1 1. Herbstschule 2003 System Erde Planet Erde Montag, 9 ... - DMG

1. Herbstschule
2003
System Erde
Planet Erde
Montag, 9. 9. 2002
1. Das System Erde. Unser dynamischer Planet
Prof. Rolf Emmermann, GFZ Potsdam
In den vergangenen drei Jahrzehnten hat sich in den Geowissenschaften eine Revolution
vollzogen, die man in ihrem Ausmaß vielleicht mit dem Übergang vom ptolomäischen zum
kopernikanischen Weltsystem in der Physik vergleichen kann. Sie wurde ausgelöst durch die
Bestätigung einer Theorie, die unter dem Namen "Plattentektonik" in die Literatur
eingegangen ist. Diese Theorie besagt, dass die Rinde unseres festen Erdkörpers wie ein
großes Mosaik aus einem runden Dutzend von starren Platten, den sogenannten
Lithosphärenplatten, besteht, die etwa 150 km dick sind und sich in ständiger Bewegung
relativ zueinander befinden, indem sie auf einer zähplastischen Unterlage gleiten. Während
die Platten selbst relativ stabil sind, markieren ihre Grenzen geodynamisch besonders mobile
Bereiche unserer Erde, auf die sich viele geologische Prozesse konzentrieren. Je nach den
Relativbewegungen der Platten zueinander kann man zwei Hauptarten von Plattengrenzen
unterscheiden: divergente und konvergente Plattengrenzen. Divergente Plattengrenzen sind
Nahtstellen der Erde, an denen Lithosphärenplatten auseinanderdriften. Konvergente
Plattengrenzen sind der Bereich, in denen sich Lithosphärenplatten aufeinander zu bewegen
und zusammenstoßen.
2. Luft, unser Planet und seine Schutzhülle - Wetter und Wettervorhersage
Prof. Werner Wehry, FU Berlin
Folgende Bereiche werden vorgetragen und diskutiert:
1. Luft und ihre Eigenschaften
2. Was ist Wettervorhersage? Definitionen
3. Das umfangreiche System Wettervorhersage
4. Beobachtung, Messung, Messinstrumente,
Sammlung und Austausch von Daten
5. Anschauungsmodelle ("Hoch", "Tief", "Fronten" usw.)
6. Analyse und Diagnose von Wetterfeldern: Grundlage der Prognosen
7. Interpretation von Messwerten und
Computerrechnungen: Wettervorhersage
8. Vom Nutzen der Wettervorhersage
3. Natürliches System Stadt - Stadtökologie der Metropole Berlin
Prof. Wilfried Endlicher, HU Berlin
Natur in der Stadt wird als System definiert, das sich aus den abiotischen Teilsystemen
städtische Böden, Gewässer und Atmosphäre einerseits, den biotischen Teilsystemen urbane
Vegetation und Tierwelt andererseits zusammensetzt. Neuere Forschungsergebnisse aus den
einzelnen Teilsystemen werden vorgestellt, und dieser moderne stadtlandschaftsökologische
Ansatz überwiegend mit Berliner Beispielen illustriert. Es wird gezeigt, dass der Boden, auf
dem wir stehen, anders als im Umland zu bewerten ist, dass wir einen neuen Umgang mit den
Gewässern brauchen, und dass die Stadt als Wärme- und Trockeninsel Auswirkungen für das
Wachstum und die Ansiedlung von Pflanzen hat, aber auch das menschliche Wohlbefinden
und die Gesundheit stark vom Stadtklima beeinflusst werden. Die Artenzahl von Farn- und
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Blütenpflanzen ist größer als im Umland, viele neue Arten wandert immer noch ein; dies gilt
auch für Tiere, zumindest viele Wirbellose. Außerdem ist für viele Tierarten, besonders
Kulturfolger, das Nahrungsangebot ganzjährig hoch. Habitate sind dagegen stark vereinzelt.
4. Satellitenanwendungen: Der Blick auf das System Erde von außen:
CHAMP und GRACE
Prof. Christoph Reigber, GFZ Potsdam
Der Satellit CHAMP und die beiden Satelliten der Mission GRACE umkreisen die Erde auf
polaren Bahnen in niedriger Höhe. Aus ihren Messungen wurde ein präzises Modell des
Erdschwerefeldes abgeleitet. Was verbirgt sich eigentlich hinter dem als »Potsdamer
Kartoffel« bekannt gewordenen Bild unseres Planeten?
Die in räumlicher und zeitlicher Auflösung verbesserte Messung des Schwerefelds der Erde,
und damit ein immer präziseres und detailreicheres Bild der »Potsdamer Kartoffel«, ist eine
wichtige Aufgabe für die Erkundung unseres Planeten und war Anlass für die neuen
Satellitenmissionen CHAMP und GRACE sowie weitere bereits geplante Missionen. Die
Wissenschaftsdisziplinen der Geodäsie, Geophysik, Ozeanographie, Glaziologie und
Klimatologie profitieren unmittelbar von Fortschritten auf diesem Gebiet. Die Anwendung
und wissenschaftliche Nutzung globaler Erdschwerefeldmodelle ermöglichen Studien
bezüglich Aufbau und Dynamik des Erdinnern bis hin zu Untersuchungen von an der
Erdoberfläche periodisch und langfristig ablaufenden Prozessen im Wasser- und Eishaushalt.
5. Seismologie - Erdbeben und die Tomographie des Erdkörpers
Prof. Rainer Kind, GFZ Potsdam
Das Wort Erdbeben ist ein Schreckenswort, es bedeutet Zerstörung und Tod. Wie kommt es
zu Erdbeben, wie kann man sich vor ihnen schützen? Erdbeben lassen sich nicht verhindern,
Möglichkeit und Nutzen einer Vorhersage ist sehr umstritten, maximalen Schutz bietet nur
eine sichere Bauweise der Häuser.
Erdbeben haben aber auch einen Nutzeffekt. Ernst von Rebeur-Paschwitz wies schon im Jahre
1889 durch Messungen auf dem Telegrafenberg in Potsdam nach, dass die von Erdbeben
abgestrahlten seismischen Wellen den gesamten Erdkörper durchlaufen und uns Einblicke in
das Innere der Erde erlauben. Ohne die so ermöglichte seismischen Tomographie, die sehr
vergleichbar ist mit der medizinischen Tomographie, würden uns die wichtigsten
Voraussetzungen fehlen, das System Erde zu verstehen.
Einstein bezeichnete z.B. noch am Anfang des letzten Jahrhunderts die Frage nach den
Ursachen des Erdmagnetfeldes als eines der größten ungelösten wissenschaftlichen Probleme
der Menschheit. Das war kurz bevor mithilfe der Seismologie die Existenz eines Erdkernes
aus flüssigem Eisen nachgewiesen wurde, der das Erdmagnetfeld erklärt. Heute sind die
Seismologen bemüht, eine weitere große Lücke zu füllen, die uns noch zum Verständnis des
Systems Erde fehlt: nämlich die Frage nach dem Verlauf des Wärmeaustausches zwischen
dem 5000 °C heißem Kern und der kalten Erdoberfläche. Die resultierende Mantelkonvektion
ist die treibende Kraft der Plattentektonik, die seit vierzig Jahren die dominierende
geologische Theorie ist. Alle geologischen Vorgänge, wie Entstehung von Kontinenten,
Ozeanen, Gebirgen, Erdbeben, Vulkanen, Sedimentbecken und damit auch von
Bodenschätzen, werden mit dieser Theorie erklärt.
Die Seismologie ist in der Lage, über die dreidimensionale Verteilung der seismischen
Geschwindigkeiten im Erdkörper, die dreidimensionale Verteilung der Temperatur und
Dichte zu bestimmen. Gegenwärtig wird versucht aus den Verteilungsmustern dieser
Parameter den Verlauf des aufströmenden heißen Materials und des absinkenden kalten
Materials im Erdmantel zu erkennen. Wenn diese Muster mit ausreichender Auflösung
bekannt sind, sollte der Zusammenhang zwischen Plattentektonik und Mantelkonvektion
erklärbar werden. Aber auch für die Plattentektonik selbst ist die Seismologie unverzichtbar.
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So werden z.B. die Plattengrenzen durch die Erdbebenverteilung definiert und die Frage nach
der Mächtigkeit der Lithosphärenplatten ist gegenwärtig ein wichtiges mit seismologischen
Mittel lösbares Problem. Die vorhandenen und noch auszubauenden Mittel, die zur Lösung
seimologischer Fragen benötigt werden, sind globale seismologische Netze die on-line die
Messdaten in Zentren übertragen und der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung
stellen. Solche Netze sind nur in enger internationaler Kooperation zu betreiben. Das GFZ
Potsdam leistet mit seinem GEOFON Netz einen der großen Beiträge zu dem internationalen
Netz. Eine Verarbeitung der Messdaten in Realtime wird für die frühe Information von
Behörden und Öffentlichkeit im Falle von Starkbeben benötigt. Damit ist der Zusammenhang
zwischen Erdbeben als Katastrophe und als Informationsquelle wieder hergestellt.
6. Optische Untersuchung der Atmosphäre mittels LIDAR
Dipl.-Phys. Miguel Rodriguez, Arbeitsgruppe Prof. Wöste, FU Berlin
Zur Bewertung der Auswirkung anthropogener Luftschadstoffe genügt es nicht, einzelne
Emissionsquellen zu lokalisieren und deren Ausbreitung in der Atmosphäre zu bestimmen.
Denn während der Ausbreitung finden zahlreiche chemische Folgeprozesse statt, deren
Ablauf durch die meteorologischen Bedingungen beeinflusst wird. Beispiele sind die
Entstehung von Sommersmog oder der Abbau der schützenden Ozonschicht in der
Stratosphäre. Zur Stützung und Bewertung von Modellrechnungen ist eine eindeutige
Charakterisierung dieser Prozesse erforderlich. Hierfür werden Daten über die
Konzentrationen der beteiligten Substanzen und der meteorologischen Parameter benötigt,
und zwar in Form von langen Zeitreihen mit möglichst hoher räumlicher und zeitlicher
Auflösung. Um diese Daten zu erhalten, ist die Fernerkundung mittels gepulster Laser, die
LIDAR-Technik (Light Detection and Ranging, auch Laser-Radar genannt), am besten
geeignet. Zum Teil ist sie die einzig mögliche Methode.
Zur Spezialisierung auf bestimmte Messgrößen wurde eine Vielzahl unterschiedlicher
LIDAR-Systeme entwickelt, die die verschiedenen optischen Prozesse beider Ausbreitung des
Laserlichts in der Atmosphäre nutzen. Hierbei handelt es sich vor allem um elastische
(Rayleigh-) und inelastische (Raman-) Streuung an Molekülen, molekulare Absorption und
Streuung an Aerosolen. So können zum Beispiel geringste Spurengaskonzentrationen in der
unteren Atmosphäre oder die Eigenschaften von speziellen polaren Wolken in über 20 km
Höhe gemessen werden.
Ein neuer Ansatz auf dem Gebiet des LIDAR ist der Einsatz von ultrakurzen (10 E-13
Sekunden), hochintensiven (10 E12 Watt) Laserpulsen. Die nicht-klassischen Prozesse bei der
Wechselwirkung dieser Strahlung mit Luft sind Gegenstand aktueller Grundlagenforschung.
Die Nutzbarkeit dieser Effekte für neuartige Methoden der Atmosphärenuntersuchung konnte
jedoch bereits nachgewiesen werden. Darüber hinaus kann diese Strahlung sogar elektrische
Entladungen (Blitze) beeinflussen.
7. Was ist Klima?
Prof. Martin Claussen, PIK
Dienstag, 10. 9. 2002
Klima wird auf verschiedene Weise definiert. Zum einen wird Klima als mittlerer Zustand der
Atmosphäre - so zu sagen als "mittleres Wetter" - und dessen Variabilität verstanden. Zum
anderen wird Klima als Zustand und Ensemblestatistik eines dynamischen Systems, des
Klimasystems, beschrieben. Die erste Definition hat sich in der Klimatologie, einer eher
beschreibenden Wissenschaft bewährt. Zum Verständnis der Klimadynamik greift diese
Definition jedoch zu kurz, denn der mittlere Zustand der Atmosphäre wird in starkem Maße
durch die Wechselwirkung der Atmosphäre mit den anderen Komponenten des Klimasystems
wie dem Ozean, der terrestrischen und marinen Biosphäre, der oberen Erdschicht (der
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Pedosphäre), den Eis- und Schneemassen sowie, wenn man über die vielen Jahrtausende und
Jahrmillionen der Koevolution von Geosphäre und Biosphäre blickt, dem oberen Erdmantel
beeinflusst. In diesem Vortrag werden die Konsequenzen diskutiert, die sich aus der
physikalischen Definition für die Klimamodellierung ergeben, und offene Fragen
angesprochen, wie z.B.: welche Komponenten des Klimasystems sind chaotisch und wie
stabil ist das Klimasystem?
8.Klimamodellierung und Klimaprojektionen
Prof. Ulrich Cubasch, FU Berlin
In der Diskussion über den Klimawandel treffen zwei Hypothesen aufeinander: Die eine
besagt, dass seit Beginn der Industrialisierung die Menschheit das Klima in zunehmenden
Maße durch den Ausstoß von Treibhausgasen verändert und in der Zukunft sehr stark
beeinflussen wird. Hieran hat das Kohlenstoffdioxid, das bei der Verbrennung fossiler
Brennstoffe, z. B. Erdöl und Kohle, freigesetzt wird, den größten Anteil. Die andere besagt,
dass die beobachtete Erwärmung der letzten 150 Jahre überwiegend auf Variationen der
Sonneneinstrahlung zurückzuführen sei, denn es hätte schon vor der Menschheit Warm- und
Kaltzeiten gegeben, die das, was der Mensch verursachen kann, in den Schatten stellen.
Um das Verhältnis zwischen Sonne, Mensch und Klima realistisch einzuschätzen, muss man
zunächst das Klimasystem und seine Komponenten betrachten. Das Klimasystem besteht aus
der Atmosphäre, der Hydrosphäre (Ozean und Wasserkreislauf), der Kryosphäre (Eis und
Schnee), der Biosphäre (Pflanzen und Tiere), der Pedosphäre (Boden) und der Lithosphäre
(Gestein). Die Komponenten des Klimasystems schwanken mit unterschiedlichen Zeitskalen
und beeinflussen sich wechselseitig. Man bezeichnet dieses als "Klimarauschen".
Das Klimasystem wird durch externe Faktoren angeregt. Dazu gehören Veränderungen in der
Sonneneinstrahlung, entweder bedingt dadurch, dass sich die Bahn der Erde um die Sonne
sowie die Lage der Erdachse mit der Zeit ändern oder durch Schwankungen in der
Strahlungsabgabe der Sonne. Diese externen Faktoren werden den anthropogenen (d. h. durch
den Mensch gemachten) Ursachen, also dem zusätzlichen Treibhauseffekt und der
Schadstoffbelastung der Atmosphäre - gegenübergestellt, und ihr Effekt wird durch das
Klimarauschen überlagert.
Um den physikalisch-dynamischen Zusammenhang zwischen Sonneneinstrahlung,
Treibhauseffekt und Klima zu berechnen, setzt man Klimamodelle ein. Dieses sind
umgebaute Wettervorhersagemodelle und kalkulieren das Klima aufgrund physikalischer
Gesetze. Man kann mit ihnen hochrechnen, dass die von der Sonne ausgelösten Änderungen
die seit 1850 beobachtete Erwärmung nur zu etwa 20 bis 30 Prozent erklären, und der Rest
anthropogenen Ursprungs ist. In der Zukunft ist zu erwarten, dass der anthropogene Anteil
noch zunimmt. Klimaprojektionen für die nächsten 100 Jahre sagen voraus, dass sich die
globale Mitteltemperatur um ca. 1,4 bis 5, 8 0C erhöhen wird, je nachdem, wie sich die
Weltbevölkerung, ihr Energieverbrauch und die dabei eingesetzten Energieträger entwickeln
werden.
9. Spaziergang Wissenschaftspark,
(Potsdamer Schwerewert, Einsteinturm, Michelson-Versuch, Sürings Ballonaufstieg,
Polarexpedition "Gauss" 1901)
Dipl.-Met. Franz Ossing, GFZ Potsdam
Der Wissenschaftscampus auf dem Potsdamer Telegrafenberg beherbergt heute moderne
Forschungseinrichtungen, in denen über 850 Personen arbeiten.
Die heutigen Institute stehen auf historischem Grund. 1874 wurde hier das weltweit erste
Astrophysikalische Observatorium errichtet, dem 1892 das ebenfalls weltweit erste Institut für
physikalische Geodäsie folgte. 1893 wurde das Gebäude des Meteorologischen
Observatoriums Potsdam eingeweiht. Potsdams zweite architektonische Weltberühmtheit, der
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Einsteinturm von Mendelsohn, steht ebenfalls auf dem Campus.
Wissenschaftsgeschichte in Potsdam: im damaligen Gebäude des Astrophysikalischen
Observatoriums Potsdam wurde 1881 der Michelson-Versuch erstmals erfolgreich
durchgeführt. Der im Geodätischen Observatorium Potsdam von 1898 bis 1904 ermittelte
Wert der Erdanziehung war von 1909 bis 1971 der internationale Referenzwert für die
Erdbeschleunigung. 1889 fand hier die weltweit erste Fernaufzeichnung eines Erdbebens statt.
Mit dem Großen Refraktor, einem optischen Teleskop von 1899, wurde erstmals interstellare
Materie beobachtet. Das Meteorologische Observatorium ist eine der Geburtsstätten der
deutschen Meteorologie. Süring, seinerzeit Direktor des Observatoriums, stieg 1901 mit
einem Ballon zehn Kilometer hoch auf und wies dabei, zusammen mit Berson, messtechnisch
die Stratosphäre nach.
10.Klimaänderung und paläoklimatische Erkenntnisse
Prof. Jörg Negendank, GFZ Potsdam
Diese natürliche Klimavariabilität ist Basis für die Erkennung eines anthropogenen
Einflusses, der heute in der Diskussion aufgrund von Modellen im Vordergrund steht. Die
Detaildiskriminierung der Ursachen dieses multikausalen Klimageschehens steckt noch in den
Anfängen. Verschiedene Versionen werden vor dem Hintergrund natürlicher Variabilitäten
diskutiert.
11. Ozeane und Klima
Prof. Stefan Rahmstorf, PIK
Currents of Change
Investigating the Ocean’s Role in Climate
Essay for the McDonnell Foundation Centennial Fellowship 1999
12. CD-ROM El Niño/ENSO
eine Schüler-Lehrer-Kooperation zu neuen Medien
Stud.-Dir. Kurt Baldenhofer, Friedrichshafen
Bei dieser CD-ROM handelt es sich um die Darstellung der Naturerscheinung El Niño /
Southern Oscillation mit ihren weit reichenden Implikationen. Das immer wieder verbesserte
und erweiterte Produkt ist das Ergebnis einer langjährigen Schüler-Lehrer-Kooperation. Bei
der Arbeit wurden vorwiegend neue Medien eingesetzt bzw. integriert. Die CD-ROM, wie
auch ihre reduzierte Online-Version, dient Lehr- und Lernzwecken im gymnasialen und
einstiegsweise auch im universitären Rahmen.
Mit ihrer Vielschichtigkeit ist die ENSO-Thematik ein Musterbeispiel für interdisziplinäre
Betrachtungsweisen. Und dafür ist die Dokumentation denn auch angelegt.
Als Zielsetzung der Arbeit galten
• Präsentation des Phänomens "El Niño - Southern Oscillation" mit seinen Ursachen
und Wirkungen
• Einsatz bzw. Integration von Neuen Medien/Technologien, wie Satellitenbildern und
anderen Fernerkundungsdaten, des Internets sowie der EDV mit Software zur
Bildbearbeitung, Morphing, Präsentation, Animation
• Einüben von selbständigem Arbeiten in Gruppen
• Erstellung von unterrichtlich verwertbaren Materialien und Verfügbarmachung im
Internet und/oder auf CD-ROM
• Wissenschaftspropädeutisches Arbeiten (einschließlich des Besuches
themenbezogener Vorträge von Wissenschaftlern, Kontakt zu in- und ausländischen
Experten).
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Die gemeinsame Arbeit erfolgte ursprünglich im Rahmen einer Arbeitsgemeinschaft "Neue
Medien und Erdkunde". Bei der Aufnahme der Teilnehmer wurde auf eine Mischung aus
Mädchen/Jungen, Computerexperten/-laien und Themeninteressierten/Technikinteressierten
Wert gelegt. Später wurde der organisatorische Rahmen recht lose, einzelne Aufgaben stark
individualisiert. Erleichtert wurde der Kontakt und der Informationsaustausch dadurch, dass
fast alle Autoren den Grundkurs Erdkunde des betreuenden Lehrers besuchten, und dass eine
Kerngruppe zu regelmäßigen Zeiten an einem - auch geographisch orientierten -
Internetprojekt des Grundkurses Informatik arbeitete und somit dort ansprechbar war.
Gleichzeitig wuchs der inhaltliche Beitrag des betreuenden Lehrers beträchtlich. Ergebnisse
wurden wiederholt Wissenschaftlern zur Überprüfung vorgelegt.
Die Arbeitsweise mit der ENSO-CD-ROM kann äußerst verschieden gestaltet sein. Ihr
modularer und gleichzeitig vernetzter Aufbau ermöglicht unterschiedlichste
Schwerpunktsetzung mit offenen Erweiterungsmöglichkeiten des Lern- und
Erfahrungsprozesses. Die Hypertextstruktur erlaubt es, einzelne Informationen oder
Informationseinheiten wahlfrei in aktuelle Nutzungskontexten zusammenzustellen. Die
entsprechenden Links verweisen sowohl CD-intern, wie auch zu externen Webseiten.
Als besonders hilfreich empfinden die Nutzer der CD-ROM zwei ausführliche, natürlich mit
den Texten verknüpfte Glossare, einerseits zur ENSO-bezogenen Ozeanographie und
Klimatologie, andererseits zur Fernerkundung.
Der Vertrieb der CD-ROM erfolgt ausschließlich über den Lehrstuhl Didaktik der Geographie
an der Universität Erlangen-Nürnberg.
Ein Einblick in "Das ENSO-Phänomen" gibt die Web-Version:
http://www.el-nino.org/
13. Cityentwicklung Berlins
Prof. Elmar Kulke, HU Berlin
Mittwoch, 11. 9. 2002
Exkursionen
Donnerstag, 12. 9. 2002
14. Die Anden - ein natürliches Labor der Plattentektonik
Dr. Helmut Echtler, GFZ Potsdam
Die plattentektonisch aktiven Ränder der Kontinente stehen zunehmend im Brennpunkt der
geowissenschaftlichen Forschung angesichts des erheblichen Gefährdungs- und
Nutzungspotentials für den menschlichen Lebensraum. Nach der Identifikation und der
erdgeschichtlichen Bedeutung bezüglich kontinentalen Krustenwachstums steht nunmehr das
Verständnis der ablaufenden Prozesse und ihrer Wechselbeziehungen im Vordergrund. Die
Anden, der vermutlich am besten erforschte aktive Plattenrand, an dem sich eine ozeanische
unter eine kontinentale Platte schiebt, eignet sich besonders, die dabei ablaufenden
tektonischen, magmatischen und metamorphen Prozesse zu diskutieren. Neueste Arbeiten
integrieren Geländeuntersuchungen, experimentelle Laborstudien und die geophysikalische
Erkundung und liefern neue Einsichten in die fundamentalen Steuerfaktoren die diese
Prozessabläufe kontrollieren. Neben dem Aufbau und der Entwicklung der Anden sind von
besonderer Bedeutung die Aspekte der tektonischen Massenumlagerung bezüglich des
Krustenwachstums, die Wechselwirkungen von Klima und Gebirgsbildung sowie der Einfluss
von Fluiden in stets wechselseitig miteinander verbundenen, rückgekoppelten Ursache-
Wirkung-Beziehungen. Materialflussraten und ihre Geometrie spielen dabei eine
entscheidende Rolle. Mengen, Raten und Verteilung der tektonischen Massenumlagerungen
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wie des erosiven Abtrags beeinflussen besonders die Deformation der kontinentalen Kruste
und die Topografie. Der Eintrag von Fluiden und Schmelzen von der ozeanischen Platte in die
kontinentale Platte steuert direkt das Temperaturfeld des Systems und die mechanischen
Schlüsseleigenschaften der Gesteine und damit der Gebirgsentwicklung. Die Anden, mit
relativ hohen Plattengeschwindigkeiten, sind ein ideales natürliches Labor für die
Identifikation und Untersuchung subduktionsspezifischer Prozesse in der Plattentektonik.
15. Satellitendaten für Wetter- und Klimaforschung
Dipl.-Met. Matthias Eckardt, FU Berlin
Die Beobachtung der Erdatmosphäre und der Erdoberfläche von Satelliten aus bietet die
Möglichkeit, globale Daten und Bilder in hoher zeitlicher, spektraler und räumlicher
Auflösung zu gewinnen, die auf andere Weise nicht verfügbar sind. Für die Wetter- und
Klimaforschung sind genau diese Beobachtungsdaten eine Basis für die Diagnose und
Prognose des atmosphärischen Zustandes bzw. seiner Entwicklung. Seit 1960 liefern
Wettersatelliten ununterbrochen Informationen über alle Phänomene des Wettergeschehens
wie Gewitterkomplexe, Starkregengebiete, Orkantiefs und tropische Wirbelstürme.
Entsprechend der rasanten Entwicklung neuer Sensoren ist inzwischen auch die lückenlose
Beobachtung der Oberflächentemperatur und Struktur der Ozeane, Eisflächen und
Landoberflächen möglich. Ferner kann die Vegetationsbedeckung ebenso erfasst werden wie
die Verteilung von Spurengasen in den verschiedenen Höhenbereichen der Atmosphäre und
die Verteilung von Aerosolpartikeln oder sogar der Intensität der Sonnenstrahlung am
Außenrand der Atmosphäre. Alle diese Beobachtungen liefern nach ihrer Umwandlung in
physikalische Größen wichtige globale Datensätze für die Wetter- und Klimamodellierung.
Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten werden an Hand von typischen Beispielen
detailliert erläutert.
16. Wie gut ist die Wettervorhersage?
Dipl.-Met. Konrad Balzer, ehem. DWD Potsdam
• Meteorologische Daten: weltweit messen, austauschen, verarbeiten.
Das Konzept des WWW (=world wide watch) und sein Alltag.
• Die aufwändige Berechnung des (globalen, 3-dimensionalen) Anfangszustandes:
numerische Analyse, 4-dimensionale Datenassimilation
• Aktuelle Methoden der Vorausberechnung atmosphärischer Bewegungen: numerische
Wetterprognose und praktische Auswege aus dem 'deterministischen Chaos'
• Statistisches Post-Processing als Vehikel zur vollständigen Automatisierung von
Wettervorhersagen (siehe Beitrag KNÜPFFER)
• Wettervorhersage als System und die Rolle der Verifikation zu seiner
Höherentwicklung.
• Warum ist die Kenntnis und Beachtung der unterschiedlichen räumlich/zeitlichen
'scales'meteorologischer Prozesse so wichtig?
• Thematischer Schwerpunkt: Aktuelle Ergebnisse der Verifikation- methodische
Vergleiche und der sog. "Mensch-Maschine-Konflikt", Aussagen zu Leistungstrends
und -stagnation.
• Schlussfolgerungen und Ausblick
17. Wettervorhersage - gänzlich automatisch?
Dipl.-Met. Klaus Knüpffer, Fa. MeteoService Berlin
Insbesondere seit den ersten Erfolgen der sog. numerischen Wettervorhersage - also der
automatischen Prognose der zukünftigen Verteilung von Druck, Temperatur, Feuchte und
anderen Größen mittels physikalischer Methoden bzw. Modelle - stellte sich die Frage, ob
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zw. wann es möglich sein wird, lokales Wetter (Temperatur, Sichtweite,
Gewitterwahrscheinlichkeit etc.) vollautomatisch vorherzusagen. Die Antwort der Physiker
auf diese Frage bestand in der Produktion von sog. Direct Model Output (DMO). DMO wird
allgemein durch vertikale Interpolation der Variablen (z.B. Temperatur) bzw.
Parametrisierung (d.h. Ableitung neuer Variablen aus Modellvariablen, z.B. Gewitter)
gewonnen. Wahrscheinlichkeitsaussagen werden mit Hilfe der sog. Ensemble-Technik
generiert: Ein numerisches Modell wird mit verschiedenen Anfangswerten, deren
Unterschiede im Bereich der Analyse-Genauigkeit liegen, gestartet. Aus den resultierenden
unterschiedlichen Ergebnissen lassen sich dann Wahrscheinlichkeitsaussagen ableiten. Für
die Vorhersage der Sichtweite gibt es noch kein befriedigendes DMO-Angebot der Physik.
Alle diese Bemühungen der Physik um die Vorhersage lokalen Wetters
haben gravierende Nachteile:
1. Es fehlt die direkte (Rück-)Kopplung zu den Beobachtungsdaten.
2. Die Parametrisierungen sind u.a. wegen Punkt 1 i.a. so ungenau, dass die rein physikalisch
gewonnenen automatischen Vorhersagen mit systematischen und anderen - aus der Sicht
dessen, was heutzutage möglich ist, unnötigen - Fehlern behaftet sind.
Ein statistisches Post-Processing der mittels physikalischer Methoden generierten
Vorhersagen kann diese Mängel beseitigen. Die im Moment mit größtem Erfolg angewendete
Methode der statistischen Interpretation der numerisch vorhergesagten Felder ist MOS
(Model Output Statistics).
Sie soll unter folgenden Aspekten beschrieben werden:
• MOS führt Physik, Statistik und Synoptik zur Synthese;
• Vergleich der Qualität von MOS- mit DMO- und menschlichen Vorhersagen;
• weitgehend automatisierte Wettervorhersage ohne Qualitätsverlust gegenüber der
menschlichen Vorhersage ist erst mit Hilfe von statistischer Interpretation möglich;
• die Einführung bzw. Verbesserung statistischer Interpretations-Verfahren ist für viele
Wetterdienste heutzutage die effektivste Maßnahme zur Verbesserung ihrer lokalen
Wettervorhersagen;
• Folgen der Massenproduktion qualitativ hochwertiger, automatisch generierter
statistischer Wettervorhersagen.
18. Klimawechsel: Wasser in der Wüste
Prof. Hans-Joachim Pachur, FU Berlin
Die Sahara im Innern Nordafrikas stellt für Europa eine bedeutende Wärmequelle dar und ist
ein Gebiet global bedeutender Staubproduktion, deren Niederschläge bis nach Dänemark
reichen. Die Ostsahara ist ein Kompartiment der Sahara und birgt den größten hyperariden
Raum der Erde, in welchem noch vor 25 Jahren ein Wüstenkernraum postuliert wurde.
Jüngste Forschungen in nationalen und internationalen Programmen erwiesen, daß in der
Ostsahara tatsächlich in den letzten 13.000 Jahren ein geradezu dramatischer Klimawandel
abgelaufen ist. Mit Hilfe von Lichtbildern im Mittelformat werden die Indizien für die
Ableitung von regenreichen Feuchtphasen vorgestellt, einschließlich der Konsequenz für die
Paläohydrographie des Raumes, welche gegenwärtig im endorheischen Zustand verharrt, die
Reaktion der Fauna und einige Hinweise auf die Inbesitznahme durch den Menschen.
Der Widerspruch zwischen der heutigen Aridität und der Tatsache eines Wasserexports aus
den großen Becken der Ostsahara an die nordafrikanische Küste wird auf dem Hintergrund
der geologischen und paläoklimatischen Entwicklung diskutiert. Der chronologische Rahmen
wird durch radiometrische Daten und Artefakte gebildet. Hierbei wird eine Einbeziehung in
den altweltlichen Wüstengürtel, welcher sich vom Atlantik bis nach Zentralasien erstreckt,
vorgenommen.
Freitag, 13. 9. 2002
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19. Vulkan- und Erdbebenkatastrophen:
Herausforderung zwischen wissenschaftlichem Fortschritt
und menschlichem Versagen
Prof. Jochen Zschau, GFZ Potsdam
Mindestens jeden dritten Tag gibt es auf der Erde ein Beben der Stärke größer als 6 auf der
Richter-Skala. Fällt ein solches Beben in eine dicht besiedelte Region, bedeutet dies häufig
eine Katastrophe. Das Beben vom 17. August 1999 bei Izmit in der Westtürkei ist ein
tragisches Beispiel hierfür. Trotz erheblicher Fortschritte in der Quantifizierung der
Erdbebengefahr sowie in der erdbebengerechten Bauweise forderte dieses Beben fast 20 000
Todesopfer. Die meisten hätten nicht sterben müssen, wenn die Schutzmöglichkeiten, die man
heute hat, genutzt worden wären.
Weniger häufig als starke Beben, aber keinesfalls selten, ereignen sich Vulkaneruptionen.
Etwa 350 aktive Vulkane gibt es weltweit, von denen mehr als 50 pro Jahr eruptieren. Immer
dichtere Besiedlung der Vulkanhänge, wachsender Vulkantourismus und steigender
Flugverkehr erhöhen die Katastrophengefahr ständig. Dies geschieht trotz sichtbarer Erfolge
in der Vorhersage von Vulkaneruptionen.
Der Vortrag stellt die aktuellen Erfolge der geowissenschaftlichen Vulkan- und
Erdbebenforschung ungelösten Problemen dieses Wissenschaftszweiges gegenüber und zeigt
die Schwierigkeit auf, vorhandene wissenschaftliche Erkenntnisse zum Schutze der
Gesellschaft umzusetzen. Wachsender Bevölkerungsdruck, steigende Armut, aber auch
mangelndes Gefahrenbewusstsein und kurzsichtige Planung sind einige wesentliche Gründe
hierfür. Die Lösung dieses Problems ist eine echte globale Herausforderung, die alle
Gesellschaftsschichten betrifft. Insbesondere die Industrieländer haben die Verantwortung
und das Potential, sich dieser Herausforderung zu stellen.
20. Plattentektonik und Lagerstättenbildung -
Erze in Subduktionszonen und am Ozeanboden
Prof. Jörg Erzinger, GFZ Potsdam
21. Roter Himmel, grüne Sonne, schwarze Wolken:
Ein Streifzug durch die meteorologische Optik
Prof. Michael Vollmer, FH Brandenburg
Warum ist der Himmel blau, warum sind Wolken weiß und warum ist ein Regenbogen
farbig? Der Himmel muss nicht blau sein, Wolken nicht weiß und Regenbögen nicht farbig;
selbst die Sonne muss nicht weiß oder bei Auf- oder Untergang gelb oder rot erscheinen, sie
kann auch grün aussehen. Die physikalische Ursache dieser Naturphänomene ist die
Lichtstreuung an den Bestandteilen der Atmosphäre, d.h. Atomen, Molekülen, Wassertropfen,
Eiskristallen und Aerosolen Je nach Geometrie und Größe der Streuer zur Lichtwellenlänge
unterscheidet man verschiedene Arten der Lichtstreuung mit ganz charakteristischen
Eigenschaften (Winkelverteilung, Wellenlängenabhängigkeit, Polarisation,...). Der Vortrag
gibt einen farbenfrohen Überblick über ausgewählte Kapitel der atmosphärischen Optik.
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