Atmosphäre



Für diese völlig wolkenfreie Ansicht der Erde wurden insgesamt 60 Einzelaufnahmen des Satelliten Meteosat-5 aus einem Zeitraum von zwei Monaten verarbeitet.
Die Atmosphäre ist Teil des "Systems Erde". Erdoberfläche und Weltraum begrenzen sie. Die Atmosphäre ist einem ständigen Wandel unterworfen: Ihre vielfältigen gasförmigen, flüssigen und festen Substanzen unterliegen einem System aus ineinander greifenden und sich wechselseitig beeinflussenden Phasenübergängen, Strahlungs- und Streuprozessen sowie dynamischen und chemischen Vorgängen. Diese Prozesse beinhalten Wechselwirkungen mit Erdoberfläche und Weltraum. Eine möglichst genaue Prognose der zukünftigen Entwicklung der Atmosphäre setzt ein genaues Verständnis des Systems voraus. Verständnis wiederum gründet auf präzisen Beobachtungen. Satelliten bieten eine ideale Plattform, die Atmosphäre kontinuierlich, global und mit homogener Güte zu vermessen. Viele Prozesse des globalen Wandels laufen auf Zeitskalen von Jahrzehnten ab. Eine frühzeitige und zuverlässige Detektion solcher Klimasignale erfordert daher die langfristige, kontinuierliche, qualitätsgesicherte und standardisierte Beobachtung und Auswertung einer Vielzahl von Schlüsselparametern der uns derzeit bekannten wesentlichen Prozesse, die das "System Erde" charakterisieren:

  • Energiezyklus
  • Wasserzyklus
  • Biogeochemische Prozesse, z.B. Kohlenstoffkreislauf

Durch Kombination von Messungen mit numerischen Modellen, die unser aktuelles Wissen über die Atmosphäre und ihrer Wechselwirkung mit der Erdoberfläche und dem Weltraum enthalten, gewinnen wir ein konsistenten Bild der Atmosphäre, stellen Defizite zwischen Messung und Modell fest und erweitern so unser Wissen.

Im Rahmen zahlreicher forschungs- und anwendungsorientierter Projekte kooperieren wir mit nationalen und internationalen Partnern und sind der Sitz des Weltdatenzentrums für Fernerkundung der Atmosphäre des "International Council of Scientific Union".

Monatsmittel des Gesamtozons für September 1995 bis 2002 aus GOME-Daten über der Antarktis
Ozon und UV

Obwohl es sich bei Ozon lediglich um ein Spurengas handelt, absorbiert es im hochenergetischen Ultraviolett fast sämtliche Sonnenstrahlung. Auf diese Weise filtert es die für Mensch und Tier schädliche UV-Strahlung, absorbiert solare Energie und gibt sie in Form von Wärme an die umgebende Atmosphäre ab. Ozon bestimmt so maßgeblich die vertikale Temperaturstruktur der Stratosphäre und prägt deren großräumige Zirkulationsmuster. Durch sein Absorptionsverhalten trägt Ozon zum natürlichen Treibhauseffekt bei, ohne den die mittlere Temperatur der Erdoberfläche nicht bei +15 Grad Celsius, sondern bei rund -18 Grad Celsius liegen würde.

Verlässliche UV-Messungen liegen noch nicht genügend vor. Die Bestimmung von UV-Trends ist daher schwierig. Insbesondere, weil historische UV-Informationen fehlen und modellbasierte Schätzungen mit Unsicherheiten verbunden sind. Erhöhte UV-B-Strahlung hat viele direkte Auswirkungen auf Menschen und Pflanzen (z.B. Mutation der DNA, Schwächung der Photosynthese). Die UV-Strahlung beeinflusst außerdem die Chemie in der Troposphäre und damit die Luftqualität in unserem unmittelbaren Lebensraum.

Wir wissen heute, dass sich während der zurückliegenden Dekaden der Ozongehalt der Atmosphäre mit Ausnahme der tropischen Breiten in allen Regionen deutlich vermindert hat. Sorgfältige und auf lange Zeit angelegte Messungen der globalen atmosphärischen Ozonverteilung sind, z.B. um die Entwicklung von Ozontrends zu verfolgen, erforderlich.

Wasserdampfsäulengehalt aus NOAA-16 ATOVS Messungen am 17. Februar 2004 um 12:42 UTC über Europa

Ein Beitrag Europas ist das Global Ozone Monitoring Experiment, GOME, dessen Messungen operationell im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum  (DFD) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ausgewertet und bereitgestellt werden. Beispielsweise wird versucht mit Computermodellen zu simulieren, wie sich unsere Atmosphäre in den kommenden Jahren und Jahrzehnten verändert. Jedoch beinhalten alle diese Modelle mehr oder weniger starke Parametrisierungen der komplexen atmosphärischen Prozesse, da es heute rechentechnisch noch nicht möglich ist diese im Detail simultan darzustellen. An der Validierung dieser Modelle beteiligt sich das DFD maßgeblich durch die Verwendung von GOME-Daten.

Eine andere Fragestellung betrifft die Qualität der mittelfristigen Wettervorhersage. Das Absorptionsverhalten von Ozon wirkt sich auch auf das Wettergeschehen mit aus. Das DFD stellt daher den Wetterdiensten tagesaktuelle Informationen über den Ozonhaushalt der Atmosphäre zur Verfügung.

Diese Daten dienen auch als wesentliche Informationsquelle für Umwelt- und Gesundheitsbehörden zur Abschätzung von Gesundheitsrisiken und werden insbesondere den Medien zur Verfügung gestellt.

Wasserdampf

Wasserdampf ist mit bis zu 4 Volumenprozent das am häufigsten vorkommende Spurengas in der Atmosphäre. Es bestimmt maßgeblich das Klima, das Wetter, die Chemie der Atmosphäre und die Biosphäre. Durch die Absorption von solarer Einstrahlung und terrestrischer Ausstrahlung wird der Strahlungshaushalt der Atmosphäre stark beeinflusst. So ist der Wasserdampf für 21 Grad Celsius des 33 Grad Celsius betragenden natürlichen Treibhauseffektes verantwortlich. Nur dank des natürlichen Treibhauseffektes kann eine dem Leben förderliche globale Jahresmitteltemperatur von 15 Grad Celsius entstehen. Durch den Wasserkreislauf von Verdunstung über den Transport latenter Wärme bis hin zum Niederschlag wird der Energieumsatz zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre und ebenfalls der Energietransport innerhalb der Atmosphäre bestimmt. Neben dieser für das Klima wichtigen Funktion als Transporteur der solaren Einstrahlungsenergie spielt der Wasserdampf ebnefalls eine Hauptrolle bei der Wolkenbildung und somit beim aktuellen Wettergeschehen.

Am DFD werden täglich die Messungen der Sensoren TOVS (Tiros Operational Vertical Sounder) und ATOVS (Advanced Tiros Operational Vertical Sounder) an Bord der NOAA-Satelliten über Europa ausgewertet. Neben dem Vertikalprofil des Wasserdampfes von 10 Kilometer (TOVS) bzw. von 0 bis 65 Kilometer (ATOVS) wird der Wasserdampfsäulengehalt und das Vertikalprofil der Temperatur von 0 bis 30 Kilometer (TOVS) und von 0 bis 65 Kilometer (ATOVS) bestimmt.

Differenz des NDVI 2003 vom Mittelwert des NDVI der letzten 10 Jahre. (Bitte klicken Sie für eine höherauflösende Version auf das Bild.)
Biogeochemische Prozesse

Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass die mittlere Temperatur der Erdatmosphäre seit Beginn des 20. Jahrhunderts angestiegen ist. Als Ursache für diesen globalen Trend wird die Zunahme sogenannter Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid oder Methan angenommen. Die sichtbare Folge der Klimaänderung ist die Zunahme von Stürmen, Unwettern oder Naturkatastrophen.

Die internationale Staatengemeinschaft versucht, durch internationale Umweltabkommen, wie das Kyoto-Protokoll, dem Anstieg der globalen Kohlenstoffdioxid-Emission Einhalt zu gebieten. Ziel des Kyoto-Protokolls ist es, Kohlenstoffdioxid-Emissionen, die durch menschliche Aktivitäten (z.B. Industrie, Haushalte, Verkehr) verursacht werden, zu reduzieren. Gleichzeitig wird Aufforstung unterstützt, um die Aufnahmefähigkeit für Kohlenstoffdioxid durch die Vegetation zu erhöhen.

Modelle des Kohlenstoff-Kreislaufs, die sowohl Emission als auch die Absorption von Kohlenstoffdioxid berechnen, werden unter anderem mit bio- und geophysikalischen Parametern aus aktuellen Satellitendaten angetrieben. Diese tragen erheblich zum besseren Verständnis der globalen Kreisläufe bei. Dieses Wissen hilft aber auch politischen Entscheidungsträgern bei der Planung und Umsetzung von Maßnahmen. Das "Cluster Angewandte Fernerkundung" des DLR unterstützt nationale und europäische Forschungsvorhaben zum Kohlenstoff-Kreislauf und zur Überwachung von Umweltabkommen.

Die europäische Hitzewelle von 2003 beeinflusste die Vegetation. Die nebenstehende Abbildung veranschaulicht dies durch Aufzeigen der Abweichung des NDVI 2003 von dem Mittelwert des NDVI der letzten 10 Jahre. NDVI steht für "Normalized Difference Vegetation Index". Dieser Vegetationsindex steht für das Vorhandensein und die Vitalität der Vegetation. Der Wert 0 bedeutet keine Abweichung von dem zehnjährigen Mittel. Negative Werte (braun) kennzeichnen eine Abnahme der Vegetation und somit eine mögliche Reduktion des Ertrags. Positive Werte (grün) zeigen dagegen eine Zunahme des NDVI. Die Abnahme des NDVI aufgrund der Trockenheit tritt vor allem in landwirtschaftlich geprägten Gebieten (z.B. Mecklenburg-Vorpommern, nördliches Bayern) auf, während bewaldete Gebiete (z.B. Schwarzwald, Harz) einen Anstieg im NDVI aufzeigen.


URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/schoollab/desktopdefault.aspx/tabid-1991/2841_read-4385/