FORSCHUNGSBEREICH
Die Erdatmosphäre zeigt eine Vielzahl von Phänomenen, die unser tägliches Leben ebenso prägen wie das Klima unseres Planeten auf der Zeitskala von Generationen. Die moderne Atmosphäre ist zudem beträchtlich vom Menschen durch die Freisetzung von Treibhausgasen und Schadstoffen beeinflusst, die einen Wandel der Umwelt von der lokalen bis hin zur globalen Skala verursachen. Entlang dieser Skalen erforschen wir Veränderungen, Gradienten und Trends atmosphärischer Spurengase und Isotopenhäufigkeiten. Wir wollen besser verstehen, wie physikalische und chemische Prozesse in der Atmosphäre funktionieren, welchen Einfluss der Mensch hat und wie die Atmosphäre mit der Biosphäre, der Land- und Ozeanoberfläche über die biogeochemischen Kreisläufe wechselwirkt. Dafür entwickeln wir neue Beobachtungskonzepte, spektrometrische Sensoren und Bildgebungsverfahren, die wir im Labor und im Feld, in Netzwerken, auf Fahrzeugen, Flugzeugen, Ballonen und Satelliten einsetzen, und wir bauen komplexe Simulationsmethoden, um aus unseren Daten neue Erkenntnisse zu gewinnen. Unser wissenschaftlicher Schwerpunkt liegt auf dem Kohlenstoff- und Wasserkreislauf sowie auf Luftverschmutzung und Photochemie in der Atmosphäre.
Wasser durchdringt alle Kompartimente der Umwelt und ist eine Voraussetzung für Leben auf unserem Planeten. Der mit dem Wasserkreislauf verbundene Transport von Wärme und Stoffen ist von großer Bedeutung für das Klimasystem, die Ökosysteme und die globalen biogeochemischen Kreisläufe. Wasser, Eis sowie aus Wasser ausgefällte Karbonate speichern zudem Informationen über das Klima der Vergangenheit. Wir untersuchen physikalische Prozesse in aquatischen Systemen wie Seen, Grundwasser und dem Ozean, aber auch in der Kryosphäre sowie an der Schnittstelle zur Atmosphäre. Zentrale Instrumente sind der Einsatz und die Entwicklung von Spurenstoff- und Isotopenmethoden sowie von numerischen Modellen zur Quantifizierung des Transports und der Verweilzeiten in und zwischen den Systemkompartimenten. Isotope und Spurenstoffe ermöglichen es uns auch, frühere Klima- und Umweltbedingungen zu rekonstruieren und zeitlich einzuordnen. Unsere Forschung trägt zum fundamentalen Verständnis des Wasserkreislaufs und des Klimasystems bei, ebenso wie zum besseren Management von Wasserressourcen und aquatischen Ökosystemen.
Das Verständnis des Klimasystems der Erde, seiner natürlichen Variabilität und seiner künftigen anthropogenen Veränderungen ist eine gewaltige Aufgabe, die die Beobachtung und Modellierung auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen, sowie die Untersuchung verschiedener Kompartimente (Ozean, Eis, Biosphäre, Luft und Boden) erfordert. Wir tragen in vielfältiger Weise zur Erforschung des Klimasystems bei. Die Beobachtung und Modellierung von Treibhausgasen trägt dazu bei, die Energiebilanz der Atmosphäre zu verstehen und die vom Menschen verursachten und natürlichen Quellen und Senken dieser wichtigen Bestandteile, d. h. ihre biogeochemischen Kreisläufe, zu quantifizieren, selbst in einer weit zurückliegenden Vergangenheit. Die Untersuchung von Wasserisotopen ermöglicht Schätzungen von Niederschlag und Verdunstung. Die Entwicklung von Isotopen-Werkzeugen ermöglicht die Quantifizierung des Wärme- und Stofftransports. Die Untersuchung von Klimaarchiven, ob im Ozean, der Atmosphäre, den terrestrischen Systemen oder der Hydrosphäre gibt Aufschluss über den natürlichen globalen und regionalen Klimawandel, die Variabilität und die Sensitivität des Systems. Um Klimainformationen aus natürlichen Archiven zu gewinnen, entwickeln und verwenden wir Isotopen-Spurenstoffe, radiometrische Chronometer und numerische Modelle. Wir untersuchen das Klimasystem im Feld durch Kampagnen und mit unseren Computern durch Modelle. Wir suchen nach Erkenntnis vom Nordpol über abgelegene Höhlen bis hin zu den Tiefen der Ozeane und den äußeren Bereichen der Troposphäre.
Numerische Modelle beschreiben die Prozesse in und die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozean, Biosphäre und Kryosphäre mit quantitativen Methoden. Die Dynamik der Modelle wird durch physikalische Gleichungen bestimmt und spiegelt somit unser derzeitiges Verständnis des Erdsystems wider. Die Modelle werden validiert, indem Simulationen vergangener Ereignisse durchgeführt und mit Beobachtungen verglichen werden. Der Vergleich von Modellsimulationen mit neuen Beobachtungen im Feld und im Labor ermöglicht es uns, unser Verständnis des Erdsystems zu testen und zu verfeinern. Das Einsatzgebiet der Modelle ist weitreichend. So werden sie z.B. verwendet, um Beobachtungen von atmosphärischen Spurenstoffmessungen, paleoklimatologischen Proxies bis hin zu Isotopen im Wasser zu verstehen. Da die zu untersuchenden Phänomene von wenigen Metern bis zu Hunderten von Kilometern reichen können, betreiben wir Modelle von lokaler bis globaler Skala. Schließlich können die Modelle mit möglichen Szenarien zu Erdsystemtreibern gefüttert werden, um künftige Entwicklungen vorherzusagen.
