Biosphärentheorie und Modellierung

Überblick

Wir beschreiben das System Erde mit grundlegenden physikalischen Prinzipien und unter Verwendung einer ganzheitlichen Systemperspektive. Unser Ansatz konzentriert sich darauf, wie Prozesse des Systems Erde verschiedene Energieformen umwandeln, insbesondere wie sie aus der einfallenden Sonnenenergie Arbeit erzeugen und wie Prozesse diese Energie weiter umwandeln, um die Dynamik des Erdsystems anzutreiben. Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik setzen grundlegende Grenzen für die Richtung und Intensität der daraus resultierenden Dynamik.  Obwohl diese physikalischen Konzepte grundlegend und wesentlich sind, werden sie in der Erdsystemwissenschaft nur selten verwendet.

Wir nutzen diesen Ansatz, um physikalisch fundierte Erkenntnisse zu einer Reihe von Themen der Erdsystemwissenschaften zu gewinnen und diese mit Beobachtungen und wesentlich komplexeren numerischen Modellsimulationen zu vergleichen.  Unsere bisherigen Erfolge zeigen, dass sich dieser Ansatz sehr gut eignet, um Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre, den globalen Klimawandel, erneuerbare Energien und die Rolle der Biosphäre und der menschlichen Gesellschaften im Erdsystem besser zu verstehen und vorherzusagen.  Er deckt die wichtigsten, dominierenden Faktoren auf, die Phänomene prägen und sie in hohem Maße vorhersagbar machen.
 

Unser Ansatz bietet ein umfassendes Verständnis des Erdsystems und des globalen Wandels auf der Grundlage solider physikalischer Grundlagen.  Er erfordert nur wenige physikalische Konzepte und kaum empirische Parameter und bietet somit einen alternativen Ansatz, der die Analyse von Beobachtungen und komplexen numerischen Modellen ergänzt. Dieser Ansatz eignet sich gut für Anwendungen in unerforschten Bereichen, wie z. B. zukünftige Zustände des Erdsystems und potenziell bewohnbare Exoplaneten, aber auch für die Lehre und Wissenschaftskommunikation, da die physikalischen Konzepte auf einer relativ einfachen, aber dennoch tiefgreifenden Ebene erklärt und mit den beteiligten Prozessen verknüpft werden können.

Unsere Forschungsthemen

Unsere Forschung fokussiert sich auf drei Themengebiete:

1. Erdsystemtheorie. Wir entwickeln den Ansatz weiter, indem wir Prozesse des Erdsystems – von der Sonnenstrahlung bis hin zu Gesellschaften – anhand der von ihnen umgewandelten Energie, ihrer Auswirkungen auf ihre Randbedingungen, der daraus resultierenden Wechselwirkungen und Grenzen sowie des sich auf der Ebene des Gesamtsystems herausbildenden Verhaltens beschreiben. Dazu gehören auch explorative Anwendungen dieses Ansatzes auf die Regulierung der Biosphäre (z. B. die Gaia-Hypothese), menschliche Gesellschaften und Exoplaneten.

2. Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre. Wir wenden unseren Ansatz auf das Land-Atmosphäre-System an, um den entstehenden klimatologischen Zustand, seine Sensitivität gegenüber globalen Veränderungen und die Rolle der terrestrischen Biosphäre in diesen Wechselwirkungen zu verstehen und vorherzusagen.

3. Die Energiewende. Wir nutzen unseren Ansatz, um die Grenzen erneuerbarer Energien und die Folgen ihrer Nutzung für das System Erde zu ermitteln, wobei wir uns vor allem auf Windenergie, realistische Szenarien und andere Aspekte der Energiewende konzentrieren.