GeOGEM - frontiers-of-geodetic-science.de · Paleomap Project (C. R. Scotese) 13/21. Vorstellung Überblick Motivation Erste SimulationenAusblick Gezeitenkraft im MPIOM Numerische

Vorstellung Überblick Motivation Erste Simulationen Ausblick

GeOGEM - Modellrechnungen zu den Gezeitenfrüherer Ozeane und zur Geschichte des

Erde-Mond-SystemsGeodätische Woche 2012, Session: Erdrotation und Geodynamik I

Petra [email protected]

Wissenschaftliches RechnenFachbereich Informatik, Universität Hamburg

09.10.2012

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Agenda

1 Vorstellung

2 Überblick

3 Motivation

4 Erste Simulationen

5 Ausblick

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Projektgruppe

Prof. Dr. Thomas LudwigWissenschaftliches Rechnen, Fachbereich Informatik, UniversitätHamburgDeutsches Klimarechenzentrum, Hamburg

Prof. Dr. Maik ThomasDeutsches GeoForschungsZentrums, Helmholtz-ZentrumPotsdam

Dr. Johann JungclausMax-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg

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Projektgruppe

Prof. Dr. Jürgen SündermannInstitut für Ozeanographie, Universität Hamburg

Prof. Dr. Peter BroscheInstitut für Astronomie, Universität Bonn

Dipl.-Phys. Petra NergeWissenschaftliches Rechnen, Fachbereich Informatik, UniversitätHamburg

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Wissenschaftliches Rechnen

Sitz am Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ)

Hochleistungsrechnen mit dem Fokus auf Erdsystem- undKlimaforschung

http://wr.informatik.uni-hamburg.de

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http://wr.informatik.uni-hamburg.de


Überblick

Simulationen der ozeanischen Gezeiten für eine Zeitscheibe desNeoproterozoikums (∼620 Ma zurück)

Vergleich mit jüngsten geologischen Proxydaten über dasGezeitenspektrum der australischen Kontinentalplatte

Evolution der ozeanischen Gezeiten unter dem Einfluss derKontinentaldrift von heute bis zurück ins Neoproterozoikums

Fokus auf den Drehimpulstransfer zwischen Erde und Mond fürdie dynamische Entwicklung der Erde-Mond-Systems

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Überblick

Rechentechnisch aussichtslos den Zeitraum von 620 Madurchgehend zu simulierenMindestens 62 Simulationen mit einer Abtastrate von 10 Ma

Simulationszeit wenigstens 100 Jahre (Hauptperiode der Nutationderzeit 18,6 Jahre)

Grundlage dafür bildet das Max-Planck-Institut Ozeanmodell -MPIOM - (Marsland et al., 2003) als

baroklines Zirkulationsmodell mit einemephemeridischen Gezeitenantrieb (Thomas, 2001) undbi- oder tripolaren Gitter mit freier Wahl der Pole

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Gegenwärtige säkulare Änderungen des Erde-Mond-Systems(Williams et al., 2008)

Zunahme der Monddistanz: 4 cm/JahrZunahme der Tageslänge: 2 ms/Jahrhundert

Erste Simulation der M2 Tide für den Ozean im Perm, 250 -230 Ma (Brosche and Sündermann, 1978)

Drehimpulsübertragung von der Erde zum Mond um den Faktor 2kleiner als heute - bei Gezeitenamplituden ähnlich zu heute

Simulationen der M2 und O1 Tide zeigen bereits überZehntausend Jahre eine Variation des mittlerenGezeitendrehmoments um 10% (Thomas and Sündermann,1999).

Simulationen der M2 Tide für 10 Topographien desPräkambriums von heute bis zur Roche-Grenze > 4,5 MilliardenJahre (Nerge, 1998)

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Geologischer Proxy für ∼ 620 Ma (Williams, 2000)

Erster selbstkonstistenter geologischer Proxy zumNeoproterozoikum

Analyse von Sedimentschichten in Südaustralien60 Jahre mit 1580 Nipp-Spring-Zyklen4,2 Jahre mit 1337 unterscheidbaren täglichen Sedimentschichtenaus 110 Nipp-Spring-Zyklen

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Geologischer Proxy für ∼ 620 Ma (Williams, 2000)

Gezeitenspektrum ∼ 620 Ma Heute

Mondtage pro synodischen Monat 29,5 ± 0,5 28,53Sonnentage pro synodischen Monat 30,5 ± 0,5 29,53Sonnentage pro siderischen Monat 28,3 ± 0,5 27,32Synodischen Monate pro Jahr 13,1 ± 0,1 12,37Siderische Monate pro Jahr 14,1 ± 0,1 13,37Periode der Perigäumsdrehung [Jahre] 9,7 ± 0,1 8,85Lunare Knotenperiode [Jahre] 19,5 ± 0,1 18,61Sonnentage pro Jahr 400 ± 7 365,24Tageslänge [Stunden] 21,9 ± 0,4 24,00Monddistanz [Erdradien] 58,2 ± 0,3 60,27Monddistanzänderung [cm/Jahr] 2,2 ± 0,3 3,82 ± 0,07

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Ephemeriden auf der geologischen Zeitskala

Simulationen für einen Zeitraum von -250 Ma bis 250 Ma für dieastronomische Berechnung der Sonneneinstrahlung auf die Erde(Laskar et al., 2004)

Mon

ddis

tan

z in

Erd

radi

en

Zeit in Ma11 / 21


Paläogeographische Karten

Paläogeographische Karten zum Neoproterozoikum nach Li(2008)

Synthese zur Formation (1300 Ma - 900 Ma) und zumAuseinanderbrechen (< 600 Ma) des Superkontinents Rodina530 Ma Formation Gondwana abgeschlossenPaläomagnetische und geologische Daten und derenKorrelationen

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Paläogeographische Karten

Paläogeographische Karten zum Phanerozoikum:Müller et al. (2008), http://www.earthbyte.orgSchettino and Scotese (2005)Paleomap Project (C. R. Scotese)

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http://www.earthbyte.org


Gezeitenkraft im MPIOM

Numerische Berechnung des lunisolaren GezeitenpotentialsKenntnis des jeweiligen Abstandes, der Rektaszension sowie derDeklination von Sonne und Mond nötigDie Ephemeriden werden mit Hilfe von Näherungsformeln direktwährend des Modelllaufs nach Van Flandern and Plukkinen(1979) ermitteltGenauigkeit beträgt

für die Sonne einen Bruchteil einer Bogenminutefür den Mond 1-2 Bogenminuten

Die Gültigkeit ist mit ±300 Jahren angegeben

Das Selbstanziehungs- und Auflastpotential sind nach Accad undPekeris (1978) parametrisiert

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M2 Tide der Gegenwart

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M2 Tide der Gegenwart (Zahel et al., 2000)

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M2 Tide der Gegenwart für Topographie desPaläozän/Eozän (∼ 55 Ma zurück)

Topographie der Klimauntersuchungen zum Paläozän/Eozän mitMPIOM von Heinemann et al. (2009)

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Ausblick

Eine wesentlich dichtere Rekonstruktion der ozeanischenGezeitendynamik vom Präkambrium bis heute

Geologie: Interpretation von Wachstumsrhythmen oderSedimentmustern.Astronomie und Geodäsie: Energie- und Impulsblilanzen beider Evolution des Erde-Mond-Systems

Dissipative Effekte durch Gezeitenreibung eine der größtenUnsicherheiten

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Förderungdes Projektes unter dem Zeichen LU 1353/6 und dem Deutschen

Klimarechenzentrum für deren Förderung und Unterstützung.

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Literaturverzeichnis

Accad, Y. and Pekeris, C., 1978. Solution of the tidal equations for the M2 and S2 tides in theworld oceans from a knowledge of the tidal potential alone. Philosophical Transactions of theRoyal Society London, Serie A 290, 235-266.

Brosche, P. and Sündermann, J., eds., 1978. Tidal Friction and the Earth’s Rotation.Proceedings of a Workshop, Bielefeld, 26-30 September 1977. Springer-Verlag. 243 p.

Laskar, J., Robutel, P., Joutel, F., Gastineau, M., Correia, A. C. M. and Levrard, B., 2004. Along-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth. Astronomy andAstrophysics, 428(1), 261-285.

Li, Z. X., Bogdanova, S. V., Collins, A. S., Davidson, A., De Waele, B., Ernst, R. E., Fitzsimons, I.C. W., Fuck, R. A., Gladkochub, D. P., Jacobs, J., Karlstrom, K. E., Lu, S., Natapov, L. M., Pease,V., Pisarevsky, S. A., Thrane, K. and Vernikovsky, V., 2008. Assembly, configuration, andbreak-up history of Rodinia: A synthesis. Precambrian Research, 160, 179-210.

Marsland, S. J., Haak, H., Jungclaus, J.H., Latif, M. and F. Roeske, 2003. TheMax-Planck-Institute global ocean/sea-ice model with orthogonal curvilinear coordinates. OceanModelling 5, 91-127.

Müller, D., Sdrolias, M., Gaina, C., Steinberger, B. and Heine, C., 2008. Long-term sea-levelfluctuations driven by ocean basin dynamics. Science 319, 1357. doi:10.1126/science.1151540.

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Literaturverzeichnis

Nerge, P., 1998. Resonanzeigenschaften der globalen Ozeangezeiten für Topographien derGegenwart und des Proterozoikums - Gezeitendrehmoment und die Entwicklung des SystemsErde-Mond während der Erdgeschichte. Diplomarbeit, Institut für Meereskunde, UniversitätHamburg. 117p.

Schettino, A. and Scotese, C. R., 2005. Apparent polar wander paths for the major continents(200 Ma to the present day): a paleomagnetic reference frame for the global plate tectonicreconstructions. Geophysical Journal International, 163, 727-759.

Thomas, M., 2001. Ozeanisch induzierte Erdrotationsschwankungen - Ergebnisse einesSimultanmodells für Zirkulation und Gezeiten im Weltozean. Dissertation, Universität Hamburg,Fachbereich Geowissenschaften, 129p.

Thomas, M. and Sündermann, J., 1999. Tides and tidal torques of the world ocean since the lastglacial maximum. Journal of Geophysical Research, 104, C2, 3159-3183.

Van Flandern, T. C. and Pulkkinen, K. F., 1979. Low-precision formulas for planetary positions.Astrophysical Journal Supplement Series, 41(3), 391-411.

Williams, G. E., 2000. Geological constraints on the precambrian history of earth’s rotation andthe moon’s orbit. Reviews of Geophysics, 38, 37-59.

Williams, J. G., Boggs, D. H. and Folkner W. M., 2008. DE421 Lunar orbit, physical librations,and surface coordinates. JPL IOM 335-JW, DB, WF-20080314-001, March 14, 2008.

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