Zes uur op, zes uur af…en nog eens, weinig zo voorspelbaar als eb en vloed. Onder invloed van de zwaartekracht van de maan en in mindere mate de zon stijgt het water van de zee en zakt het weer. En dat al sinds mensenheugenis. Tot nu: wetenschappers hebben ontdekt dat de getijden veranderen, vermoedelijk door de opwarming van het oceaanwater.
Onderzoekers van de Universiteit van Bonn gebruikten een supercomputer om observaties van de getijden tussen 1993 en 2020 beter te kunnen bestuderen. “Getijden maskeren vaak andere minder voorspelbare signalen die bijvoorbeeld te maken hebben met de algemene circulatie van de oceaan of de effecten van klimaatverandering”, legt onderzoeker Michael Schindelegger uit. “Maar of we tekenen van de opwarming van de aarde uit oceaanobservaties kunnen halen, hangt ook af van de nauwkeurigheid waarmee we getijden kunnen modelleren, inclusief hun mogelijke verandering in de tijd.” Daarvoor bleken 3D-modellen uit de supercomputer nodig.
Oceaanlagen
Wetenschappers schatten dat de bovenste 700 meter van de oceaan ongeveer 90 procent van de warmte absorbeert die ontstaat door de opwarming. Naarmate deze laag water warmer wordt, breidt die zich uit en wordt hij minder dicht, wat leidt tot een groter contrast in de waterdichtheid vergeleken met dieper gelegen oceaanlagen waar het koeler blijft en de waterdichtheid groter is.
De onderzoekers vergeleken dit contrast in dichtheid met twee soorten getijdenstromen: barotrope getijden, eigenlijk de normale eb en vloed, en barokliene of interne getijden, die onderwater optreden als de normale getijden tegen de stroom in gaan. Denk aan een bergkam, waardoor golven van dichter water uit de diepte naar boven worden geduwd in minder dicht oppervlaktewater.
Met oceaanstratificatie bedoelen we de natuurlijke scheiding van het zeewater in verschillende lagen, die ontstaan doordat de dichtheid van het water verschilt. Daarbij drijft warm water op koud water. De verwarming van het water ontstaat door de zon, waardoor deze verschillende lagen nog stabieler zijn.
Energieoverdracht
“De opwarming van de oceaan verbetert de energieoverdracht van barotrope naar barokliene getijden, waardoor de getijden in de open oceaan nu een paar procent meer energie verliezen aan onderwatergolven dan dertig jaar geleden”, legt Schindelegger uit. De vraag is natuurlijk hoe erg dat is en wat de impact ervan is op de kustgebieden. Daarvoor zijn simulaties in 3D essentieel, zodat je ook diepte kunt waarnemen. Alleen dan krijg je immers echt een realistisch beeld van wat er in de verschillende oceaanlagen gebeurt.
Schindelegger vertelt hoe hij eerst een tweedimensionaal oceaanmodel gebruikte met een constante dichtheid. “Maar toen ik de oorzaken van de veranderingen in de getijden in de oceaan begon te onderzoeken, vooral de effecten van stratificatie, werden 3D-circulatiemodellen essentieel.”
Supercomputer JUWELS
Het duurde maar liefst vijf jaar voor de onderzoeker de gewenste complexiteit van het model had bereikt, maar toen bleek dat er nog meer rekenkracht nodig was om echt nauwkeurige 3D-modellen te kunnen maken. Vervolgens kwam supercomputer JUWELS van het Duitse Jülich Supercomputing Centre in beeld.
“Aangezien het rekenraster zich ook in verticale richting uitstrekt, hebben we ongeveer 300 miljoen rasterpunten om de relevante variabelen druk, temperatuur en zoutgehalte te kunnen vaststellen op basis van de vergelijkingen van het model”, zegt Schindelegger.
“We hadden een miljoen computeruren nodig om het project succesvol uit te voeren. De sleutel was om de taak over een groot aantal computerknooppunten te verdelen om zo haalbare runtimes te bereiken en geheugenproblemen te voorkomen.”
Kleine veranderingen, grote gevolgen
De getijdenveranderingen aan het oppervlak zijn tot nu toe klein. Het gaat om een daling aan de kust van ongeveer een centimeter over tientallen jaren. In de diepe oceaan is het verschil nog kleiner. Toch is het de moeite waard om door te gaan met het onderzoek om te achterhalen hoe groot de impact in de toekomst is op kustgebieden, zoals bij de Golf van Maine of in Noord-Australië waar de getijden extremer zijn en zelfs kleine veranderingen grote gevolgen kunnen hebben.
De supercomputer is daarbij een belangrijke aanvulling op de observaties. Zo kunnen onderzoekers beter begrijpen wat de rol is van de opwarmende oceaan bij veranderingen van eb en vloed.
