Мало що в природі так передбачувано, як океанські припливи. Спричинені силою тяжіння Місяця та Сонця, ці постійні короткочасні явища великої величини помітні майже в усіх типах океанографічних і супутникових спостережень. Вони також безпосередньо впливають на ритм життя мільйонів людей і незліченних екосистем.
Але останнім часом дослідники помітили незначні зміни в поверхневих припливних вимірюваннях, які не збігаються зі змінами в гравітаційному тяжінні Місяця та Сонця. Натомість зібрані дані та теорія вказують на те, що за спостереженнями може стояти потепління поверхні океану.
Щоб дослідити ці явища, д-р Міхаель Шінделеггер з Боннського університету використовував суперкомп’ютерні ресурси Юліхського суперкомп’ютерного центру (JSC), щоб краще зрозуміти дані спостережень, зібрані в період з 1993 по 2020 рік, покращуючи точність тривимірної (3D) циркуляції океану. моделі в процесі.
Дослідження опубліковано в журналі Communications Earth & Environment .
«Припливи часто маскують інші потенційно цікаві та менш передбачувані сигнали, пов’язані, наприклад, із загальною циркуляцією океану або наслідками зміни клімату», — пояснює Шінделеггер. «Отримання кліматичних сигналів з океанографічних спостережень також залежить від точності, з якою ми можемо моделювати припливи, включаючи їхні потенційні зміни з часом».
Внутрішні струми додають складності
Вчені підрахували, що верхні 700 метрів океану поглинають близько 90% надлишкового тепла, яке утримується в системі потепління клімату. Коли ця зона океану нагрівається, вона також розширюється та стає менш щільною, що призводить до більшого контрасту щільності води порівняно з нижчими рівнями океану, які залишаються холоднішими та щільнішими.
Зокрема, Шінделеггер та його колеги досліджують взаємозв’язок між потеплінням клімату, стратифікацією океану як мірою контрасту щільності та двома типами припливних течій: баротропними припливами, які стосуються періодичного руху океанських течій, пов’язаного з гравітаційними силами ; і бароклінічні або внутрішні припливи, які виникають, коли баротропні припливи течуть проти підводного рельєфу, як хребет, змушуючи хвилі щільнішої води з глибини штовхати вгору до менш щільної поверхневої води.
«Потепління у верхній частині океану посилює передачу енергії від баротропних до бароклінних припливів, так що припливи у відкритому океані зараз втрачають на кілька відсотків більше припливної енергії на внутрішні хвилі, ніж три десятиліття тому», — пояснює Шінделеггер. Щоб оцінити серйозність цих змін і передбачити їхній вплив на прибережні регіони, моделювання стало важливим інструментом.
Дані спостережень і моделювання повинні працювати разом
Спостереження та моделювання океанських припливів і відпливів не є чимось новим, і свіжі дані для роботи стають доступними щогодини щодня. Однак зібрані дані поблизу узбережжя можуть бути вражені «шумом» і помилками, тоді як комп’ютерні моделі завжди є спрощеним представленням процесів у реальному світі. Ось чому, за словами Шінделеггера, необхідно враховувати як дані спостережень, так і моделі під час перевірки приливних змін.
Крім того, розгляд припливів у більш реалістичному, стратифікованому океані, включаючи ці бароклінічні припливи, означає, що встановлені 2D моделі океану потрібно буде розширити, щоб включити глибину як третій вимір і мати вищу горизонтальну роздільну здатність для досягнення корисної точності.
«Перші спроби моделювання були обмежені одношаровою моделлю океану постійної щільності, яку я навіть міг запускати на одному ЦП», — каже Шінделеггер. «Але коли я почав досліджувати причини змін океанських припливів, особливо наслідки стратифікації, тривимірні моделі загальної циркуляції стали важливими».
Шінделеггер каже, що витратив близько п’яти років на поступове додавання складності моделі, але стало ясно, що для досягнення необхідної роздільної здатності для точних 3D-моделей знадобиться більше обчислювальної потужності. З цієї причини Шінделеггер і його колеги звернулися до суперкомп’ютера JSC JUWELS.
«Оскільки обчислювальна сітка також розширюється у вертикальному напрямку, у нас є близько 300 мільйонів точок сітки для діагностики відповідних змінних тиску, температури та солоності за рівняннями моделі», — говорить Шінделеггер.
«Для успішного виконання проекту нам довелося використати один мільйон основних годин. Розподіл завдання на велику кількість обчислювальних вузлів був ключовим для досягнення реального часу виконання та уникнення проблем з пам’яттю. Ресурси, доступні на JUWELS, забезпечили необхідну основу для такого роду додатків. .»
Прогнозування майбутніх припливів
Шінделеггер каже, що, незважаючи на те, що ці приливні зміни на поверхні поки що незначні — падіння приблизно на один сантиметр за кілька десятиліть на узбережжі, і навіть менше в глибокому океані, все одно варто продовжувати вдосконалювати 3D-модель, поки вона не зможе передбачити за допомогою з розумною точністю, як ці зміни в стратифікації океану вплинуть на прибережні регіони в майбутньому. Особливо для таких місць, як затока Мен або північна Австралія, де припливи яскраво виражені та стикаються зі складним підводним рельєфом, навіть ці невеликі зміни можуть мати значні наслідки.
Маючи безперервний доступ до суперкомп’ютерних ресурсів, Шінделеггер і його співробітники використовуватимуть потужний інструмент для доповнення вивчення даних спостережень. Разом ці два методи дослідження допоможуть дослідникам у галузі геофізики краще зрозуміти роль, яку відіграє нагрівання океану для припливів і відпливів, а також їх роль у кліматичній системі.