Detectability of ocean-circulation-induced magnetic fields in geomagnetic satellite observations

Abstract

The motion of salt water through the Earth's geomagnetic field generates characteristic electromagnetic (EM) signals. These ocean-induced EM signals can be observed from outside the ocean by space-borne satellite magnetometers. They depend on oceanic velocities and conductivity (i.e., temperature and salinity) and, therefore, could contribute to observing the ocean heat content or water mass transport. However, the identification of ocean-induced magnetic fields requires a separation from other geomagnetic field contributions (e.g., the core, lithosphere, and ionosphere). In contrast to tidal-induced EM signals, circulation-induced EM signals have not yet been identified in geomagnetic observations.

This thesis developed a novel Kalman-filter-based rescaling of EM signals (KREMS) to detect ocean-circulation-induced magnetic fields. The essential separation from other magnetic field contributions was achieved by predetermining the temporal behavior of the searched EM signal. KREMS was then used to locally rescale the amplitude of this predetermined EM signal by assimilating geomagnetic observations.

An observing system simulation experiment (OSSE) based on synthetic Swarm-like observations demonstrated that KREMS allowed for a global signal identification of circulation-induced EM signals regardless of their complex temporal behavior and low intensity. In an ideal scenario, the uncertainty of the rescaling could be reduced by 70% on average. The best detectability was found in the Indian Ocean basin and in parts of the Southern Ocean. In a more realistic scenario of the OSSE, KREMS performed comparably well as a least-squares approach. Moreover, it was shown that including spatial constraints in KREMS further improved signal identification.

Based on the these findings, KREMS was applied to seven years of real Swarm geomagnetic satellite observations. Compared to the OSSE, the Swarm assimilation results proved to be more ambiguous and strongly dependent on the presumed estimate of the circulation-induced EM signal. The rescaling remained highly uncertain and did not reveal a consistent spatial pattern. In some areas the signal-to-noise ratio turned out to be too low (e.g., the East Pacific Ocean), on others the rescaling indicates substantial discrepancies between the presumed and the true circulation-induced EM signal (e.g., the Southern Indian Ocean).

Finally, a purely observation-based detection of circulation-induced EM signals was considered by estimating the temporal behavior of the EM signal from satellite altimetry. This combination also indicated the potential of KREMS to correct water mass transport estimations (e.g., from satellite altimetry) and suggested the applicability of KREMS not only for examining the detectability of EM signals but also in a broader context of ocean observations.

Die Bewegung von Salzwasser durch das geomagnetische Feld der Erde erzeugt charakteristische elektromagnetische (EM) Signale. Diese durch den Ozean induzierten EM-Signale können außerhalb des Ozeans mittels Satellitenmagnetometern aus dem Weltraum beobachtet werden. Aufgrund ihrer Abhängigkeit von den Geschwindigkeiten der Ozeanströmungen und der Leitfähigkeit des Ozeans (d. h. Temperatur und Salzgehalt) können sie zur Beobachtung des Wärmeinhalts oder des Wassermassentransports im Ozean beitragen. Die Identifizierung von ozeaninduzierten Magnetfeldern erfordert jedoch eine Trennung von anderen geomagnetischen Feldbeiträgen (z. B. des Kerns, der Lithosphäre und der Ionosphäre). Im Gegensatz zu gezeiteninduzierten EM-Signalen wurden die durch die Ozeanzirkulation induzierten EM-Signale bisher noch nicht in geomagnetischen Beobachtungen identifiziert.

In dieser Arbeit wurde eine neue Kalman-Filter-basierte Reskalierung von EM-Signalen (KREMS) entwickelt, um die durch Ozeanzirkulation induzierten Magnetfelder zu detektieren. Die entscheidende Separation von anderen Magnetfeldbeiträgen wurde erreicht, indem das zeitliche Verhalten des gesuchten EM-Signals vorher festgelegt wurde. KREMS wurde dann verwendet, um die Amplitude dieses vorbestimmten EM-Signals durch die Assimilation geomagnetischer Beobachtungen lokal neu zu skalieren.

Die Simulation eines Beobachtungssystemexperiments (OSSE) auf der Grundlage synthetischer Swarm-ähnlicher Beobachtungen zeigte, dass KREMS eine globale Signalidentifizierung von durch die Ozeanzirkulation induzierten EM-Signalen unabhängig von ihrem komplexen zeitlichen Verhalten und ihrer geringen Intensität ermöglicht. In einem idealen Szenario konnte die Unsicherheit der Reskalierung im Durchschnitt um 70% reduziert werden. Die beste Nachweisbarkeit wurde im Becken des Indischen Ozeans und in Teilen des Südlichen Ozeans festgestellt. In einem realistischeren Szenario des Beobachtungsexperiments zeigt KREMS vergleichbare Resultate wie mittels einem Ansatz der Methode der kleinsten Quadrate. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Einbeziehung räumlicher Beschränkungen in KREMS die Signalidentifizierung weiter verbessert.

Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde KREMS auf sieben Jahre realer geomagnetischer Satellitenbeobachtungen von Swarm angewendet. Im Vergleich zu dem simulierten Beobachtungsexperiment stellten sich die Ergebnisse der Swarm-Assimilation als mehrdeutig heraus und waren stark abhängig von der angenommenen Schätzung des durch die Ozeanzirkulation induzierten EM-Signals. Die Reskalierung blieb sehr unsicher und offenbarte kein einheitliches räumliches Muster. In einigen Gebieten erwies sich das Signal-Rausch-Verhältnis als zu niedrig (z. B. im Ostpazifik), in anderen wies die Reskalierung auf erhebliche Diskrepanzen zwischen dem vermuteten und dem tatsächlichen zirkulationsbedingten EM-Signal hin (z. B. im südlichen Indischen Ozean).

Schließlich wurde ein rein beobachtungsbasierter Nachweis von durch die Ozeanzirkulations induzierten EM Signalen in Betracht gezogen, indem das zeitliche Verhalten des Signals aus der Satellitenaltimetrie geschätzt wurde. Diese Kombination zeigte auch das Potenzial von KREMS zur Korrektur von Schätzungen des Wassermassentransports (z. B. aus der Satellitenaltimetrie) und deutete auf die Anwendbarkeit von KREMS nicht nur zur Untersuchung der Nachweisbarkeit von EM-Signalen, sondern auch in einem breiteren Kontext von Ozeanbeobachtungen hin.