Biogeochemische Systeme

Ehemalige Abteilung 2004 - 2017

Mit der Emeritierung von Professor Martin Heimann (März 2017) wurde die Abteilung in die neue Abteilung „Biogeochemische Signale“ unter der Leitung von Sönke Zaehle (Mai 2020) überführt.

Biogeochemische Kreisläufe werden in der Atmosphäre durch mehrere wichtige Treibhausgase wie Kohlendioxid, Methan und Lachgas repräsentiert. In der Abteilung Biogeochemische Systeme entwickeln wir Methoden, um diese Gase in situ und mittels Fernerkundung zu messen, wir erweitern das Messnetz auf abgelegene Hot-Spot-Regionen wie Sibirien und Amazonien, und wir entwickeln und wenden numerische Modelle zur großräumigen Quantifizierung an Quellen und Senken der Treibhausgase.

Viele der globalen Stoffkreisläufe spiegeln sich in der Atmosphäre durch ein oder mehrere Spurengase wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) oder auch Aerosole wider. Raumzeitliche Variationen dieser Tracer (und andere damit verbundene Größen wie ihre Isotopenzusammensetzung) enthalten wichtige Informationen über Ort, Größe und zeitliche Variabilität der verschiedenen Quellen- und Senkenprozesse der interessierenden Spezies. Die Atmosphäre wird dabei aufgrund der schnellen Luftvermischung als natürlicher „Integrator“ des komplexen Musters von Oberflächenflüssen genutzt. Atmosphärische Messungen können daher verwendet werden, um Oberflächenprozesse auf einer Reihe von räumlichen und zeitlichen Skalen zu beobachten, von einem kleinen regionalen Ökosystem bis hin zu ganzen Kontinenten und dem Globus. Dabei muss der atmosphärische Transport durch Wind und Vermischung durch die Verwendung dreidimensionaler numerischer meteorologischer Modelle in einem Inversions- oder Datenassimilationsmodus berücksichtigt werden. In der Abteilung Biogeochemische Systeme entwickeln und wenden wir diesen „Top-down-Ansatz“ in vier Schwerpunkten an:

Fokus 1: Erweiterung des atmosphärischen Netzwerks von In-situ-Messungen hochgenauer biogeochemischer Spurenstoffe

Das derzeitige globale atmosphärische Netzwerk für biogeochemische Spurengase enthält viele Lücken in wichtigen Bereichen. Angestrebt wird daher die Errichtung neuer Messstationen an unterabgetasteten Orten, die „Hot-Spots“ im Erdsystem darstellen. Geografisch verfolgen wir dies in drei Richtungen:

(1) Eine Reihe hoher Türme von Europa in die eurasische Taiga bei 60°N einschließlich des neuen 300 m hohen Messmastes in Zentralsibirien (ZOTTO).

(2) Eine Reihe von Stationen entlang des östlichen Atlantiks auf abgelegenen Inseln und Küsten (z. B. Shetland, Kap Verde, Namibia) zur Überwachung ozeanischer Prozesse und der Luft, die den afrikanischen Kontinent verlässt.

(3) Gemeinsam mit dem MPI für Chemie in Mainz und Partnern in Brasilien werden wir einen 300 m hohen Messmast in Zentralamazonien (ATTO) bauen und betreiben. Eine entscheidende neue Entwicklung sind quasi-kontinuierliche, gleichzeitige Beobachtungen einer ganzen Reihe von biogeochemischen Spurenspezies, die es uns ermöglichen, zwischen verschiedenen Quelle/Senke-Prozessen zu unterscheiden.

Fokus 2: Entwicklung neuer Messtechniken und Beobachtungssysteme

Die geringe räumliche und zeitliche Variabilität langlebiger biogeochemischer atmosphärischer Spurengase erfordert Messungen mit äußerster Genauigkeit. Stirbt in abgelegenen technischen Anforderungen unter rauen Umgebungsbedingungen, ist eine große Herausforderung. Wir erforschen neue Techniken, wie die Miniaturisierung von Messgeräten für den Einsatz in zivilen Routineflugzeugen, die Anwendung der bodengestützten Fourier-Transformation-Nahinfrarot-Spektroskopie des Sonnenlichts und in Zusammenarbeit mit anderen Partnern die Entwicklung neuer Systeme für weltraumgestützte Fernerkundung atmosphärischer biogeochemischer Spurengaskonzentrationen.

Fokus 3: Verknüpfung atmosphärischer Punktmessungen mit regionalen Modellgitterdurchschnitten

Eine kritische „Achillesferse“ in gegenwärtigen regionalen und globalen Inversionssystemen ist die Darstellung von Punktmessungen in gitterbasierten Atmosphärenmodellen, insbesondere wenn die Messungen über Land durchgeführt werden, das von einem heterogenen Mosaik aus Treibhausgasquellen und -senken bedeckt ist. Um diese Lücke zu schließen, führen wir Prozessstudien im kleinen und regionalen Maßstab durch Kampagnen mit hoher Beobachtungsdichte unter Verwendung von In-situ-Stationen, Flugzeugen und Fernerkundung sowie hochauflösenden regionalen meteorologischen Modellierungssystemen für die Analyse durch.

Fokus 4: Entwicklung und Anwendung atmosphärischer inverser Modellierung und Datenassimilations-Frameworks

Die Bestimmung von Oberflächenflüssen aus atmosphärischen Beobachtungen erfordert den Einsatz realistischer numerischer Modelle zur Simulation des atmosphärischen Transports. Da in den meisten Fällen nur Beobachtungen von einer begrenzten Anzahl atmosphärischer Stationen verfügbar sind, ist das zugrunde liegende mathematische Inversionsproblem stark unterbestimmt. Wir gehen dieses Problem mit einer Reihe mathematischer Methoden und durch Einbeziehung zusätzlicher Messungen an: z. andere atmosphärische Spurengasbeobachtungen, Oberflächeneigenschaften wie die „Grünheit“ der Vegetation aus dem Weltraum, Vegetationsverteilungen und andere geografische Daten. Das ultimative Ziel ist die Entwicklung eines Datenassimilationsrahmens, der aus biogeochemischen Modulen an Land- und Meeresoberflächen besteht, die mit einem atmosphärischen meteorologischen Modell gekoppelt sind. Diese wird dann durch die Fülle verfügbarer Beobachtungen konsequent optimiert, ähnlich wie es routinemäßig in der numerischen Wettervorhersage praktiziert wird. Mit diesen Tools können wir quantifizieren und überwachen, wo und wie biogeochemische Spurengashaushalte auf klimatische (z. B. Hitze, Dürre) und menschliche (z. B. Verbrennung fossiler Brennstoffe, Brände, Entwaldung) Auswirkungen reagieren (Abbildung unten). Dies liefert wichtige Informationen für die Verbesserung von Modulen biogeochemischer Kreisläufe in globalen umfassenden Erdsystemmodellen.

Weitere Informationen finden Sie auf der Homepage der ehemaligen Abteilung Biogeochemische Systeme.

 

Impressionen aus der Feldforschung

Weitere Informationen finden Sie auf der Homepage der ehemaligen Abteilung Biogeochemische Systeme.

Zur Redakteursansicht