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