Den Kreislauf des Wetters erforschen

Seit langer Zeit werden die Wettervorhersagen immer genauer. Ihnen liegen Wettermodelle zugrunde, in denen Wissenschaftler Prognosen für die Zukunft aus den aktuellen Daten treffen. Doch diese Wettermodelle weisen noch immer einige Ungenauigkeiten auf, die die genaue Vorhersage und Berechnung des Wetter beeinflussen. Diese Ungenauigkeiten zu beseitigen und ein größeres Verständnis für das Klima unseres Planeten zu schaffen, das ist das Ziel eines deutschen Forschungsprojekts namens „TRR 181 Energy transfers in atmosphere and ocean.“

Hier arbeiten unter der Leitung der Universität Hamburg mehrere Fakultäten, Institute und Fachbereiche in Hamburg, Rostock und Bremen zusammen. Das Ziel ist es, den Energiekreislauf zwischen Ozean und Atmosphäre bis ins kleinste Detail zu verstehen, um mit Hilfe dieses Wissens präzisere Modelle des Wettersystems erstellen zu können. Die Prämisse ist, dass laut dem Energieerhaltungssatz Energie nicht verloren gehen, sondern lediglich umgewandelt werden kann.Wenn der Weg der Energie innerhalb des Wettersystems besser verstanden wird, erhöht das die Präzision der Modelle. Das Projekt befindet sich derzeit in der ersten von möglicherweise drei Projektphasen, die jeweils vier Jahre Laufzeit haben.

In Rostock forscht das Leipniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) an mehreren Projekten, die dem Gesamtprojekt zugeordnet sind. Diese finden unter der Leitung von Prof. Dr. Hans Burchard statt, der zusätzlich auch Teil des Vorstands von TRR 181 ist. Über seine Bekanntschaft mit dem Projektleiter in Hamburg kam es schlussendlich zur Zusammenarbeit.

Innerhalb des Projektes werden Meeresdaten auf gezielten Ausfahrten mit Forschungsschiffen gesammelt und teilweise noch auf dem Schiff und an Land ausgewertet. Klassischerweise werden dafür sogenannte „CTD-Sonden“ eingesetzt. Die Buchstaben stehen für „Conductivity“, „Temperature“ und „Depth“. Aus diesen Daten können dann widerum andere Daten erhoben werden, beispielsweise ergeben sich aus Leitfähigkeit und Temperatur der Salzgehalt. Auch die Dichte des Wassers und vieles mehr lässt sich so ermitteln.

Einen besonderen Einfluss auf den Energieaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre haben die „Eddies“. Das sind Wirbel mit einem Durchmesser von 10-100 Kilometern, die durch Strömungsunterschiede im Meer entstehen. Auch Temperaturdifferenzen spielen eine Rolle und verursachen Strömungen.

Eine solche Strömung ist der Golfstrom. An seinen Rändern entstehen die Eddies. Sie werden dadurch erzeugt, dass Wasser an unbewegtem Umgebungswasser vorbeifließt und dieses so in eine Rotationsbewegung versetzt. Es wird also dem Golfstrom Energie entzogen, die sich dann in der Rotationsbewegung der Eddies befindet.

Diese geben ihre Energie widerum selber an die Umgebung weiter. Denn nach dem Energieerhaltungssatz geht Energie nicht verloren, sondern wird lediglich umgewandelt. Sobald der jeweilige Eddie sich wieder aufgelöst hat, muss seine Energie sich also woanders befinden. Wie genau dieser Energietransfer funktioniert und wie die Eddies in den Klimamodellen zukünftig akkurat repräsentiert werden können ist eines der Forschungsziele von „TRR 181“.

Zur Untersuchung der Strömungen im Meer werden häufig Glider eingesetzt. Diese bewegen sich wellenförmig unter Wasser und erheben Daten, die sie, wenn sie an die Oberfläche kommen, an die Forscher versenden.

Wie bei allen Projekten, die auf lange Zeit angelegt sind, weicht auch hier der tatsächliche Forschungsverlauf und Erkenntnisgewinn von dem ab, was zu Beginn als Ziel definiert wurde. So wurden auch hier Erkenntnisse gewonnen, und Sachverhalte entdeckt, mit denen die Forschenden im Vorfeld nicht gerechnet hatten. Manche Vorhaben stellen sich im Laufe des Projektes hingegen als zu kompliziert oder zu schwierig heraus, erzählt Prof. Dr. Hans Burchard. Manchmal stimmen die Simulationen nicht mit den tatsächlichen Messungen überein.

Dies trat bei einer Doktorarbeit auf, an der gerade im Institut gerade gearbeitet wird. Dort ging es darum, ein Modell der Ostsee zu berechnen, in dem diese in 600m x 600m-Quadranten aufgeteilt war. Für jeden Quadranten wurde der jeweilige Temperaturwert, der Salzgehalt und noch weiter Daten bestimmt. Im Verlauf der Doktorarbeit stellte sich allerdings heraus, dass die berechneten Werte nicht mit der Realität übereinstimmten. Somit konnten die erhofften Erkenntnisse nicht gewonnen werden. So etwas ist im Forschungsbetrieb alltäglich.

Die erste Phase des Projekts „TRR 181 Energy transfers in atmosphere and ocean“ läuft noch bis 2020. Die Chancen stehen gut, dass dann ein Antrag auf eine zweite Projektphase gestellt und auch angenommen wird. Maximal kann ein solches Projekt in einem Sonderforschungsbereich bis zu zwölf Jahre dauern und schlussendlich eine große Menge neuen Wissens liefern.