Institute of Climate and Energy Systems (ICE-4: Stratosphäre und ICE-3: Troposphäre)

IEK-7: Stratosphäre

Das IEK-7 untersucht chemische, mikrophysikalische und dynamische Prozesse in der Atmosphäre sowie deren Rolle beim Klimawandel. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Tropopausenregion (5 bis 15 km), da sich hier Änderungen von Treibhausgasen, Aerosolen und Wolken besonders stark auf den Strahlungsantrieb (engl.: Radiative Forcing) der Atmosphäre auswirken.

Zur Erhöhung der Prognosefähigkeit von Chemie-Klima-Modellen (Zeitskalen von Jahrzehnten) untersucht das IEK-7 kleinräumige Prozesse auf der globalen Skala (Wellen, Wolken, Austauschprozesse), deren unzureichendes Verständnis zurzeit die Vorhersagekraft globaler und regionaler Modelle begrenzt. Für die Untersuchungen werden neuartige Messgeräte für Forschungsflugzeuge (z. B. auf dem deutschen Forschungsflugzeug HALO) und Forschungsballons entwickelt und im Rahmen internationaler Messkampagnen in der Arktis, bei mittleren Breiten oder in den Tropen eingesetzt. Darüber hinaus nutzt IEK-7 globale Satellitendaten und beteiligt sich an der Entwicklung neuer Satellitenmissionen (z. B. AtmoSat, CAIRT) . Die Auswertung sämtlicher Messdaten erfolgt in Kombination mit Computersimulationen der Erdatmosphäre (z.B. mit dem am IEK-7 entwickelten Atmosphärenmodell CLaMS). Zur Entfaltung von Synergien mit der Energieforschung werden in Zukunft die Auswirkungen der Energiewirtschaft (z. B. Emission von Treibhausgasen) auf die Zusammensetzung der oberen Troposphäre und Stratosphäre verstärkt untersucht.

Die Forschungsschwerpunkte des IEK-7 liegen derzeit bei folgenden klimarelevanten Themen:

• Obere Troposphäre und Stratosphäre im Klimasystem

Die obere Troposphäre und Stratosphäre (engl. Abkürzung UTS) sind ein wichtiger Faktor im Klimasystem. Gerade an der Tropopause bewirken bereits geringe Änderungen von strahlungsrelevanten Komponenten wie Wasser, Ozon und Zirruswolken erhebliche Änderungen des Strahlungsantriebs.

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• Ozon-Klimawechselwirkungen

Die stratosphärische Ozonschicht schützt die Erde vor der schädlichen UV-Strahlung, ist aber ebenso ein wichtiger Faktor für die Temperaturverteilung in der Atmosphäre. Änderungen der Ozonschicht sind daher sowohl aus gesundheitlich/biologischer als auch aus klimatischer Sicht relevant.

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• Atmosphärische Kopplungsprozesse

Dynamik und Transport sind wesentliche Aspekte, um die Verteilung von Spurenstoffen in der Atmosphäre für die Klima- und Atmosphärenchemie zu verstehen. In einer sich global verändernden Welt ändert sich auch die atmosphärische Dynamik - was wiederum einen Rückkopplungseffekt auf die Verteilung von Spurenstoffen bewirkt.

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IEK-8: Troposphäre

Das IEK-8 ist seit mehr als 40 Jahren eine der führenden Einrichtungen auf dem Gebiet der Atmosphärenchemie. Das IEK-8 erforscht Chemie-Klima-Wechselwirkungen auf globaler bis regionaler Ebene. Es führt experimentelle Studien zur Selbstreinigung der Atmosphäre bei Tag und Nacht durch, mit besonderemSchwerpunkt auf dem Zusammenhang zwischen Gasphasen-Oxidationsprozessen und der Bildung und Alterung von Aerosolen. Die Forschung am IEK-8 umfasst auch Langzeitbeobachtungen der Atmosphäre (Variabilität und Trends) und Modellsimulationen der komplexen Chemie und des Transports in der unteren Troposphäre und ihrer Wechselwirkung mit dem Erdsystem. Das IEK-8 strebt ein besseres Verständnis der Troposphäre an und liefert Daten, die für die Bewertung der Zusammenhänge zwischen Luftqualität und Klimawandel benötigt werden. Das verbesserte Prozessverständnis wird für die Vorhersage der globalen und regionalen atmosphärischen Zusammensetzung genutzt.

Folgende Themen des IEK-8 sind aktuelle Schwerpunkte und relevant für die Klimaforschung:

• Photochemie und Radikale

In unserer Forschungsgruppe untersuchen wir die troposphärische Photochemie, die für die Selbstreinigung der Atmosphäre von Schadstoffen verantwortlich ist, die durch menschliche Aktivitäten und Pflanzen ausgestoßen werden. Freie Radikale, die kurzlebige Zwischenprodukte in der Oxidationsreaktionskette sind, spielen eine zentrale Rolle bei der chemischen Umwandlung von Schadstoffen, bei der gefährliches Ozon und Partikel gebildet werden. Diese Produkte beeinträchtigen nicht nur die Luftqualität und die menschliche Gesundheit, sondern wirken sich auch auf das Klima aus.

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• Reaktive Spurenstoffe

Reaktive Spurenstoffe wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffe und Stickoxide werden in gewaltigen Mengen durch natürliche und anthropogene Emissionen in die Atmosphäre abgegeben. Die Messung ihrer Konzentrationen und die Aufklärung ihrer Abbauwege hilft dabei, die komplexen Prozesse zu verstehen, mit denen die Atmosphäre diese Verschmutzungen wieder entfernt.

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• Aerosol

Aerosole sind wichtige Komponenten der Atmosphäre, da sie wichtige Rolle in der atmosphärischen Chemie, sowie für Klima und Gesundheit spielen. Wir untersuchen gemeinsam die Quellen und die Zusammensetzung von Aerosolen, sowie ihre Aktivierbarkeit zu Wolkentropfen.

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• Globale Beobachtung

Die Tropopausenregion und die angrenzenden Schichten der obersten Troposphäre und untersten Stratosphäre (UTLS) sind eine bezüglich Chemie und Klimaänderungen äußerst empfindliche Region der Atmosphäre, über die nach wie vor wenig bekannt ist. Langzeitbeobachtungen der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre sowie der Temperatur, Aerosole und Wolken durch IAGOS helfen, Veränderungen in dieser Atmosphärenregion festzustellen, die Kreisläufe der Klimagase Wasserdampf und Ozon besser zu verstehen und den Einfluss des Klimawandels zu untersuchen.

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• Atmosphärische Modellierung

Unser zentrales Ziel ist es, die atmosphärische Zusammensetzung zu modellieren und deren Rolle im Erdsystem vorherzusagen. Dafür erforschen wir nicht-beobachtbare Prozesse, um den chemischen Zustand der Atmosphäre möglichst genau zu beschreiben.

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