Nuevos modelos 3D detectan sutiles cambios que pueden tener considerables implicaciones
Pocas cosas en la naturaleza son tan predecibles como las mareas oceánicas. Impulsados por la atracción gravitacional de la Luna y el Sol, estos persistentes fenómenos, de período corto y de gran magnitud son evidentes en casi todos los tipos de observaciones oceanográficas y satelitales. También impactan directamente el ritmo de vida de millones de personas y de innumerables ecosistemas.
Pero últimamente los investigadores han observado sutiles cambios en las mediciones de las mareas en la superficie que no coinciden con los cambios en la atracción gravitacional de la Luna y el Sol. En cambio, los datos y la teoría recopilados indican que el calentamiento de la superficie del océano puede estar detrás de las observaciones.
Para investigar estos fenómenos, el Dr. Michael Schindelegger de la Universidad de Bonn ha estado utilizando recursos de supercomputación en el Centro de Supercomputación Jülich (JSC) para comprender mejor los datos de observación recopilados entre 1993 y 2020, mejorando en el proceso la precisión de los modelos tridimensionales (3D) de circulación oceánica.
"Las mareas a menudo ocultan otras señales potencialmente interesantes y menos predecibles relacionadas, por ejemplo, con la circulación general del océano o los efectos del cambio climático", explica Schindelegger. "Extraer señales climáticas de observaciones oceanográficas también depende de la precisión con la que podamos modelar las mareas, incluidos sus posibles cambios a lo largo del tiempo".
Imagen: Cambios en el tamaño de la marea M2 dos veces al día causados por el reciente calentamiento de los océanos. Se realizaron grandes simulaciones con un modelo oceánico tridimensional global en JUWELS para determinar tanto el cambio de la marea baroclínica (panel a) como la marea barotrópica (panel b). Los valores son tendencias de la amplitud de la superficie de marea respectiva durante 28 años. Crédito: Michael Schindelegger y Lana Opel.
Las corrientes internas añaden complejidad
Los científicos estiman que los 700 metros superiores del océano absorben alrededor del 90% del exceso de calor atrapado en el sistema climático en calentamiento. A medida que esta zona del océano se calienta, también se expande y se vuelve menos densa, lo que genera un mayor contraste en la densidad del agua en comparación con los niveles inferiores del océano que permanecen más fríos y densos.
Específicamente, Schindelegger y sus colegas están explorando la relación interactiva entre el calentamiento del clima, la estratificación del océano como medida del contraste de densidad y dos tipos de corrientes de marea: mareas barotrópicas, que se refieren al movimiento periódico de las corrientes oceánicas asociadas con fuerzas gravitacionales; y mareas baroclínicas o internas, que ocurren cuando las mareas barotrópicas fluyen contra la topografía submarina, como una cresta, provocando que olas de agua más densa desde las profundidades empujen hacia arriba hacia aguas superficiales menos densas.
"El calentamiento en la superficie del océano mejora la transferencia de energía de las mareas barotrópicas a las baroclínicas, de modo que las mareas de mar abierto están perdiendo ahora un pequeño porcentaje más de energía de marea debido a las olas internas que hace tres décadas", explica Schindelegger. Para evaluar la gravedad de estos cambios y predecir su impacto en las regiones costeras, las simulaciones se han convertido en una herramienta esencial.
Imagen: La dinámica de la marea M2 que ocurre dos veces al día, ilustrada tomando el ejemplo del sur del Océano Índico.
Los datos de observación y el modelado deben trabajar juntos
Observar y modelar las mareas oceánicas no es nada nuevo, y cada hora del día hay nuevos datos disponibles para trabajar. Sin embargo, los datos recopilados cerca de la costa pueden verse afectados por "ruido" y errores, mientras que los modelos informáticos son siempre representaciones simplificadas de procesos en el mundo real. Por eso, según Schindelegger, es imperativo tener en cuenta tanto los datos de observación como los modelos al realizar pruebas de cambios de marea.
Además, considerar las mareas en un océano estratificado más realista, incluidas estas mareas baroclínicas, significa que los modelos oceánicos 2D establecidos deberían ampliarse para incluir la profundidad como una tercera dimensión y tener una resolución horizontal más alta para lograr una precisión útil.
"Los primeros intentos de modelado se limitaron a un modelo oceánico de densidad constante y una sola capa, que podía incluso ejecutar en una sola CPU", dice Schindelegger. "Pero cuando comencé a investigar las causas de los cambios en las mareas oceánicas, especialmente los efectos de la estratificación, se volvieron esenciales los modelos en 3D de circulación general".
Schindelegger dice que pasó unos cinco años añadiendo gradualmente complejidad al modelo, pero quedó claro que para lograr la resolución necesaria para modelos 3D precisos, se necesitaría más potencia informática. Por este motivo, Schindelegger y sus colegas recurrieron al superordenador JUWELS del JSC.
"Como la cuadrícula computacional también se extiende en dirección vertical, tenemos alrededor de 300 millones de puntos de cuadrícula para diagnosticar las variables relevantes de presión, temperatura y salinidad a partir de las ecuaciones del modelo", afirma Schindelegger.
"Tuvimos que utilizar un millón de horas centrales para ejecutar con éxito el proyecto. Distribuir la tarea a una gran cantidad de nodos computacionales fue clave para lograr tiempos de ejecución viables y evitar problemas de memoria. Los recursos disponibles en JUWELS proporcionaron la base necesaria para este tipo de aplicación."
Predecir mareas futuras
Schindelegger dice que, aunque estos cambios de marea en la superficie son sutiles hasta ahora, una caída de aproximadamente un centímetro durante varias décadas en la costa, y menos aún en las profundidades del océano, todavía vale la pena seguir mejorando el modelo 3D hasta que pueda predecir con una precisión razonable cómo afectarán estos cambios en la estratificación del océano a las regiones costeras en el futuro. Especialmente en lugares como el Golfo de Maine o el norte de Australia, donde las mareas son pronunciadas y encuentran una compleja topografía submarina, incluso estos pequeños cambios pueden tener considerables implicaciones.
Con acceso continuo a recursos de supercomputación, Schindelegger y sus colaboradores aprovecharán una poderosa herramienta para complementar el estudio de datos de observación. En conjunto, estos dos métodos de investigación ayudarán a los investigadores de geociencias a comprender mejor el papel que desempeña el calentamiento del océano en las mareas y su papel en el sistema climático.
La investigación se publica en la revista Communications Earth & Environment: A likely role for stratification in long-term changes of the global ocean tides
