The general circulation of the world ocean generates characteristic magnetic signals by interacting with the ambient geomagnetic field. These ocean-induced magnetic signals can principally be measured by satellites and could serve as indirect observations of the ocean. Since the so-called motionally induced magnetic field is to first order proportional to conductivity-weighted and depth-integrated ocean velocities, global oceanic magnetic field observations could provide new constraints on oceanic transports of water, heat, and salinity. However, many aspects of electromagnetic induction in the ocean are either not well understood or unknown. This ranges from the basic characterization of motional induction in the ocean to possible applications and benefits for ocean modelling. This cumulative thesis encompasses the characterization of electromagnetic induction in the ocean, both in terms of physical properties and model uncertainties. One new application of electromagnetic induction in the ocean is investigated, namely the possibility to constrain an ocean general circulation model with satellite observations of the ocean-induced magnetic field. An electromagnetic induction model is implemented into an ocean general circulation model. This model combination allows the investigation of specific influences of seawater properties on motional induction. In previous studies, the electric conductivity of seawater was often treated in a simplified way by assuming it to be uniformly distributed in the ocean and temporally constant. In the first application of the combined numerical models, it is shown that this assumption is insufficient for capturing the temporal variability of motional induction accurately. Considering a realistic three-dimensional seawater conductivity distribution based on ocean temperature and salinity increases the temporal variability of ocean-induced magnetic signals by up to 45 %. These changes are found to predominantly originate from large vertical gradients of seawater conductivity in the upper ocean. The modelling of the general ocean circulation and of motional induction is affected by various uncertainties and errors, which are introduced by forcing input data and by the numerical models themselves. For potential applications of motional induction, e.g., a reliable comparison of model results with observational data, or data assimilation experiments, a realistic estimation of model uncertainties is essential. Ensemble simulations based on different error scenarios are performed to estimate the aggregated uncertainty of the modelled ocean-induced magnetic field. It is shown that the uncertainty of the modelled ocean-induced magnetic field reaches up to 30 % of the signal strength and is subject to large spatial and seasonal variations. The wind stress forcing of the ocean model is a major source of uncertainty. However, specific spatially and temporally robust regions are identified in the ocean-induced magnetic field that retain a small uncertainty in all error scenarios. Based on the previous findings, data assimilation experiments with artificial satellite observations of the ocean-induced magnetic field are designed and conducted for the first time. In a model-based twin study, artificial satellite observations of the oceanic magnetic field are generated and sequentially assimilated into an ocean general circulation model with a localized ensemble Kalman filter. The impact of the data assimilation on the induced magnetic field, ocean velocities, temperature, and salinity is measured. Compared to a reference simulation without data assimilation, the ocean-induced magnetic field is improved by up to 17 % globally and up to 54 % locally. Improvements of the underlying depth- integrated ocean velocities show values up to 7 % globally, and up to 50 % locally. These improvements result from a consistently better recovery of ocean velocities from the sea surface down to the bottom of the ocean. However, the Kalman filter fails to improve ocean temperature and salinity globally. Kalman filter adjustments of the wind stress forcing of the ocean model are found to be essential for a successful data assimilation.
Die allgemeine Zirkulation des Weltozeans generiert charakteristische magnetische Signale durch Wechselwirkungen mit dem umgebenden geomagnetischen Feld. Diese ozeanisch induzierten Magnetfeldsignale können prinzipiell von Satelliten aufgezeichnet werden und somit als indirekte Beobachtungen des Ozeans Anwendung finden. Da das sogenannte bewegungsinduzierte Magnetfeld in erster Näherung proportional zu leitfähigkeits-gewichteten und tiefenintegrierten Geschwindigkeiten im Ozean ist, könnten globale Beobachtungen des ozeanischen Magnetfeldes neue Restriktionen für ozeanische Wasser-, Wärme-, und Salztransporte bieten. Viele Aspekte der elektromagnetischen Induktion im Ozean sind jedoch entweder nur unzulänglich verstanden oder gänzlich unbekannt; dies reicht von grundsätzlichen Eigenschaften der Bewegungsinduktion im Ozean bis hin zu möglichen Anwendungen jener und möglicher Nutzbarkeit für die Ozeanmodellierung. Diese kumulative Arbeit umfasst die Charakterisierung der elektromagnetischen Induktion im Ozean im Sinne von physikalischen Eigenschaften und Modellierungsunsicherheiten. Ferner wird die Realisierbarkeit untersucht, ein numerisches Ozeanmodell der allgemeinen Zirkulation durch Satellitenbeobachtungen des ozeanisch induzierten Magnetfeldes zu beschränken. Ein elektromagnetisches Induktionsmodell wurde in ein Ozeanmodell der allgemeinen Zirkulation implementiert. Diese Modellkombination erlaubt die Untersuchung spezifischer Einflüsse von Meerwassereigenschaften auf die Bewegungsinduktion. In früheren Studien wurde die elektrische Leitfähigkeit des Meerwassers oft vereinfacht ber"ucksichtigt, etwa gleichmäßig verteilt oder zeitlich invariant. Als erste Anwendung der Modellkombination wird gezeigt, dass diese vereinfachten Annahmen nicht ausreichen, um die zeitliche Variabilität der Bewegungsinduktion realistisch abzubilden. Eine dreidimensionale Verteilung der Leitfähigkeit des Meerwassers, die auf simulierten ozeanischen Wärme- und Salzverteilungen basiert, verstärkt die zeitliche Variabilität des ozeanisch induzierten Magnetfeldes um bis zu 45 %. Die Ursache dieser Verstärkung liegt primär in den starken vertikalen Gradienten der Leitfähigkeit des Meerwassers in den oberen Ozeanschichten. Die Modellierung der allgemeinen Zirkulation und der Bewegungsinduktion wird durch verschiedene Unsicherheiten und Fehler beeinträchtigt, die sowohl aus den Modellantriebsdaten als auch aus den numerischen Modellen selbst stammen. Für mögliche Anwendungen der Bewegungsinduktion, zum Beispiel für verlässliche Vergleiche zwischen simulierten und gemessenen Daten oder Experimenten zur Datenassimilation, ist eine realistische Abschätzung der Modellunsicherheiten essentiell. Basierend auf verschiedenen Fehlerszenarien wurden Ensemblesimulationen durchgeführt, um die akkumulierte Unsicherheit des modellierten ozeanisch induzierten Magnetfeldes abzuschätzen. Es wird gezeigt, dass die Unsicherheit der modellierten Bewegungsinduktion bis zu 30 % der Signalstärke entspricht und großen räumlichen sowie saisonalen Variationen unterliegt. Die Windschubspannung des Ozeanmodells stellt hierbei eine entscheidende Unsicherheitsquelle dar. Unabhängig von den verschiedenen Fehlerszenarien konnten jedoch zeitlich und räumlich robuste Regionen identifiziert werden, die nur mit niedrigen Unsicherheiten behaftet sind. Auf den vorherigen Ergebnissen basierend wurden zum ersten Mal Datenassimilationsexperimente mit Satellitenbeobachtungen des ozeanisch induzierten Magnetfeldes konzipiert und durchgeführt. In einer modellbasierten Zwillingsstudie wurden künstlich erzeugte Satellitenbeobachtungen der Bewegungsinduktion mit einem lokalisierten und ensemblebasierten Kalmanfilter in ein Ozeanmodell der allgemeinen Zirkulation assimiliert. Der daraus resultierende Effekt auf das ozeanisch induzierte Magnetfeld, auf Ozeangeschwindigkeiten sowie auf Temperatur und Salzgehalt des Meerwassers wird gemessen. Verglichen mit einer unkorrigierten Simulation ohne Datenassimilation wird das ozeanische Magnetfeld global um bis zu 17 % und lokal bis zu 54 % verbessert. Die erzeugenden tiefenintegrierten Ozeangeschwindigkeiten werden gobal um bis zu 7 % und lokal um bis zu 50 % verbessert. Diese Werte resultieren aus einer konsistenten Korrektur der Ozeangeschwindigkeiten von der Meeresoberfläche bis hin zum Ozeanboden. Temperatur- und Salzverteilungen konnten durch den Kalmanfilter nicht global korrigiert werden. Die Experimente zeigen zudem, dass Anpassungen der Windschubspannung durch den Kalmanfilter essentiell für den Erfolg der Datenassimilation sind.
