Beobachten – Verstehen – Prognostizieren

VAO-II: Ausbau und Internationalisierung des Virtuellen Alpenobservatoriums

Umweltforschungsstation Schneefernerhaus

Schwerpunktthema I

Atmosphärische Variabilität und Trends

Die Atmosphäre ist ein komplexes System. Sie ist charakterisiert durch eine Vielzahl von chemischen, dynamischen und strahlungsbedingten Prozessen. Unser Wissen um diese Prozesse ist noch immer unvollständig. Prognosen zur Klimaentwicklung sind daher immer noch relativ unsicher. Bessere Mess- und neue Analysetechniken sollen diese Lücke schließen. Innerhalb dieses Schwerpunktthemas fokussieren sich Wissenschaftler im Rahmen von drei Teilprojekten auf folgende Fragen: Wie wirkt sich der atmosphärische Wasserdampf auf unser Klima aus? Wie entwickelt sich die Konzentration von weiteren Treibhausgasen wie etwa Kohlendioxid oder Methan? Wie sieht es aus bei den Aerosolen? Der Alpenraum nimmt aufgrund seiner komplexen Topografie in besonderer Weise Einfluss auch auf die Strömungseigenschaften in der Atmosphäre. Durch die Überströmung der Alpen werden insbesondere sogenannte Schwerewellen generiert. Diese vergleichsweise kleinskaligen Wellen beeinflussen stärker als bisher angenommen die großräumigen atmosphärischen Strömungssysteme. Untersucht wird daher die Frage, wie die Strukturfunktion solcher Schwerewellen im Alpenraum aussieht.

Teilprojekte

TPI/01: Experimentelle Klimaforschung zur Wechselwirkung von Wasserdampf, Wolken, Temperatur und Strahlung in der Alpenregion

TPI/02: Trends klimawirksamer Gase und Aerosole und raumzeitliche Deposition persistenter Umweltschadstoffe 

TPI/03: Die Alpen – homogene Quelle atmosphärischer Dynamik in Klimamodellen? Länderübergreifende Untersuchung der Dynamik von atmosphärischen Wellen im Gebirge (LUDWIG)

 

TPI/01: Experimentelle Klimaforschung zur Wechselwirkung von Wasserdampf, Wolken, Temperatur und Strahlung in der Alpenregion

Wasserdampf trägt wesentlich zum atmosphärischen Treibhauseffekt bei, denn wie kein anderes Spurengas greift er in den Strahlungshaushalt der Erde ein und beeinflusst somit die Temperatur. Die Sonnenstrahlen erwärmen die Erdoberfläche und diese strahlt in Folge langwellige Strahlung in die Atmosphäre ab. Diese Infrarotstrahlung gelangt nur zum Teil in den Weltraum, denn sie wird zum Teil vom atmosphärischen Wasserdampf absorbiert. Die dadurch erwärmte Luft sendet Wärmestrahlung zur Erde zurück („atmosphärische Gegenstrahlung“) und damit erhöht sich die Temperatur. Je mehr sich die Erde erwärmt, desto höher steigt die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre und damit nimmt auch die atmosphärische Gegenstrahlung zu (Wasserdampf-Rückkopplung). Dies verstärkt signifikant den Treibhauseffekt, falls nicht zusätzliche Wolkenbildung und Niederschlag entgegenwirken. Wie sehr wird der Wasserdampf den Treibhauseffekt verstärken und unser Klima verändern? Diesem Thema wollen sich die Wissenschaftler unter der Leitung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) am Standort Garmisch-Partenkirchen annehmen.

Experimente zur Verbesserung von Klimamodellen

In diesem Teilprojekt wird daher ein sogenanntes „Strahlungs-Schließungsexperiment“ am Standort Zugspitze durchgeführt. Hierbei werden die in Klimamodellen eingesetzten Strahlungscodes verwendet, um die atmosphärische Gegenstrahlung zu simulieren. Diese Simulationen basieren auf optischen Fernsondierungsmessungen der wichtigsten Einflussgrößen (Wasserdampf- und Temperaturprofile, mikrophysikalische Eigenschaften von Eiswolken). Sie werden mit zeitgleichen Direktmessungen der spektralen Infrarotstrahlung verglichen. Wenn der Vergleich Differenzen aufzeigt (d.h. die „Schließung“ misslingt), dann ist dies ein quantitativer Hinweis auf Fehler in den Strahlungscodes, die nachfolgend behoben werden können. In Ergänzung hierzu sollen existierende Langzeit-Fernerkundungs-Messreihen hinsichtlich Wasserdampf-Trends ausgewertet werden. Neben dem Trendverhalten von Wasserdampf-Gesamtsäulengehalten gilt das Interesse hierbei den Wasserdampftrends im besonders klimakritischen Höhenbereich der unteren Stratosphäre.

TPI/02: Trends klimawirksamer Gase und Aerosole und raumzeitliche Deposition persistenter Umweltschadstoffe

Der chemische und physikalische Zustand der Erdatmosphäre spielt eine entscheidende Rolle bei der Beobachtung und Erforschung des Klimawandels. Standorte im Hochgebirge sind dafür besonders gut geeignet. Sie liegen fernab von Großstädten und Ballungsräumen und bieten damit repräsentativere Messbedingungen als im Tal, was in Messergebnissen mit größerer Zuverlässigkeit und Aussagekraft resultiert. Dies gilt sowohl für die langfristige Erfassung meteorologischer Messreihen, die den Klimahaushalt beschreiben, als auch für den Trend klimawirksamer Spurengase und Aerosole sowie persistenter Umweltschadstoffe wie Pestizide, Industriechemikalien und Verbrennungsprodukte. Ziel dieses Teilprojektes ist es, sichere Aussagen über die Entwicklung dieser Messgrößen zu liefern. Diese bilden die Grundlage für eine genauere Prognose der Klimaentwicklung einerseits und sichern die Erfassung der Veränderung der chemischen Umweltbelastung wie auch der Luftqualität in Mitteleuropa.

Die Wissenschaftler des Deutschen Wetterdienstes am Hohenpeißenberg und des Umweltbundesamtes an der Zugspitze, sowie des Helmholtz Zentrum München erfassen hierzu langfristige Messreihen. Im Rahmen der Kooperation im internationalen VAO Projekt werden diese Zeitreihen vergleichend analysiert mit Zeitreihen anderer Mitteleuropäischer Gebirgsstandorte in Deutschland, Österreich, Schweiz, Italien und Bulgarien.

Die konsequente und kontinuierliche Wahrung der Datenqualitätsziele im Rahmen des Projekts ist Grundvoraussetzung für eine weltweite Vergleichbarkeit auf hohem Qualitätsniveau. Die Messreihen sollen in regelmäßigen Abständen auf der Webseite des Alpen-Datenanalysezentrums AlpEnDAC publiziert werden. Auf diese Weise kann die Umweltpolitik schnell auf Änderungen reagieren sowie die Wirksamkeit von Klimaschutzmaßnahmen und die Umsetzung der Stockholmer Konvention überprüfen. Diese beinhaltet völkerrechtlich bindende Verbote und Beschränkungen zur Herstellung und Anwendung ausgewählter persistenter Umweltschadstoffe.

TPI/03: Die Alpen – homogene Quelle atmosphärischer Dynamik in Klimamodellen? Länderübergreifende Untersuchung der Dynamik von atmosphärischen Wellen im Gebirge (LUDWIG)

Ziel dieses Teilprojektes ist es, mithilfe der Untersuchung von Schwerewellen im Alpenraum einen Beitrag zur Verbesserung von Klima-, Atmosphären- und Wettermodellen und deren Prognosen zu leisten. Schwerewellen sind Luftbewegungen mit horizontalen Wellenlängen von einigen bis zu mehreren tausend Kilometeren, ihre Periodendauern liegen im Bereich von wenigen Minuten bis zu einigen Stunden. Sie können sich über weite Strecken in der Atmosphäre fortbewegen und koppeln so die verschiedenen Bereiche der Atmosphäre miteinander. Schwerewellen sind in der Lage, sogar großräumige Luftströmungen zu beeinflussen. Häufig entstehen sie an hohen Gebirgszügen. Aufgrund ihrer Kleinskaligkeit sind Schwerewellen in Klima- und Atmosphärenmodellen nur sehr vereinfacht enthalten. Ziel dieses Teilprojektes ist es herauszufinden, ob die Schwerewellenaktivität im Bereich der Alpen konstant ist oder über das Jahr hinweg variiert.

Klimabeobachtung mit GRIPS

Das Expertenteam unter der Leitung des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums des DLR untersucht in diesem Rahmen an verschiedenen Forschungsstationen im Bereich der Alpen mithilfe identischer bodengebundener Messgeräte (GRIPS- und FAIM-Instrumente) die Schwerewellenaktivität. Die Wissenschaftler machen sich für ihre Messungen das sogenannte Eigenleuchten (engl. Airglow), das in einer Höhe zwischen 80 und 100 km auftritt, zunutze. Die Intensität dieses Eigenleuchtens wird durch Schwerewellen moduliert. Anhand der gemessenen Daten können die Wissenschaftler charakteristische Parameter der Schwerewellen wie z.B. Amplituden, Periodendauern bzw. Wellenlängen und Energie bestimmen und so die Voraussetzung für die bessere Integration von Schwerewellen in Klima- und Wettermodelle schaffen.

Neben Schwerewellen haben aber auch Infraschallwellen Einfluss auf das Luftleuchten. Beide Wellentypen können durch Naturkatastrophen, wie z.B. Stürme, Tsunamis, Erdbeben erzeugt werden. Ihre Identifikation in Messdaten dieser Art kann zusätzliche Informationen über das Auftreten bzw. die Aktivität von Naturkatastrophen liefern.

Die Vermessung des Luftleuchtens erlaubt es allerdings auch, Rückschlüsse auf die Temperatur in diesem Höhenbereich zu ziehen. Anders als am Boden wirkt Kohlenstoffdioxid dort abkühlend und nicht erwärmend, wobei die Abkühlung in dieser Höhe stärker ausfällt als die Erwärmung am Boden. Langfristige Messungen an den verschiedenen Standorten ermöglichen es damit in Zukunft ggf. früher Aussagen über den kohlenstoffdioxidbasierten Treibhauseffekt zu treffen.

Ansprechpartner TP I / 01
Dr. Ralf Sussmann
KIT IMK-IFU
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Tel. ++49 (0)8821 183 159
Fax ++49 (0)8821 73573

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Ansprechpartner TP I / 02
Dr. Ludwig Ries
Umweltbundesamt
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Tel. +49 (0)8821 924-110
Fax +49 (0)8821 924-109

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Ansprechpartner TP I / 03
Prof. Dr. Michael Bittner
DLR - DFD
Uni Augsburg-AFE
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Tel. +49 8153 28-1379
Fax +49 8153 28-1363

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Dr. Sabine Wüst
DLR - DFD
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Tel. +49 8153 28-1325
Fax +49 8153 28-1363

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