Analysis of the ocean-induced magnetic field and its sensitivity to ocean models

Abstract

As the oceans play a substantial role in the dynamics of Earth's climate, understanding their physical processes is of great importance. The crucial role in the study of oceans is played by observations, where satellite-based observations are becoming more and more significant. However, the most of the satellite observations are focused on the ocean surface or its shallowest parts. The ocean-induced magnetic field (OIMF), which is generated by interaction of ocean currents with Earth's ambient magnetic field, can in principle provide constraints on the ocean dynamics in the entire depth column. It is primarily governed by the 4-D distribution of ocean flow velocity, and depends only on the ocean temperature and salinity, which determine the seawater electrical conductivity. This thesis focuses on two particular OIMF related topics, which were addressed within the ESA funded Swarm for Ocean Dynamics project. First, it analyses the results of OIMF numerical simulations for different input models by application of the Principal Component Analysis in order to detect and compare the dominant spatio-temporal modes of OIMF. This is followed by the derivation of adjoint method to the electromagnetic induction problem with internal motional forcing, which allows to obtain 4-D adjoint sensitivity kernels. These...

Jelikož oceány hrají podstatnou roli v dynamice zemského klimatu, porozumění jejich fyzikálním procesům má zásadní význam. Klíčovou roli ve studiu oceánů hrají pozo- rování, přičemž stále většího významu nabývají pozorování prováděná pomocí satelitů. Většina satelitních pozorování se však zaměřuje na povrch oceánu nebo jeho nejmělčí části. Pohybově indukované magnetické pole, které vzniká interakcí oceánských proudů s ambientním magnetickým polem Země, může v zásadě poskytnout omezení na oceán- skou dynamiku v celém hloubkovém sloupci. Je především řízeno čtyřrozměrným rozlo- žením rychlosti oceánského proudění a závisí pouze na teplotě a slanosti oceánu, které určují elektrickou vodivost mořské vody. Tato práce se zaměřuje na dvě konkrétní té- mata související s pohybově indukovaným magnetickým polem, která byla řešena v rámci projektu Swarm for Ocean Dynamics financovaného agenturou ESA. Nejprve jsou ana- lyzovány výsledky numerických simulací pohybově indukovaného magnetického pole pro různé vstupní modely pomocí Analýzy hlavních komponent s cílem detekovat a porovnat dominantní časoprostorové módy tohoto pole. Následuje odvození adjungované metody, která umožňuje získat čtyřrozměrná adjungovaná jádra citlivosti. Tato jádra poskytují lepší vhled do problému a představují první významný posun směrem k...