Die Arbeitsgruppe „Terrestrische Fernerkundung“ untersucht das Klima der Landoberfläche mit Hilfe verschiedenster Satellitenmissionen. Die Daten aus dem All liefern zum Beispiel Informationen zum oberflächennahen Klima und der Vegetationsdynamik. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Bodenfeuchte, denn sie bestimmt, wie viel Wasser den Pflanzen zur Verdunstung zur Verfügung steht. Weil die Verdunstungsrate der Pflanzen eng mit ihrer Kohlenstoffaufnahme verbunden ist, wirkt die Bodenfeuchte maßgeblich auf Energie-, Wasser- und Kohlenstoffflüsse an der Landoberfläche. Die neue SMOS-Satellitenmission (Soil Moisture and Ocean Salinity Mission) liefert hierzu Daten. Große Datensätze der vergangenen Jahrzehnte wertet die Arbeitsgruppe hinsichtlich der Klimavariabilität aus. Diese Analysen dienen z.B. als Referenz, um die Zuverlässigkeit neuer Klimamodelle zu überprüfen.

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Besonders betroffen von der globalen Erwärmung ist die Arktis – darin stimmen aktuelle Klimamodelle überein. Die Vielfalt der Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Meereis und Ozean bewirkt jedoch unterschiedliche Rechenergebnisse bezüglich der Höhe des Temperaturanstiegs. Die Forscher arbeiten deshalb daran, die Wechselwirkungen genauer zu beschreiben. Wichtige Informationen hierfür – zum Beispiel über Luftströmungen, Inversionswetterlagen, Fronten und Meereisbewegungen – werden mit Hilfe von Flugzeugen, Schiffen und Messbojen ermittelt. Inzwischen wurden Daten aus über 20 Expeditionen während der letzten zwei Jahrzehnte gesammelt und für die Weiterentwicklung der Klimamodelle genutzt.

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Um den Klimawandel besser zu verstehen und Veränderungen zu beobachten, wurden sogenannte essentielle Klimavariablen definiert. Eine wichtige Variable ist die Größe der Eisfläche, die das Meer bedeckt. Sie ist die längste von Satelliten verlässlich gemessene Klimazeitreihe überhaupt. Rückkopplungen verstärken die allgemeinen Klimaeffekte für die Arktis noch. Das arktische Meereis wird damit zum besonders sensiblen Indikator für Klimaänderungen - und zum handfesten Signal: Langfristig schrumpft die Fläche derzeit in zehn Jahren um durchschnittlich elf Prozent. Im September der Jahre 2007, 08 und 09 registrierte man außerdem die geringsten Meereisflächen seit Beginn der Satellitenmessungen 1972.

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An den Küsten weht bekanntlich meist eine steife Brise. Wird sich die Zahl der Stürme im Zuge des Klimawandels verändern? Dieser Frage geht die Forschungsgruppe nach und untersucht Stürme in Nordeuropa, Taifune in Südostasien und Polartiefs im Nordatlantik und Nordpazifik. Mehrere Jahrzehnte lange und homogene Zeitreihen atmosphärischer Größen, insbesondere Wind, werden mit Hilfe dynamischer (z.B. mit einem Regionalmodell) und statistischer Methoden in hoher Auflösung erzeugt und auf Stürme untersucht. So erstellen die Wissenschaftler einen detaillierten regionalen Datensatz, der die Veränderungen im Sturmklima der letzten Jahrzehnte beschreibt. Gleichzeitig können sie den zukünftigen Wandel und damit das Risiko für die Küstenregionen einschätzen.

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Im Klimasystem ablaufende Prozesse sind im Detail so vielfältig und fein strukturiert, dass sie nur mit einem komplizierten Gleichungsgebilde beschrieben werden können. Die Lösungen werden von Hochleistungsrechnern numerisch berechnet. Sie eignen sich zwar zur Nachahmung der Realität, tragen aber oft - da sie sehr komplex sind - nicht genug zum Verständnis bei. Die Nachwuchsforschungsgruppe „Dynamische Systeme“ arbeitet daher mit idealisierten Modellen von einfacher und mittlerer Komplexität, um die physikalischen Vorgänge besser nach zu vollziehen. Die Forschungsprojekte beschäftigen sich mit globalen Wärmebilanzen in Klima-Box-Modellen, der maximalen Intensität tropischer Wirbelstürme in Abhängigkeit des Klimazustands und der Entwicklung eines vereinfachten Ozeanmodells. In diesem Modell werden die so genannten Rossby- und Trägheitsschwere-Wellen im Ozean herausgefiltert. So wird erforscht, ob die ozeanische Wellendynamik für langsame Klimaschwankungen bedeutsam ist. Ist dies nicht der Fall, wären einfachere, gefilterte Ozeanmodelle zur Simulation langperiodischer Klimaschwankungen ausreichend.

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Küstengebiete und Schelfmeere sind hoch produktiv - und damit klimarelevant. Vom Mikroplankton bis zum Speisefisch speichern die Lebewesen dort eine große Menge des im Ozean enthaltenen CO₂. Viele ökologische Randbedingungen haben sich jedoch in den letzten Jahren grundlegend verändert. Im Projekt GENUS untersuchen Forscher die Folgen des globalen Umweltwandels auf Meeresströmungen, Nahrungsbeziehungen und Fischbestände im Küstenauftriebsgebiet vor Namibia. Hier lassen sich die klimatischen Ursachen und ihre ökologischen Folgen besonders gut ablesen. Ob in Zukunft mehr oder weniger CO₂ gebunden wird, hängt entscheidend von Klimafaktoren wie Wind und dem Wasseraustausch mit dem angrenzenden Ozean ab. Die Erkenntnisse gehen in ein Modellsystem ein, das die Folgen möglicher Klimaänderungen auch für andere Schelfmeere abschätzen soll.

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Im Klimasystem finden häufig Wechselwirkungen zwischen klein- und großskaligen Prozessen statt. Ein Beispiel hierfür ist die Mischung von feuchter Wolkenluft mit der trockenen Umgebungsluft. An diesen Grenzflächen finden kleinskalige Verwirbelung statt, die den Feuchtegehalt beeinflussen. Dieser wirkt wiederum auf die Bildung der ganzen Wolke: Sie kann vertikal in die Höhe wachsen oder sich eher am Boden in der Horizontalen ausbreiten. Ob die Wolke aber hoch oder niedrig in der Atmosphäre schwebt, ist wichtig für ihre Treibhaus-Wirksamkeit. Um ein genaueres Verständnis zu erlangen, werden diese Prozesse simuliert. Bisher konnten mathematische Modelle die kleinskaligen Abläufe im globalen Kontext nicht exakt genug abbilden. In der Arbeitsgruppe „Numerische Methoden in den Geowissenschaften“ entwickeln wir deshalb anpassungsfähige Gitternetze, die im Prinzip selber „wissen“, wo sie klein- und wo großskalig rechnen müssen. Eine innovative numerische Methode, die wertvolle Rechenzeit spart und die Kapazitäten von Supercomputern besonders effizient ausnutzt.

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Das Klima in Nordeuropa wird stark durch Umwälzströmungen im Ozean geprägt, die so genannte nordatlantische Zirkulation. Sie entsteht durch Unterschiede in Temperatur und Salzgehalt innerhalb der Weltmeere und unterliegt starken Veränderungen. Wäre es möglich, dass der Klimawandel diese Zirkulation dauerhaft ändert? Wie würde dies wiederum auf unser Klima zurückwirken? Diese Fragen werden im Großprojekt THOR untersucht. Mithilfe eines Netzes von verankerten Strömungsmessern auf dem Grönland-Schottland-Rücken, in der Labrador-See und zwischen Florida und Nordafrika erfassen die Forscher die gewaltigen Wasserumwälzungen im Atlantik. Ziel ist, verlässliche Prognosen für die Entwicklung der nordatlantischen Zirkulation für die nächsten 15 bis 25 Jahre zu erstellen.

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Dekadische Vorhersagen machen Prognosen für das Klima der nächsten Jahrzehnte. Sie sind weder kurzfristige Wettervorhersagen noch langfristige Klimaprojektionen, sondern liegen dazwischen. Deshalb werden für dekadische Vorhersagen sowohl die Modellierung des derzeitigen Klimazustands als auch die Modellierung der langfristigen Klimaentwicklungen benötigt. Die Arbeitsgruppe „Datenassimilation im Klimasystem“ verknüpft hierfür Beobachtungsdaten des Ozeans mit numerischen Klimamodellen. Dabei arbeitet sie eng mit Kollegen am Institut für Meereskunde und am Max-Planck-Institut für Meteorologie zusammen. Um ein adäquates Startszenario - die Initialisierung - für dekadische Vorhersagen zu entwerfen, verbessern die Forscher zurzeit die Datenassimilation von Ozeanbeobachtungen. Außerdem untersuchen sie Zeitskalen für die Vorhersagbarkeit von Volumen- und Wärmetransporten im Ozean.

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Seine gigantische Masse und seine physikalischen Eigenschaften machen den Weltozean zum Hauptwärmespeicher des Erdklimasystems. Ozeanographen beobachten ihn seit mehr als 100 Jahren, doch die aus der Wassersäule gewonnenen Temperaturdaten sind oft fehlerbehaftet. Temperaturprofile auf der ganzen Welt werden zum Beispiel mit unterschiedlichen ozeanographischen Geräten erhoben. Auch die modernsten Geräte weisen systematische Fehler auf. Entstehende Abweichungen sind oft genau so groß wie das Klimasignal selbst. Die Arbeitsgruppe „ICDC Datenplattformen“ identifiziert, quantifiziert und reduziert deshalb diese Fehler in Millionen von Temperaturprofilen. So wird ein kompletter bereinigter hydrographischer Datensatz der letzten 100 Jahre als Basis für Klimamodelle und zur Berechnung von Änderungen der Ozeantemperatur erstellt.

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Etwa ein Drittel des Treibhausgases CO2 wird im Meerwasser gelöst und zum Teil von Algen bei der Photosynthese verarbeitet. Zooplankton und kleinere Meerestiere fressen die Algen. Diese sterben später und sinken zu Boden – mit ihnen der Kohlenstoff. Das macht das Meer zu einem idealen Speicher für das Treibhausgas, was die Klimaerwärmung erheblich dämpft. Im Nordwest-Europäischen Schelf wird der abgesunkene Kohlenstoff mit der Tiefenströmung weiter in den Nordatlantischen Ozean transportiert und entfernt diesen so auf lange Zeit aus der Atmosphäre. Wir nennen das die "kontinentale Schelfpumpe". Ihr Verlauf wird von vielen verschiedenen physikalischen und biologischen Prozessen beeinflusst. Unsere Arbeitsgruppe hat ein umfassendes Computermodell von der Nordsee entwickelt, an dem Meteorologen, Geologen, Ozeanografen, Meeresbiologen und Meereschemiker beteiligt waren.

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Die chemische Verwitterung von Gestein kann klimarelevantes CO₂ binden und es so der Atmosphäre entziehen. Dadurch wird gleichzeitig gelöstes Silizium, ein wichtiger Nährstoff, von Flüssen in die Küstenökosysteme eingetragen. Die Arbeitsgruppe „Chemie natürlicher Wässer“ untersucht zum Beispiel, inwieweit sich die chemische Verwitterung verstärken lässt, um möglichst viel Kohlendioxid zu binden. Weiter arbeiten die Forscher an einer neuen, global repräsentativen Fluss-Datenbank sowie einer hochauflösenden globalen lithologischen Karte für die Modellierung von Prozessen an der Erdoberfläche. Ziel ist dabei die Entwicklung eines Modells, das weltweit den Transport gelöster Stoffe in die Küstengewässer bestimmt. Stoffeinträge für Szenarien des globalen Wandels können dann berechnet und miteinander verglichen werden.

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Die Abteilung „Ozean im Erdsystem“ am Max-Planck-Institut für Meteorologie untersucht fast alle Aspekte der Rolle des Ozeans im Klimasystem. Neben den Mechanismen der Ozean-Klima-Dynamik und Biogeochemie analysiert sie sowohl Zyklen von Eis- und Warmzeiten als auch das Verhalten der meridionalen Umwälzbewegung des Ozeans in einer zukünftigen Welt mit erhöhten Treibhausgaskonzentrationen. Hierfür nutzen die Forscherinnen und Forscher hauptsächlich gekoppelte Ozean-Atmosphären- und Erdsystemmodelle. Daneben werden auch Beobachtungen, statistische Analysen und Datenassimilationen eingesetzt, um das bisherige Wissen über den Ozean der Vergangenheit, der Gegenwart und der Zukunft zu verbessern. Wichtige Initiativen innerhalb der Abteilung sind die Entwicklung der Ozeankomponente für eine neue Modellgeneration sowie die Einrichtung eines Systems für Klimavorhersagen der nächsten Jahrzehnte.

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Eine zentrale Herausforderung in der Klimaforschung ist die Unterscheidung zwischen der natürlichen Klimavariabilität und dem von Menschen beeinflussten Klimawandel. Um diese Faktoren voneinander abzugrenzen, ist es erforderlich, die Rolle von sogenannten externen Antrieben – Änderungen in der Sonneneinstrahlung, Vulkanausbrüche oder Landnutzungsänderungen – sowie die interne Variabilität des Klimas zu verstehen. Dabei kann ein Blick in die Vergangenheit entscheidend helfen. Den historischen Zeitraum der letzten 1200 Jahre hat eine Forschungsgruppe um Dr. Johann Jungclaus am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) im Rahmen des Projekts „Millennium“ untersucht. Erstmalig wurden Ensemble-Klimasimulationen über diesen Zeitraum mit einem vollständig interaktiven Kohlenstoffkreislauf durchgeführt.

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Die antarktische Tiefsee gehört zu den am wenigsten erforschten Orten der Welt. Wie stehen die verschiedenen Arten hier in Wechselbeziehung? Welchen Einfluss haben Klimaänderungen in der Atmosphäre auf Flora und Fauna der Tiefsee? Das ANDEEP-SYSTCO-Projekt möchte das Puzzle zusammensetzen und so Erkenntnisse für den Schutz und eine nachhaltige Nutzung von Ökosystemen in der Antarktis gewinnen. Auf Expeditionen spüren die Forscher Planktonblüten auf, beobachten ihren Verlauf und protokollieren nach Absterben der Algenzellen ihr Absinken auf den Meeresboden als „marinen Schnee“ bis in 4500 Meter Tiefe. Wie reagieren die Tiefseebewohner auf diesen Puls von Nährstoffen? Der marine Schnee ist ihre ausschließliche Nahrungsquelle. Die Wissenschaftler erforschen, inwieweit sich Klimaänderungen über veränderte Algenblüten am Boden der Tiefsee direkt auswirken.

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Was passiert, wenn große Eisflächen schmelzen oder die Erde durch Entwaldung immer mehr Wärme speichert? Nicht für jede Klimarechnung ist ein Superrechner notwendig: Mit dem „Planet Simulator“ lassen sich grundlegende physikalische Prozesse des Klimas darstellen. Anders als hoch aufgelöste Vorhersagemodelle benötigt der „Planet Simulator“ dafür nur vergleichsweise geringe Rechnerkapazität. Parameter wie Temperatur, CO2-Konzentration oder die Solarkonstante werden einfach über eine grafische Benutzeroberfläche eingegeben. Der Nutzer erhält bereits während des Rechenprozesses Grafiken und visualisierte Daten. Der Simulator funktioniert auf allen UNIX / Linux- oder Mac-basierten Rechnern und ist weltweit an Forschungsinstituten und Universitäten im Einsatz.

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Meeresströmungen werden in Modellen als mathematische Gleichungen formuliert. Diese Beschreibung lässt sich verbessern, wenn das Modell mit Beobachtungsdaten „gefüttert“ wird, die so genannte Datenassimilation. Dabei werden die Startgrößen des Modells wie Temperatur- und Salzgehalt sowie Stoff- und Energieflüsse so angepasst, dass die Ergebnisse des globalen Modells mit den real gemessenen Daten besser übereinstimmen. Die Methode ist ein „iteratives“ Verfahren: Im ersten Schritt wird die Abweichung des Modells zu den Messdaten bestimmt und die Werte entsprechend angepasst. Diese neuen Werte werden wiederum in das Ausgangsmodell eingegeben und so fort. Die Forschergruppe arbeitet zurzeit an einer verbesserten Beschreibung der Ozeanzirkulation von 1948-2009, wobei jeder einzelne Rechenschritt zwei Wochen dauert.

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Eine große Herausforderung für die Klimaforschung ist es, die Wirkung von Wolken im weltweiten Energiehaushalt zu klären. Einerseits reflektieren Wolken Sonnenlicht zurück in den Weltraum, andererseits tragen sie dazu bei, dass Wärmeenergie in der Atmosphäre festgehalten wird. Wolken spielen außerdem eine zentrale Rolle im globalen Wasserkreislauf. Bisher konnten sie in Klimamodellen nur vereinfacht dargestellt werden, da noch nicht alle Rückkopplungen bekannt sind. Wolken sind daher eine der großen Unsicherheiten in den Rechenmodellen. Mit Hilfe von neuen theoretischen Erkenntnissen sowie Beobachtungen über Schwebeteilchen, Wolken und Niederschläge untersuchen die Forscherinnen und Forscher die Vorgänge in der Atmosphäre. Die Ergebnisse fließen in ein Erdsystemmodell der nächsten Generation ein.

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Die Landoberfläche als Teil des Erdsystems beeinflusst das regionale und globale Klima; umgekehrt prägt das Klima die Struktur der Landoberfläche, insbesondere die globale Verteilung der Wälder, Steppen und Trockengebiete. Mittlerweile hat auch der Mensch seinen unmittelbaren Lebensraum - die Landoberfläche - drastisch verändert. Wie sich die Wechselwirkung zwischen Land, Klima und Mensch in der Vergangenheit entwickelt hat und in der Zukunft entwickeln könnte, wird mit Hilfe von Modellen und Beobachtungen vor Ort oder vom Satelliten untersucht werden.

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Jedes Lebewesen betreibt ständig Stoffwechsel. Was für den einen Organismus ein Abfallprodukt ist, bildet für andere die Lebensgrundlage. Dadurch entstehen globale Kreisläufe, die das Klimasystem wesentlich beeinflussen. Besonders wichtig für die Steuerung des Klimas sind die Stoffkreisläufe im Meer, das fast drei Viertel der Erdoberfläche bedeckt. Zum Beispiel setzen die Meeresalgen mehrere Gigatonnen klimaaktive Substanzen wie Kohlenstoff und Stickstoff um. Die Forschungsgruppe „Ozeanische Biogeochemie“ entwickelt Rechenmodelle, um die Rolle dieser globalen ozeanischen Stoffkreisläufe besser zu verstehen. Hierfür werden vergangene Klimazustände im Modell nachgebildet und mögliche künftige Entwicklungen unter veränderten Bedingungen berechnet – wie beispielsweise durch die Versauerung der Meere oder Vulkanausbrüche.

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