Naturkatastrophen sind häufig die Folge von gebietstypischen Gefahrenpotenzialen – so genannten regionalen Geohazards. Sie können sich daher wiederholen und stellen für die Menschen in der Region eine permanente Gefährdung dar. Um sich auf Extremereignisse einzustellen bzw. deren Folgen zu mildern, müssen die Betroffenen sich der Gefahr bewusst sein. Oft wird dieses Bewusstsein durch ein traumatisches Schlüsselereignis hervorgerufen - und über Erinnerung aktuell gehalten. Im interdisziplinären Projekt „StarG“ wird der öffentliche Diskurs bei der Verarbeitung eines solchen Ereignisses rekonstruiert: Wie wirken Medienberichte und eigene Erfahrung auf das soziale Gedächtnis? Welche Lösungsstrategien werden politisch umgesetzt? Und wie beeinflusst die Diskussion um den Klimawandel die Bewertung der Ereignisse?

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Kontinuierlich hat sich das Klima an den Küsten in der Vergangenheit verändert - es wird dies auch in Zukunft tun. Menschen, die hier leben oder arbeiten, interessiert: Werden Stürme häufiger? Müssen wir mit höheren Sturmfluten rechnen? Wie entwickeln sich die Wellen einige Kilometer vor der Küste? Für den Küstenschutz, die Schifffahrt oder den Bau von Offshore-Windanlagen sind statistische Daten über Stürme, Wellen und Sturmfluten von zentraler Bedeutung, um Sicherheit zu gewährleisten und effektiv vorauszuplanen. Im Projekt CoastDat rekonstruieren Wissenschaftler in langen Zeitreihen die Vergangenheit und entwerfen mögliche Szenarien künftiger Änderungen. Diese Daten werden beispielsweise für Behörden, Universitäten, Schiffbauer oder Offshorefirmen aufbereitet und zur Verfügung gestellt.

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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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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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Die Landfläche der Erde ist zu etwa einem Drittel mit Wald bedeckt. Wälder beeinflussen das Klima und können globale Änderungen mildern, indem sie die Atmosphäre von Treibhausgasen entlasten: Permanent nehmen sie Kohlendioxid auf, speichern den enthaltenen Kohlenstoff und produzieren Sauerstoff. Durch Waldzerstörung gehen deshalb nicht nur wichtige Ökosysteme verloren, sondern es werden auch große Mengen an klimaschädlichem Kohlendioxid freigesetzt. Etwa ein Fünftel aller globalen Emissionen werden durch Entwaldung verursacht. Die Hamburger Wissenschaftler entwickelten daher ein Kontrollinstrument, um die oft unbemerkte Regenwaldzerstörung im Unterholz aufzudecken. Zudem erforschen sie, wie sich Bäume an ein verändertes Klima anpassen und wie der Wald klimaoptimiert bewirtschaftet werden kann.

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Manches Regenschirmwrack beweist: Luftströme in Städten sind wenig berechenbar. Durch Häuserschluchten können Windböen verstärkt werden. Dies kann Windschäden verursachen aber auch das Wohlbefinden der Menschen beeinträchtigen. Weil die komplexe Bebauung der Städte in Computermodellen nur vereinfacht beschrieben werden kann, sind die Ergebnisse der Experimente im Windkanal eine wichtige Ergänzung. Im größten Grenzschichtwindkanal Europas untersucht die Forschergruppe, wie die Bebauung die lokalen Windverhältnisse, das Stadtklima und den Transport von Luftschadstoffen beeinflusst. Auch Sicherheitsaspekte stehen im Fokus: Experimente zeigen, wie sich zum Beispiel bei Störfällen Gefahrstoffe in der Stadt ausbreiten. Für die Untersuchungen wurde zum Beispiel die Hamburger Innenstadt im Maßstab 1:350 nachgebaut.

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Unsere Städte müssen mit Klimaänderungen rechnen. Da die notwendigen Anpassungsmaßnahmen mit hohen Kosten verbunden sind, muss deren Wirksamkeit geprüft werden. Für die Metropolregion Hamburg untersuchen Forscher im Projekt KLIMZUG-NORD, wie das zukünftige Klima in der Region aussehen wird, wie sicher Aussagen zu regionalen und lokalen Klimaänderungen sind und wie Gebäude- oder Stadtstrukturen die Temperatur, Luftfeuchtigkeit, den Wind oder den Niederschlag beeinflussen. Beispielsweise wird die klimatische Wirkung von Bebauung, Vegetation und Wasserflächen mit numerischen und physikalischen Modellen eingeschätzt. Dazu werden auch einzelne Gebäude und die Effekte architektonischer Maßnahmen untersucht. Die Ergebnisse werden in einen KLIMZUG-NORD Masterplan für Hamburg einfliessen.

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Moore und Permafrostböden sind langfristige Speicher riesiger Mengen von Kohlenstoff. Es wird befürchtet, dass der globale Klimawandel zu einer teilweisen Freisetzung dieses Kohlenstoffs als Treibhausgase in die Atmosphäre führen kann. Die Forschungsgruppe „Regionale Hydrologie in Terrestrischen Systemen“ untersucht, welche Rolle diese extrem großen Kohlenstoffspeicher regional und global im Klimasystem spielen. Wie wirken sich Klimawandel und Änderungen der Landnutzung auf den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt dieser Gebiete aus? Expeditionen in die russische Taiga und das arktische Lena-Delta in Sibirien liefern Daten aus wenig erforschten und schwer zugänglichen Regionen. Diese kombinieren die Forscher mit hydrologischen und biogeochemischen Rechenmodellen.

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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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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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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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Ob sich Lebewesen in ihrer Umgebung erfolgreich durchsetzen können, hängt von zwei grundsätzlichen Faktoren ab: den Interaktionen untereinander sowie die Anpassungen an ihre physikalische und chemische Umwelt. So kann zum Beispiel ein Wechsel der Klimabedingungen eine Veränderung des Artenspektrums bewirken. Denn für einige Arten kann er von Vorteil sein, für andere dagegen von Nachteil. Jedes Jahr ändern sich die physikalischen und chemischen Umweltbedingungen und damit die Lebensbedingungen für Lebewesen wie den Planktern in einem See. Mittels ausführlicher statistischer Analysen von Langzeitbeobachtungen des Vorkommens von Planktonarten im Plußsee in Norddeutschland untersucht die Arbeitsgruppe den Einfluss des Klimawandels auf Artenzusammensetzung und Diversität im Plankton.

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Ist der Klimawandel ein Sicherheitsrisiko? Was kann getan werden, um mögliche Gewaltkonflikte zu vermeiden? Diese Fragen stehen im Mittelpunkt der Arbeit der Forschungsgruppe Klimawandel und Sicherheit (CLISEC). Gesellschaften sind auf vielfältige Weise vom Klimawandel betroffen, zum Beispiel durch Wassermangel, Verlust von fruchtbarem Land, Überschwemmungen, Stürme und Meeresspiegelanstieg. Diese Faktoren können die Wechselwirkungen zwischen Armut, Hunger, Migration, Unterentwicklung, Umweltzerstörung, politischer Instabilität und Konflikten weiter verschärfen. Die Untersuchungen gelten Verbindungen und Rückkopplungsprozessen zwischen Klimawandel, Ressourcenverteilung und politischer Stabilität. Der geographische Schwerpunkt liegt zunächst auf dem Mittelmeerraum und Nordafrika. Dabei gilt es Konzepte für internationale Zusammenarbeit, Konfliktmanagement und nachhaltigen Frieden aufzuzeigen.

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Mikroskopisch kleine Algen bilden die Grundlage des Lebens im Meer. Ihr Vorkommen wird von klimabedingten Umweltschwankungen beeinflusst. Gleichzeitig spielen die Algen selbst eine wichtige Rolle im Klimageschehen. Weil sie dem System durch Photosynthese Kohlendioxid entziehen, aber auch weil einige Arten klimarelvante Gase produzieren - die zum Beispiel die Ozonschicht zerstören. Darüber hinaus verändern die Winzlinge die optischen und mechanischen Eigenschaften des Wassers. Um all diese Prozesse zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wann, welche und wie viele Algen auftreten. Die Arbeitsgruppe ACCOEM (Advancement of Coupled Climate Ocean Ecosystem Models) entwickelt daher Computermodelle für marine Ökosysteme, die anschließend in Ozeanzirkulationsmodelle integriert werden.

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In Deutschland leben mehr als zwei Drittel der Bevölkerung in Städten. Faktoren wie Versiegelung, Bebauung, Industrie und Verkehr können hier die Risiken des Klimawandels verstärken, aber auch verringern (zum Beispiel Windlast). Der Forschungsbereich kombiniert numerische und physikalische Modelle atmosphärischer Vorgänge mit soziologischer Expertise, um die spezifischen Eigenschaften von Städten und das daraus folgende typische Stadtklima zu analysieren und die Einflüsse auf ihre Bewohner einzuschätzen. Ziel der Forscher ist es, herauszufinden, welcher Anteil des Stadtklimas global bzw. regional bestimmt ist und welcher Anteil „hausgemacht“. Ebenso wichtig: Wie kann der Stadtklimaeffekt in Hinblick auf damit verbundene Risiken vermindert werden und wie kann eine an den Klimawandel angepasste Stadt aussehen.

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Erkenntnisse aus der Wissenschaft bilden häufig die Grundlage für klimapolitische Entscheidungen. Sind sich die Forscher einig, ist die Zielsetzung zumindest theoretisch klar. Allerdings nutzen Wissenschaftler oft verschiedene Modelle, die unterschiedliche Prognosen liefern - und entsprechend mehr oder weniger strikte Maßnahmen erfordern. Ökonomen am KlimaCampus entwickeln „robuste“ wirtschaftspolitische Strategien für Entscheidungen unter „Modellunsicherheit“. Wie sollte man agieren, wenn der CO₂-Gehalt in der Atmosphäre nicht über einen bestimmten Grenzwert ansteigen soll? Prognostizieren die Modelle widersprüchliche Szenarien, sollten sich die wirtschaftspolitischen Akteure – verglichen mit der Situation unter Modellsicherheit - erstaunlicherweise nicht vorsichtigere, sondern striktere klimapolitische Ziele setzen.

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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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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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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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Unerschütterlich scheint der feste Erdmantel verglichen mit den vielfältigen Luftbewegungen, die täglich in der Atmosphäre ablaufen. Trotzdem gibt es auch dort hochdynamische Ereignisse, die sogar globalen Einfluss haben: Bricht ein Vulkan aus, kann dies das Klima beeinflussen. Entstehende schwefelhaltige Aerosolschichten bringen Kühlung, Ascheregen düngt die Meere. Ziel der Forscher ist es, den Effekt von Vulkanausbrüchen auf das Klima besser vorherzusagen. Eine im Mai 2010 am Vulkan Stromboli installierte Station zum Beispiel soll die zehnminütlich stattfindenden „strombolianischen“ Eruptionen registrieren. Versteht man die Dynamik von Vulkanen besser, so kann dies auch Hinweise auf vergangene Klimaereignisse in der Erdgeschichte geben.

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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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Die großen Eisschilde der Antarktis und Grönlands sind eine wichtige Komponente im System Erde: Ihre Ausdehnung und Stabilität beeinflussen das globale Klimasystem. Um zu untersuchen wie Eisschilde und Schelfeise auf Veränderungen im Klimasystem reagieren, nutzt die Arbeitsgruppe Glaziologie komplexe Computermodelle. Physikalische Prozesse, die das Fließen auf der Mikroebene bestimmen, werden dabei ebenso einbezogen, wie die Bildung eines Gleitfilms aus Wasser an der Unterseite des Eisschildes. Etwa 90 Prozent des antarktischen Eisschildes fließen durch Eisströme und Gletscher in Richtung Ozean und bilden dort riesige schwimmende Eisplatten, die Schelfeise. Die Stabilität von Schelfeisen, deren Rückhaltekraft auf Eisströme und das Kalben großer Tafeleisberge sind ebenfalls Thema.

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