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Gezeiten der Erde werden von mehr als nur dem Mond geprägt
Ein bislang vernachlässigter Rückkopplungseffekt innerer Gezeiten kann erklären, warum globale Gezeitenmodelle zu viel Energieverlust berechnen. Ein neues Modell berücksichtigt auch Kräfte, die zeitlich gegen die Oberflächengezeiten verschoben wirken und deren Stärke verändern. Dadurch sinkt der berechnete Energieverlust von mehr als 3,0 auf 2,4 Terawatt und stimmt mit Beobachtungen überein.
Canberra (Australien). Mond und Sonne treiben die Gezeiten an, doch ihre tatsächliche Höhe hängt stark von Ozeanbecken, Küsten und Meeresboden ab. Ein Teil der Energie großräumiger Oberflächengezeiten wird übertragen, wenn Wasser über raue Tiefseestrukturen strömt und dabei innere Gezeiten erzeugt. Diese Wellen bewegen sich im geschichteten Ozeaninneren und können weit von ihrem Entstehungsort entfernt wirken.
Für die dominante halbtägige M2-Gezeit werden dem Ozean weltweit rund 2,4 Terawatt zugeführt. Beobachtungsbasierte Schätzungen deuten darauf hin, dass davon etwa 70 Prozent in flachen Meeresgebieten und rund 30 Prozent im tiefen Ozean dissipiert werden. Globale Gezeitenmodelle können die Wasserstände inzwischen recht gut nachbilden, ihre Energiebilanz stimmt aber häufig nicht mit diesen Beobachtungen überein.
Forscher der Australian National University (ANU) um Dr. Luwei Yang haben nun untersucht, wodurch diese Abweichung entsteht. Das Team nutzte ein lineares, einschichtiges globales Modell der M2-Gezeit und ergänzte darin einen bisher meist fehlenden Effekt. Er entsteht, wenn sich innere Gezeiten vom Entstehungsort ausbreiten und über Druckänderungen am Meeresboden auf die großräumige Oberflächengezeit zurückwirken.
Entscheidend ist die zeitliche Lage dieser Kraft zur Gezeitenströmung. Eine phasengleiche Komponente entzieht der Oberflächengezeit direkt Energie. Eine um 90 Grad verschobene Komponente verrichtet über einen Gezeitenzyklus dagegen keine Nettoarbeit, verändert aber die Strömungsamplitude und damit indirekt die gesamte Energiebilanz. Übliche Parametrisierungen berücksichtigen vor allem die erste Komponente.
Die Wissenschaftler haben Bodenreibung, phasengleiche Wellenkraft und phasenverschobene Wellenkraft systematisch variiert. Getestet wurden Gitterweiten von einem Grad bis 0,125 Grad. Damit konnten sie prüfen, ob dieselbe Physik sowohl in groben als auch in deutlich feineren globalen Modellgittern eine konsistente Lösung liefert.
Ohne die phasenverschobene Wellenkraft fand das Team keine Kombination der übrigen Reibungsparameter, die zugleich Gezeitenenergie, gesamten Energieverlust und den Anteil der wellenbedingten Dissipation korrekt wiedergab. Die Modelle überschätzten den gesamten Energieverlust deutlich. Mit der zusätzlichen Komponente sank dieser Wert von mehr als 3,0 auf 2,4 Terawatt und lag damit im beobachtungsbasierten Bereich.
Auch die räumliche Aufteilung änderte sich. In der globalen Bilanz sank die Dissipation in flachen Meeresgebieten von 1,98 auf 1,67 Terawatt. Im tiefen Ozean ging sie von 1,27 auf 0,80 Terawatt zurück. Besonders starke Änderungen traten unter anderem an großen Rücken im tiefen Ozean auf, an denen innere Gezeiten erzeugt werden.
Der neue Ansatz funktionierte über die gesamte untersuchte Spannweite der Modellauflösung. Bei gröberen Gittern musste die phasenverschobene Kraft stärker parametrisiert werden, bei feineren Gittern schwächer. Das passt zur Erklärung der Autoren, dass feinere Modelle einen größeren Anteil der entsprechenden Wechselwirkung mit kleiner Meeresbodentopografie bereits direkt erfassen.
Konventionell abgestimmte Modelle ohne diese Kraft verringerten ihren Fehler bei den berechneten Wasserständen zwar mit steigender Auflösung. Ihre globale Energiebilanz blieb jedoch auch beim feinsten untersuchten Gitter inkonsistent. Die zusätzliche Parametrisierung könnte deshalb vor allem dort nützlich sein, wo globale Gezeiten über lange Zeiträume oder zusammen mit anderen aufwendigen Ozeanprozessen simuliert werden müssen.