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Aufwärmtraining: In diesen kleinen Flaschen hältert die Arbeitsgrupppe Stammkulturen verschiedener Genotypen der beiden untersuchten Arten. Foto: Andreas Villwock, GEOMAR

Der Ende 2014 in Betrieb genommene Hochleistungsrechner für Meeres- und Klima­forschung wird gemeinschaftlich von der Uni Kiel und dem GEOMAR finanziert und betrieben. Foto: Jürgen Haacks, CAU Kiel

Der Favorit: Chaetoceros, Planktontyp: Kieselalge. Da Ihre Schale aus Silikat besteht, ist diese Diatomeen-Art  eigentlich unempfindlich gegen die zunehmende Ozeanversauerung. Foto: Luisa Listmann, GEOMAR

Ein komplexes Gefüge – das Klimasystem der Erde. Unser Klima wird durch viele Faktoren wie Sonnenstrahlung, Wind oder Meeresströmungen geprägt. Hierzu gehören aber auch Komponenten wie Vulkanismus und menschliche Eingriffe sowie chemische, biologische und physikalische Prozesse, die alle auf vielfältige Weise miteinander verknüpft sind. Grafik: C.Kersten, GEOMAR

Der Außenseiter: Emiliania huxleyi, Planktontyp: Kalkalge. Wird es dieser Coccolithophoriden-Art gelingen, ihre Plättchen auch bei verringertem pH-Wert im Meer weiterhin auszubilden? Foto: Kai Lohbeck, GEOMAR

Horizontale Auflösung globaler Ozeanmodelle: ORCA05: Gitterauflösung 1/2° (etwa 54 km am Äquator), ORCA25: Gitterauflösung 1/4° (etwa 27 km am Äquator), ORCA12: Gitterauflösung 1/12° (etwa 9 km am Äquator)

Von der Idee über die technische Zeichnung... (Zeichnung: Sven Sturm, GEOMAR)

Simulierte Temperaturen und Strömungen um Südafrika: Der Agulhasstrom ist eine Meeresströmung im südwestlichen Indischen Ozean. Er fließt entlang der Ostküste Afrikas nach Süden und transportiert dabei enorme Mengen von Wärme und Salz. An seinem Umkehrpunkt bildet der Strom große Wirbel, die in den Südatlantik wandern und dort von der Strömung nach Nordwesten mitgeführt werden. Modellierung und Darstellung: Ozeanmodellierungsgruppe GEOMAR

...und die Herstellung bis zum laufenden Experiment: Das Planktonrad ist „made at GEOMAR“. Foto: Andreas Villwock, GEOMAR

Die Entwicklung der Klimamodellierung: Durch steigende Rechenleistung und Kapazitäten von Supercomputern wurde es möglich, immer weitere Komponenten des Klimasystems in Modellierungen einzubeziehen. Quelle: University Corporation for Atmospheric Research (UCAR), CC BY-NC 4.0

Wer vermehrt sich besser, wer liegt hinten? Am Mikroskop wertet Luisa Listmann die Entwicklung der Konkurrenten. Foto: Jan Steffen, GEOMAR.

Klimaschwankungen im Atlantik: Langzeitliche Entwicklung der Oberflächentemperaturen im Nordatlantik und des Wärmeaustauschs mit der Atmosphäre. Die dekadischen, sich über mehrere Jahrzehnte erstreckenden Schwankungen sind gut zu erkennen. Doch was ist die Ursache? Grafik: GEOMAR

Das flexible Kieler Klimamodellsystem FOCI (Flexible Ocean Climate Infrastructure): Das Besondere an diesem modular aufgebauten System ist, dass es sowohl die Stratosphäre und Mesosphäre, also die Hochatmopshäre, als auch den Ozean beinhaltet. Um Modellsimulationen über längere Zeiträume von mehreren hundert Jahren zu betreiben, ist es notwendig, Vereinfachungen zu machen. Die Auflösung des gekoppelten Ozeannestes AGRIF liegt dann beispielsweise bei 1/10° im Vergleich zu dem reinen Ozeanmodell NEMO mit bis zu 1/60°. Illustration: GEOMAR

Die Grafik zeigt in in den dunklen Blautönen die Sauerstoffminimumzonen in den tropischen Ozeanen. Sie spielen für den Stickstoffkreislauf eine große Rolle. Grafik: SFB754

Modell eines Hotspot-Vulkans. Am Übergang zu jüngsten Eiszeit könnte der nachlassende Druck des Meerwassers auf die Erdkruste zu erhöhter vulkanischer Aktivität geführt haben. Grafik: Jörg Hasenclever

Meeresforschung auf dem Trockenen

Wie Modellsimulationen helfen, das Erdsystem besser zu verstehen

Wochenlange Expeditionen auf dem schier endlosen Ozean, Messungen durchführen, Proben gewinnen, die an Bord oder später im Labor an Land untersucht werden – das ist sicher eine sehr wichtige Komponente der Meeresforschung. Doch es gibt auch Forschende am GEOMAR, die selten oder gar nicht zur See fahren: Die Modelliererinnen und Modellierer. Sie versuchen, das Erdsystem, beziehungsweise Teile davon mit Hilfe mathematischer Gleichungen zu beschreiben und diese in aufwändigen Modellsimulationen zu lösen, die nur auf den leistungsfähigsten Großrechnern möglich sind. Sie tun dies, um das System Erde, und besonders den marinen Teil davon, besser zu verstehen: Wie funktioniert unser Klimasystem und welche Rolle spielt hier der Ozean? Welche Veränderungen erwarten uns in der Zukunft? Welche Rolle spielen dabei die komplexen Beziehungen zwischen chemischen, biologischen und physikalischen Prozessen?

Modellierung umfasst heute weit mehr als nur Wetter und Klima, in nahezu allen Bereichen der Forschung am GEOMAR finden sich theoretische und numerische Methoden, die Beobachtungsdaten und Proben aus dem Ozean sowie aus Experimenten unter kontrollierten Bedingungen hervorragend ergänzen. Wer sich mit der Modellierung des Erdsystems beschäftigt, merkt allerdings sehr schnell: Das Universalmodell, das für alle Anwendungen geeignet wäre, gibt es nicht. Zwar sind die grundlegenden physikalischen Prozesse bekannt, diese lassen sich auch in mathematischen Gleichungen darstellen, wie man bei Prof. Dr. Richard Greatbatch im Bereich „Theorie und Modellierung“ lernen kann. „Leider können wir diese Gleichungen weder analytisch noch numerisch exakt lösen“, so der Wissenschaftler. Deshalb muss man bei der Modellierung immer vereinfachen, sowohl in der räumlichen Auflösung wie auch in der Darstellung der physikalischen Prozesse.
Am GEOMAR wird eine Hierarchie von Modellen für unterschiedliche Anwendungen benutzt, die ineinandergreifen und sich systematisch ergänzen. Doch auch diese vereinfachten Modelle funktionieren nur mit Hilfe von leistungsfähigen Großrechnern. „Solche Rechner stehen am GEOMAR selbst nicht zur Verfügung, wir nutzen Hochleistungsrechner an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, aber auch Kapazitäten an Höchstleistungsrechenzentren in Hamburg, Hannover, Berlin oder Jülich“, erläutert Prof. Dr. Claus Böning, Leiter der Forschungseinheit Theorie und Modellierung. (Theorie und Modellierung)

 

1. Ozeanmodellierung - die klassische Disziplin

Für eine Meeresforschungseinrichtung wie das GEOMAR ist es geradezu selbstverständlich, Ozeanmodelle zu betreiben. In Kiel existiert dazu eine lange Tradition. Seit die Rechenkapazität der Großrechner zugenommen hat, betreibt die GEOMAR-Forschungseinheit Theorie und Modellierung schwerpunktmäßig hochauflösende Ozeanmodelle und entwickelt sie weiter, oft in enger Kooperation mit anderen Forschungszentren weltweit und immer kritisch abgeglichen mit den Ergebnissen der zur See fahrenden Kolleginnen und Kollegen.
Paradepferde sind die Modelle mit einer globalen Auflösung von 1/12 Grad – diese unterteilen die gesamte Erde in Datenboxen mit einer Kantenlänge von etwa neun Kilometern. Diese Modelle gehören zu den weltweit leistungsfähigsten ihrer Art und können sogar einzelne Ozeanwirbel auflösen. Die Kehrseite der Medaille: „Pro Simulationsjahr werden etwa 12 Stunden Rechenzeit auf 2036 Prozessoren des aktuellen Höchstleistungsrechners in Hannover oder Berlin benötigt“, erläutert Prof. Dr. Arne Biastoch. „Deutlich flexibler sind wir mit den ebenfalls hochauf­lösenden, aber regionalen ,Modellnestern‘, bei denen wir die Auflösung speziell für einzelne Ozeanbecken oder Strömungssysteme wie dem Golfstrom oder dem Agulhasstrom erhöhen können“, so Biastoch weiter. Für Studien zum Klimawandel aber auch für Unter­suchungen zur Geschichte des Klimas gibt es Versionen mit geringerer Auflösung, die auch im Rahmen von gekoppelten Ozean-Atmosphäre Modellen benutzt werden. Auf der anderen Seite stehen Modellversionen mit einer regional sehr hohen Auflösung bis zu 1/60 Grad (Datenboxen von unter 2 Kilometern Kantenlänge) zur Verfügung, um kleinräumige Prozessstudien zu betreiben. Solche Modelle können beispielsweise auch benutzt werden, um die Wege der Aale aus der Sargassosee nach Europa zu untersuchen. Auch Rückrechnungen, wie die Bestimmung des Ursprungsgebietes von Trümmerteilen eines Flugzeuges sind mit solchen Modellen möglich. (Ozeanmodelle)

 

2. Alles hängt zusammen – gekoppelte Klimamodelle

Wechselwirkungen im Klimasystem verursachen natürliche Klimaschwankungen, die sich über Zeiträume von Monaten bis Jahrhunderten abspielen. „Wir haben bislang nur einen Teil dieser natürlichen Klimaschwankungen verstanden. Modellstudien helfen uns dabei, die Mechanismen besser zu verstehen und verlässlichere Abschätzungen über die zukünftige Entwicklung des Klimas zu geben“, erläutert Prof. Mojib Latif aus der Maritimen Meteorologie. „Zu einem Klimamodell gehören heute neben einer atmosphärischen und ozeanischen Komponente, auch Meer- und Inlandeiskomponenten, die interaktiv gekoppelt sind“, so Latif weiter. Die Entwicklung solcher komplexen Modelle erfordert viel Kompetenz und Erfahrung. Deshalb arbeiten hier oft verschiedene Forschungseinrichtungen zusammen.
„Unser neues flexibles Kieler Klimamodellsystem FOCI haben wir gemeinsam mit den Kolleginnen und Kollegen aus der Theorie und Modellierung sowie unseren Partnern wie dem Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg aufgebaut“, erläutert Prof. Dr. Katja Matthes, Leiterin des Forschungsbereichs „Ozeanzirkulation und Klimadynamik“ am GEOMAR. „Je nach Fragestellung können wir damit zum Beispiel die Auflösung in bestimmten Ozeanregionen wie dem Golfstrom oder dem Agulhasstrom erhöhen, um den Einfluss der mittelgroßen Ozeanwirbel auf großräumige Zirkulationsmuster der Atmosphäre zu untersuchen. Oder wir interessieren uns für die stratosphärische Ozonschicht oder für biogeochemische Prozesse im Ozean und rechnen diese jeweils explizit mit.“ Typische Auflösungen für Langzeitintegrationen liegen gegenwärtig bei etwa 180 km. Für 100 Jahre gekoppelter Simulation werden so  etwa 1,5 Monate Rechenzeit benötigt. Hinzu kommen etliche Terabyte an Daten, die gespeichert und ausgewertet werden wollen. Es ist deshalb nicht nur eine hohe Rechenleistung, sondern auch eine leistungsfähige Infrastruktur für das Datenmanagement und die Visualisierung der Modelldaten notwendig. Dieser Bereich wurde am GEOMAR in den vergangenen Jahren erheblich ausgebaut. (Maritime Meteorologie)

 

3. Biogeochemie – das nächste Komplexitätsniveau

Nicht nur physikalische Prozesse haben Auswirkungen auf das Klima oder auf biologische Prozesse. Chemische Reaktionen, zum Beispiel durch die natürliche oder vom Menschen verursachte Freisetzung von Gasen, spielen in Ozean und Atmosphäre ebenso eine wichtige Rolle. Vulkane können große Mengen an gasförmigen und festen Stoffen in die höhere Atmosphäre bringen, die den Planeten temporär global abkühlen können. Zusätzliches Kohlendioxid erwärmt nicht nur die Atmosphäre, sondern führt im Meerwasser zur Versauerung - Prozesse die mit Hilfe spezieller Modellierungsansätze untersucht werden können. Auch hier gibt es am GEOMAR schon Komponenten und Anwendungen. In der Biogeochemischen Modellierung werden Transporte und Wechselbeziehungen von elementaren Stoffen im Ozean, vorwiegend von klimarelevanten Substanzen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff untersucht. Als Werkzeuge dienen numerische Modelle verschiedenster Komplexität. „Wir haben es hier mit einem komplizierten Puzzle zu tun, in dem viele Wechselwirkungen noch gar nicht bekannt sind“, sagt Prof. Dr. Andreas Oschlies, Leiter der Biogeochemischen Modellierung. „In den letzten Jahren haben wir mit Hilfe unserer Modellexperimente ein deutlich verbessertes Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs und der Sauerstoffversorgung im Ozean erlangt“, so Oschlies weiter. (Biogeochemische Modellierung)

 

4. Plattenbewegung und Meeresboden – das Erdsystem wird komplett

Die feste Erde, deren unter Wasser befindlichen Teil Geologen und Geophysiker am GEOMAR genauer untersuchen, ist ebenfalls Veränderungen unterworfen. Dazu gehören zum Beispiel die Bewegungen der Erdplatten, damit verbunden Erdbeben, Vulkanausbrüche oder auch Tsunamis. Diese dynamischen Prozesse haben häufig sehr viel längere Zeitskalen, als die des Klimasystems. Aber auch auf diesem Wissenschaftsgebiet wird am GEOMAR modelliert, um die nur schwer oder gar nicht zu beobachteten Prozesse besser zu verstehen. „Noch sind wir sehr weit von Erdbebenvorhersagen entfernt. Die Messdaten, die man bräuchte, um ein Modell zu füttern, gibt es schlichtweg nicht“, sagt Prof. Dr. Lars Rüpke aus dem Forschungsbereich „Dynamik des Ozeanbodens“. Er und sein Team versuchen die Bewegungen an mittelozeanischen Rücken, an denen neuer Meeresboden entsteht, zu simulieren. Ein weiterer Schwerpunkt sind hydrothermale Systeme, heiße Quellen, in der Tiefsee und die damit verbundenen Austritte von Fluiden, zum Beispiel an Schwarzen Rauchern. (Meeresboden-Modellierung)


Modellierung in der Meeresforschung ist ein weites Feld, es erfordert sehr detaillierte Kenntnisse in einzelnen Disziplinen, aber auch ein hohes Maß an Interdisziplinarität, um Wechselwirkungen verschiedener Komponenten zu realisieren.„In der Entwicklung komplexer Modelle stecken viele Jahre Entwicklungsarbeit, neben den naturwissenschaftlichen Zusammenhängen, ist die Programmierung der Modelle eine weitere Herausforderung Schließlich sollen sie möglichst effizient die Rechnerkapazität nutzen können“, sagt Dr. Andreas Lehmann vom Daten- und Rechenzentrum. „Dafür muss der Programmcode oft für die zur Verfügung stehende Hardware optimiert werden, hier sind dann auch Informatiker gefragt“, so Lehmann weiter. Und ohne Beobachtungen keine erfolgreichen Simulationen. „Nur wenn ein Modell auch in der Lage ist, die realen Bedingungen gut nachzubilden, kann man Vorhersagen in die Zukunft vertrauen“, so Katja Matthes. „Natürlich werden Modelle immer nur Näherungen der Wirklichkeit darstellen, aber wenn man die Grenzen und Fehler kennt, ist eine Interpretation zukünftiger Entwicklungen im Rahmen der Unsicherheiten möglich. Gemeinsam mit unseren beobachtenden Kolleginnen und Kollegen arbeiten wir ständig daran, unsere Modelle weiter zu verbessern“, sagt Prof. Dr. Matthes.

Aufwärmtraining: In diesen kleinen Flaschen hältert die Arbeitsgrupppe Stammkulturen verschiedener Genotypen der beiden untersuchten Arten. Foto: Andreas Villwock, GEOMAR

Der Ende 2014 in Betrieb genommene Hochleistungsrechner für Meeres- und Klima­forschung wird gemeinschaftlich von der Uni Kiel und dem GEOMAR finanziert und betrieben. Foto: Jürgen Haacks, CAU Kiel

Der Favorit: Chaetoceros, Planktontyp: Kieselalge. Da Ihre Schale aus Silikat besteht, ist diese Diatomeen-Art  eigentlich unempfindlich gegen die zunehmende Ozeanversauerung. Foto: Luisa Listmann, GEOMAR

Ein komplexes Gefüge – das Klimasystem der Erde. Unser Klima wird durch viele Faktoren wie Sonnenstrahlung, Wind oder Meeresströmungen geprägt. Hierzu gehören aber auch Komponenten wie Vulkanismus und menschliche Eingriffe sowie chemische, biologische und physikalische Prozesse, die alle auf vielfältige Weise miteinander verknüpft sind. Grafik: C.Kersten, GEOMAR

Der Außenseiter: Emiliania huxleyi, Planktontyp: Kalkalge. Wird es dieser Coccolithophoriden-Art gelingen, ihre Plättchen auch bei verringertem pH-Wert im Meer weiterhin auszubilden? Foto: Kai Lohbeck, GEOMAR

Horizontale Auflösung globaler Ozeanmodelle: ORCA05: Gitterauflösung 1/2° (etwa 54 km am Äquator), ORCA25: Gitterauflösung 1/4° (etwa 27 km am Äquator), ORCA12: Gitterauflösung 1/12° (etwa 9 km am Äquator)

Von der Idee über die technische Zeichnung... (Zeichnung: Sven Sturm, GEOMAR)

Simulierte Temperaturen und Strömungen um Südafrika: Der Agulhasstrom ist eine Meeresströmung im südwestlichen Indischen Ozean. Er fließt entlang der Ostküste Afrikas nach Süden und transportiert dabei enorme Mengen von Wärme und Salz. An seinem Umkehrpunkt bildet der Strom große Wirbel, die in den Südatlantik wandern und dort von der Strömung nach Nordwesten mitgeführt werden. Modellierung und Darstellung: Ozeanmodellierungsgruppe GEOMAR

...und die Herstellung bis zum laufenden Experiment: Das Planktonrad ist „made at GEOMAR“. Foto: Andreas Villwock, GEOMAR

Die Entwicklung der Klimamodellierung: Durch steigende Rechenleistung und Kapazitäten von Supercomputern wurde es möglich, immer weitere Komponenten des Klimasystems in Modellierungen einzubeziehen. Quelle: University Corporation for Atmospheric Research (UCAR), CC BY-NC 4.0

Wer vermehrt sich besser, wer liegt hinten? Am Mikroskop wertet Luisa Listmann die Entwicklung der Konkurrenten. Foto: Jan Steffen, GEOMAR.

Klimaschwankungen im Atlantik: Langzeitliche Entwicklung der Oberflächentemperaturen im Nordatlantik und des Wärmeaustauschs mit der Atmosphäre. Die dekadischen, sich über mehrere Jahrzehnte erstreckenden Schwankungen sind gut zu erkennen. Doch was ist die Ursache? Grafik: GEOMAR

Das flexible Kieler Klimamodellsystem FOCI (Flexible Ocean Climate Infrastructure): Das Besondere an diesem modular aufgebauten System ist, dass es sowohl die Stratosphäre und Mesosphäre, also die Hochatmopshäre, als auch den Ozean beinhaltet. Um Modellsimulationen über längere Zeiträume von mehreren hundert Jahren zu betreiben, ist es notwendig, Vereinfachungen zu machen. Die Auflösung des gekoppelten Ozeannestes AGRIF liegt dann beispielsweise bei 1/10° im Vergleich zu dem reinen Ozeanmodell NEMO mit bis zu 1/60°. Illustration: GEOMAR

Die Grafik zeigt in in den dunklen Blautönen die Sauerstoffminimumzonen in den tropischen Ozeanen. Sie spielen für den Stickstoffkreislauf eine große Rolle. Grafik: SFB754

Modell eines Hotspot-Vulkans. Am Übergang zu jüngsten Eiszeit könnte der nachlassende Druck des Meerwassers auf die Erdkruste zu erhöhter vulkanischer Aktivität geführt haben. Grafik: Jörg Hasenclever

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