Forschungsfragen

In unserer Arbeitsgruppe liegt der Schwerpunkt auf dem Gebiet der Dynamik der Atmosph?re. Darunter versteht man die Bewegungsvorg?nge, die in der Lufthülle unseres Planeten ablaufen. Und hierin wiederum fokussieren wir uns auf den Bereich der sogenannten ?Wirbeldynamik“. Hierunter sind – ganz allgemein gesprochen – wellenf?rmige Str?mungsph?nomene zu verstehen. Diese laufen auf ganz unterschiedlichen raumzeitlichen Skalen ab.

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Da sind zun?chst die unseren Planeten umspannenden ?planetaren Wellen“ zu nennen. Diese sind eine Folge der Bilanz zwischen der Druckgradientenkraft und der Corioliskraft, d.h., sie verdanken ihre Existenz der Erdrotation. Diese Wellen führen insbesondere dazu, dass der sogenannte ?Jet-Stream“, also ein zonal gerichtetes Starkwindband in der Atmosph?re der mittleren Breiten, welches h?ufig ausgepr?gte M?anderschlaufen ausbildet. Planetare Wellen beeinflussen also die globalen Zirkulationssysteme und beeinflussen die Gro?wetterlage (z.B. auch extreme Hitze- und K?lteperioden). Damit stellt sich die Forschungsfrage: ?ndert sich die Aktivit?t planetarer Wellen? Und wenn ja, wie und warum?

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Als Folge der Bilanz zwischen der Schwerkraft und der Auftriebskraft stellen sich in der Str?mung der Atmosph?re h?ufig sogenannte Schwerewellen ein. Diese sind auf deutlich kleineren raumzeitlichen Skalen unterwegs. Man kann sie h?ufig in parallel aufeinander folgenden Wolkenrippen erkennen. Sie werden angeregt etwa durch die ?berstr?mung orographischer Hindernisse (Berge), Land-See-?berg?nge oder Gebiete mit ausgepr?gter Konvektion. Wenn sie angeregt werden – h?ufig in den unteren Stockwerken der Atmosph?re -, entnehmen sie dort Energie. Diese transportieren sie dann h?ufig über gro?e Entfernungen bis sie brechen. ?ber turbulente Prozesse geben sie ihre Energie in Form von W?rme wieder an die Atmosph?re ab. Schwerewellen verteilen damit Energie und Impuls in der Atmosph?re um. Die sich daraus ergebende Forschungsfrage lautet: Wie beeinflussen Schwerewellen den Energiehaushalt der Atmosph?re?

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Schlie?lich besch?ftigen wir uns noch mit einer dritten Klasse von Wellen in Atmosph?re: den sogenannten Infraschallwellen. Sie sind die Folge der Bilanz von Druckgradientenkraft und Viskosit?tskraft und liegen unterhalb des für den Menschen zug?nglichen H?rbereich. Diese Wellen haben verschiedene ganz praktische Abwendungsbereiche. So kann man z.B. in diesem Frequenzbereich die Aktivit?t von Vulkanen, Erdbeben und auch von starken Sturmsystemen ?h?ren“ und auf deren Aktivit?t zurück schlie?en. Und natürlich stellt sich auch die Forschungsfrage: ?ndern sich die akustischen Eigenschaften der Atmosph?re aufgrund des Klimawandels?

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Daten

Verwendet werden Daten satellitenbasierter Instrumente etwa der Temperatur, des Windes oder von Spurengasen, die lange genug (photo)chemisch stabil sind, um diese als ?Tracer“ für Str?mungen verwenden zu k?nnen. Daneben verwenden wir auch Daten der genannten Parameter aus globalen Modellen (sogenannte ?Reanalysefelder“). Für die Beantwortung einiger Forschungsfragen reichen die genannten Daten nicht mehr aus. Dies trifft dann zu, wenn wir den H?henbereich quasi am Rand zum Weltraum untersuchen wollen, also etwa der H?henbereich um etwa 80 bis 100 Kilometer. Hier setzen wir eigene Messger?te ein. Bei diesen handelt es sich um Infrarot-Spektrometer (GRIPS) und Infrarot-Kameras (FAIM, BAIER). Mit diesen erfassen wir die vergleichsweise sehr schwache Emissionsstrahlung, wie sie in diesem H?henbereich von rotations-schwingungsangeregten Hydroxyl- und Sauerstoffmolekülen ausgesandt wird. Diese Strahlung ist auch als ?Luftleuchten“ (Airglow) bekannt. Man sieht h?ufig auf Fotos, die von Astronauten aufgenommen werden, diese dünne luftleuchtende Schicht, die die Erde wie ein Heiligenschein umgibt. Aus diesen Messungen k?nnen wir z.B. auf die Temperatur ebendort zurück schlie?en. Diese Ger?te setzen wir an verschiedenen Stationen auf der Erde ein. Ger?te befinden sich gegenw?rtig auf der Zugspitze, auf dem Hohen Sonnblick in ?sterreich, im Kaukasus, in Tschechien, in Frankreich auf Sizilien und in der Antarktis. Weitere Systeme werden vorbereitet für ihre Eins?tze in Chile und auf Zypern. Auch werden die Ger?te zeitweise auf einem Forschungsflugzeug (DLR-Falcon) und einem Forschungsschiff (Polarstern) eingesetzt. Pl?ne für einen satellitengetragenen Einsatz sind in Vorbereitung. Für die Erfassung von Infraschall setzen wir auch hochempfindliche Mikrophone ein, sogenannte Mikrobarographen (DINO).

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Methoden

Für die Beantwortung der o.g. Forschungsfragen müssen wir uns h?ufig mit der Analyse von Zeitreihen auseinandersetzen. Hier verwenden wir Methoden aus den Bereichen der klassischen Spektralanalyse (z.B. FFT, Harmonische Analyse, Maximum Entropie Methode). Da die Zeitreihen h?ufig nicht station?ren Charakter haben, d.h., die statistischen Momente (Mittelwert, Varianz, Schiefe) ?ndern sich mit der Zeit, verwenden wir auch andere Methoden, wie die Wavelet-Analyse oder die Empirical Decomposition Methode. Zur Verfolgung der Wellenausbreitung in der Atmosph?re setzen wir numerische Modelle ein. Bei der Auswertung der IR-Kamerabilder fallen sehr gro?e Datenmengen an, so dass eine automatische Vorauswertung notwendig ist. Hierzu setzen wir derzeit auf Verfahren des maschinellen Lernens, um etwa atmosph?rische Turbulenz in den Aufnahmen zu erkennen.

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Weitere Themen

Neben den o.g. Schwerpunktthemen besch?ftigen wir uns auch mit den folgenden derzeit gesellschaftlich sehr aktuellen Themen:

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• Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Entwicklung der Wirtschaft und der Luftverschmutzung?

Dieser Zusammenhang wird auf der Grundlage satellitenbasierter Messungen von Stickstoffdioxid (entsteht bei Verbrennungsprozessen) und Daten des Bruttoinlandsprodukts von Regionen untersucht.

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• Wie wird die Ausbreitung von Corona-artigen Pandemien durch Luftverschmutzung beeinflusst?

Diese Arbeiten haben die Weiterentwicklung eines konventionellen Seuchenausbreitungsmodells zum Gegenstand. Informationen zur Luftverschmutzung gewinnen wir insbesondere aus satellitenbasierten Messungen und aus gekoppelten Meteorologie/Chemie-Transport-Modellen.