Forschung im HLRN-Verbund 2011

90Geht den tropischen Ozeanen die Luft aus?Ventilation der Sauerstoffminimumzonen in den tropischen OzeanenF.U. Schwarzkopf, C.W. Böning, IFM-GEOMAR,Leibniz-Institut für Meereswissenschaften an derUniversität KielKurzgefasst• Meerestiere benötigen im Meerwasser gelöstenSauerstoff zum Leben.• In den tropischen Ozeanbecken gibt es Zonen,in denen nur wenig Sauerstoff vorhanden ist: dieSauerstoffminimumzonen.• Im Zuge des Klimawandels scheinen sich dieseZonen auszudehnen und die Sauerstoffkonzentrationenfallen weiter [1].• Um die physikalischen Prozesse der Belüftungdieser Zonen zu untersuchen benötigt man hochauflösendeOzeansimulationen.• Die Integration dieser feinskaligen Modelle wirdauf 512 Prozessoren durchgeführt und bedarf einerhohen Speicherkapazität.Die meisten Meerestiere atmen, wie auch derMensch, Sauerstoff (O 2 ). Allerdings sind sie nichtin einer so luxuriösen Situation, ständig von diesemLebenselixier in passender Dosierung umgebenzu sein. Komplexe physikalische sowiebiologisch-chemische Prozesse beeinflussen dieSauerstoffverteilung im Ozean. Über die Oberflächewird O 2 in den Ozean eingebracht und auchnur in der obersten Schicht durch Photosynthesefreigesetzt. Darunter wird O 2 durch den Abbau organischenMaterials verbraucht. Durch bestimmteWind- und Strömungsbedingungen quillt in denTropen nährstoffreiches Wasser auf, in dem O 2 besondersschnell abgebaut wird. Außerdem findethier keine direkte Belüftung von der Oberflächeaus statt, wodurch in mittleren Tiefen zwischen200 m und 600 m Bereiche entstehen, in denennur sehr geringe Sauerstoffkonzentrationen vorkommen.Erst über lange Transportwege gelangtsauerstoffreiches Wasser aus höheren Breiten indiese Regionen. In diesem Projekt wird der Einflussvon Strömungsveränderungen auf die Sauerstofftrendsin diesen Sauerstoffminimumzonen untersucht.Diese Prozesse werden mit einem numerischenModell, welches unter dem Schirm dereuropäischen DRAKKAR Gruppe, basierend aufdem System des “Nucleus for European Modellingof the Ocean” (NEMO) entwickelt wurde, simuliert:Der globale Ozean wird mit einem Netzüberspannt, dessen Maschen ca. 50 km weit sindund an jedem Knotenpunkt dieses Netzes werdenTemperatur, Salzgehalt und die dreidimensionaleStrömungsgeschwindigkeit berechnet. Dies passiertnicht nur an der Oberfläche sondern in 46vertikalen Schichten, welche zwischen 6 m und250 m auseinander liegen. Insgesamt sind dasknapp 8 Millionen Wasserpunkte. Um die kritischenStrömungsprozesse mit hoher Wirbelaktivitätin den tropischen Ozeanen angemessen darstellenzu können, wird in dieses globale Modellein feineres Netz, ein sogenanntes “Nest”, dessenMaschen nur noch ca. 10 km weit geöffnetsind, eingeflochten. Allein für den tropischen Atlantikkommen so nochmals über 13 Millionen Punktehinzu. (Für eine ähnliche Konfiguratuion im tropischenPazifik sind es 63 Millionen weitere Gitterpunkte.)Die dreidimensionalen Transportwegevon Oberflächenwasser in den tiefen Ozean werdenauf zwei verschiedene Weisen diagnostiziert:durch Verfolgen der Bahnen einzelner, markierterWasserteilchen und durch die Betrachtung ander Oberfläche eingebrachter Spurenstoffe, welchekeinen chemischen oder biologischen Prozessenunterliegen und sich allein durch Advektionund Diffusion ausbreiten. Diese Ozeanmodellewerden mit atmosphärischen (Wind, Wärmeflüsse)Reanalysedaten über den Zeitraum 1948 bis 2007angetrieben, und simulieren so die Veränderungender ozeanischen Bedingungen. Analysiert werdenfünftägige Mittelwerte für die ozeanischen Größensowie die eingebrachten Spurenstoffe. Diese hohezeitliche Auflösung ist von Nöten um zum Beispielrealistische Trajekorienanalysen betreiben zukönnen, welche komplementär zum EulerschenGeschwindigkeitsfeld eine Lagrangesche Betrachtungder Strömungen ermöglichen. Die Integrationeines Modelljahres des Atlantik-Nestes benötigtunter Verwendung von 512 Prozessoren auf derICE2 4 bis 4 1/2 Stunden Zeit und produziert176GB Daten.Die obere Schicht der Ozeane ist dadurchgekennzeichnet, dass sie sehr gut durchmischtund damit auch sauerstoffreich ist. Ein Eintragvon Oberflächenwasser in tiefere Schichten findetnur in mittleren und höheren Breiten statt,nicht aber in den Tropen. Das Wasser dort hatschon lange Wege seit der letzten Berührungmit der Oberfläche hinter sich. Wasser aus densüdlichen Subtropen strömt entlang der Küste Brasiliensin einem schmalen Strom, dem Nordbrasilstrom,zum Äquator. Auch von Norden kommt entlangder südamerikanischen Küste Wasser in dieseRegion. Von dort breitet es sich in mehrerenGeowissenschaften