Wissenschaftler des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung in Kiel und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben in einer innovativen Studie die Möglichkeiten von Künstlicher Intelligenz (KI) in der Ozeanforschung aufgezeigt. Diese Studie konzentriert sich auf die Analyse wesentlicher Strömungssysteme im Atlantischen Ozean und nutzt dabei Daten des internationalen Argo-Float-Programms, das seit über zwanzig Jahren autonom operierende Messbojen in den Ozeanen betreibt. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden im renommierten Fachjournal Ocean Science veröffentlicht und bieten neue Ansätze zur Überwachung und Analyse der komplexen ozeanographischen Prozesse, die das Klima in Europa maßgeblich beeinflussen.
Das Argo-Programm ist ein umfangreiches Netzwerk von circa 4.000 autonomen Bojen, die regelmäßig bis in Tiefen von 2.000 Metern eintauchen, um relevante Messungen wie Temperatur, Salzgehalt und Druck durchzuführen. Diese wertvollen Daten werden mithilfe von Satelliten an ein globales Netzwerk übermittelt, das Wissenschaftlern auf der ganzen Welt zur Verfügung steht. In den letzten Jahrzehnten hat diese Methode die Ozeanforschung revolutioniert, da sie eine nahezu flächendeckende Datensammlung in den Weltmeeren ermöglicht.
In ihrer Forschung untersuchten die Wissenschaftler, inwieweit die verstreuten Messdaten des Argo-Programms Informationen über großflächige Strömungssysteme, insbesondere die Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (AMOC), bereitstellen können. Dr. Yannick Wölker, der Hauptautor der Studie, erläutert, dass sie mithilfe von KI und maschinellem Lernen die vorhandenen Messdaten nutzen wollten, um ein tiefergehendes Verständnis dieser Strömungen zu erlangen. Diese Strömungen sind von zentraler Bedeutung für den Wärmetransport und die Regulierung des Klimas in Europa.
Die AMOC ist ein bedeutendes Strömungssystem, das warmes Wasser aus den tropischen Regionen in den Norden transportiert, wo es abkühlt und in tiefere Wasserschichten sinkt. Diese zirkulatorischen Bewegungen haben nicht nur Einfluss auf die Temperaturen, sondern auch auf das Wettergeschehen in Europa. Ein zentrales Ziel der Klimaforschung besteht darin, die Stabilität dieses Systems und seine Reaktionen auf den Klimawandel zu verstehen. Bisher beschränkten sich direkte Messungen jedoch auf einige wenige fixe Stationen im Atlantik, was die Analysen erschwerte und kostspielig machte.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, kombinierten die Forscher Beobachtungsdaten mit hochaufgelösten ozeanographischen Modell-Simulationen. Sie entwickelten ein KI-Modell, das in der Lage ist, Muster in den Daten zu erkennen, um die Beziehungen zwischen Strömungsmustern und den gesammelten Profilen von Temperatur und Salzgehalt zu analysieren. Dieses Wissen wurde auf die realen Daten des Argo-Netzwerks angewendet, um die Strömungsstärken im großen Maßstab abzuleiten, insbesondere den geostrophischen Anteil der Zirkulation, der bislang nur schwer zu erfassen war.
Die Resultate dieser neuen Methodik sind vielversprechend: Die geschätzten Werte, die aus den Daten des Argo-Programms abgeleitet wurden, stimmen gut mit bestehenden Beobachtungen und Modellsimulationen überein. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Ozeanbeobachtung dar. Dennoch weisen die Forscher auf die Limitationen ihrer Methode hin: Diese beruht auf spezifischen Modellannahmen und ist nur für bestimmte Zeiträume anwendbar. Kurzfristige Schwankungen oder langfristige Trends in der AMOC können nur eingeschränkt erfasst werden.
Die entwickelte Methodik zielt nicht darauf ab, bestehende Messsysteme zu ersetzen, sondern sie sinnvoll zu ergänzen und zu optimieren. Dr. Wölker hebt hervor, dass es essenziell ist, vorhandene Daten besser zu nutzen, um Beobachtungslücken zu schließen. Für die zukünftige Planung von Messnetzwerken könnte dieser Ansatz von großer Bedeutung sein, da er demonstriert, wie globale Programme wie Argo durch moderne Datenanalyse an Bedeutung gewinnen können.
Abschließend betont Prof. Dr. Arne Biastoch vom GEOMAR, dass die Anwendung von Künstlicher Intelligenz dazu beitragen kann, strategische Entscheidungen für zukünftige Ozeanmessungen zu treffen. Diese Studie verdeutlicht, wie interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Meeresforschern und Informatikern neue Perspektiven in der Ozeanforschung eröffnet und die
