Link für die Animation.

Ozeanische Prozesse, die mit dem Klimawandel in Verbindung stehen, können mittels magnetischer Signale nachverfolgt werden, die durch ozeanische Tiden erzeugt werden (Fig. 1). So sind zum Beispiel Trends in den periodischen magnetischen Signalen der M2 Tide enthalten, die mit Langzeitveränderungen der Meerwasser-Leitfähigkeit in Verbindung stehen und, im Umkehrschluss, mit ozeanischen Wärme- und Salzgehalten (Saynisch et al., 2016). Damit könnten Langzeitbeobachtungen des induzierten Tidenmagnetfeldes als zusätzliches Maß für das Wärmebudget und die Erwärmung des Ozeans Verwendung finden (Saynisch et al., 2017, Irrgang et al. 2019). Als spezielle Anwendung in diesem Kontext wurde das Magnetfeld der M2 Tide auf Wärme- und Salzgehalt-induzierte Anomalien durch El Nino Events untersucht (Petereit et al., 2018). Neben den Sensitivitätsstudien werden unsere numerische Simulationen der elektromagnetischen Induktion im Ozean kontinuierlich auf ihre Robustheit untersucht (Saynisch et al., 2018b).

Grafik: Ozeanzirkulation-induziertes magnetfeld auf Meereshöhe [nT]. Link für die Animation.

Magnetische Signale der Ozeanzirkulation (Fig. 2) haben das Potential, um als Korrekturen für Zirkulationsmodelle des Ozeans verwendet zu werden. Dazu kombinieren wir numerische Vorwärtsmodelle der allgemeinen Ozeanzirkulation mit elektromagnetischen Induktionsmodellen. Diese Modellkombinationen werden benutzt, um ozeanisch induzierte Mangetfeldsignale mit Hinsicht auf ihre Intensität, zeitliche und räumliche Muster, sowie ihre Sensitivität gegenüber ozeanographischen Größen, zu charakterisieren (Irrgang et al., 2016a, 2018). Des Weiteren führen wir Ensemble-basierte Studien durch, um Fehlerquellen und -beiträge der simulierten Bewegungsinduktion abzuschätzen (Irrgang et al., 2016b). In Kombination mit Methoden der Datenassimilation werden die neuen Erkenntnisse benutzt, um Vorwärtssimulationen der allgemeinen Ozeanzirkulation mit Hilfe von Beobachtungen des ozeanischen Magnetfeldes zu korrigieren (Irrgang et al., 2017). In Verbindung mit weiteren ozeanischen Beobachtungssystemen (z.B. Satelliten-Altimetrie) können wir mit unseren Modellen und Werkzeugen neue Möglichkeiten zur Detektierbarkeit von ozeanischen Magnetfeldsignalen in Satellitenbeobachtungen untersuchen (Saynisch et al., 2018a).

Diese Forschung wurde im Rahmen des Projektes "Detectability of non-tidal ocean signals in Earth's magnetic field (OceanMag)" durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in der ersten Phase des SPP 1788 "Study of Earth system dynamics with a constellation of potential field missions" gefördert. Seit 2019 wird die Forschung in der zweiten Phase des SPP unter dem Projekttitel OceanMag-II fortgeführt.

Zuwendungsgeber: DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft

Status: laufend

Website: http://www.spp-dynamicearth.de/the-projects/geomagnetic-field/

Publikationen

  • Irrgang, C., Saynisch, J., Thomas, M. (2017). Utilizing oceanic electromagnetic induction to constrain an ocean general circulation model: A data assimilation twin experiment. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 9, 3, 1703–1720, doi:10.1002/2017MS000951.
  • Saynisch, J., J. Petereit, C. Irrgang, and M. Thomas (2017). Impact of oceanic warming on electromagnetic oceanic tidal signals: A CMIP 5 climate model based sensitivity study. Geophysical Research Letters, 44, 4994–5000, doi:10.1002/2017GL073683.
  • Saynisch, J., J. Petereit, C. Irrgang, A. Kuvshinov, and M. Thomas (2016). Impact of climate variability on the tidal oceanic magnetic signal—A model-based sensitivity study. Journal Geophysical Research Oceans, 121, 5931–5941, doi:10.1002/2016JC012027. 
  • Irrgang, C., Saynisch, J., Thomas, M. (2016b). Ensemble simulations of the magnetic field induced by global ocean circulation: Estimating the uncertainty. Journal of Geophysical Research Oceans, 121, 3, 1866–1880, doi:10.1002/2016JC011633. 
  • Irrgang, C., Saynisch, J., Thomas, M. (2016a). Impact of variable seawater conductivity on motional induction simulated with an ocean general circulation model. Ocean Science, 12, 1, 129-136, doi:10.5194/os-12-129-2016. 
  • Irrgang, C., Saynisch-Wagner, J., & Thomas, M. (2018). Depth of origin of ocean-circulation-induced magnetic signals. Ann. Geophys., 36(1), 167–180. doi:10.5194/angeo-36-167-2018.
  • Saynisch, J., Irrgang, C., & Thomas, M. (2018b). Estimating ocean tide model uncertainties for electromagnetic inversion studies. Ann. Geophys., 36(4), 1009–1014. doi:10.5194/angeo-36-1009-2018.
  • Saynisch, J., Irrgang, C., & Thomas, M. (2018a). On the Use of Satellite Altimetry to Detect Ocean Circulation’s Magnetic Signals. J. Geophys. Res. Oceans, 123(3), 2305–2314. doi:10.1002/2017JC013742.
  • Petereit, J., Saynisch, J., Irrgang, C., Weber, T., & Thomas, M. (2018). Electromagnetic characteristics of ENSO. Ocean Sci., 14(3), 515–524. doi:10.5194/os-14-515-2018.
  • Irrgang, C., Saynisch, J., & Thomas, M. (2019). Estimating global ocean heat content from tidal magnetic satellite observations. Sci. Rep., 9, 7893. https://doi.org/10.1038/s41598-019-44397-8
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