Johannes Gutenberg-Universität Mainz > Fachbereich 08 > Physik > Physikforschung > Forschungsfelder > Atmosphärenphysik & Umweltwissenschaften
Unsere Forschung befasst sich mit der Dynamik des Erdsystems mit einem Schwerpunkt auf der Atmosphäre auf verschiedenen Skalen, von lokalen Prozessen bis hin zum gesamten Globus. Unser Ziel ist es, das theoretische Verständnis nichtlinearer Phänomene und ihrer Wechselwirkungen mit physikalischen Prozessen zu verbessern, was für die Weiterentwicklung von Wettervorhersagen und Klimaprojektionen entscheidend ist. Mithilfe von numerischen Modellen, Reanalysedaten und fortschrittlichen Diagnosetools verknüpfen wir die Theorie mit atmosphärischen Beobachtungen und Simulationen. Ein zentraler Schwerpunkt liegt auf Wolken, Niederschlag, Aerosolen und der Chemie der Atmosphäre. Wir untersuchen, wie diese Faktoren zusammenwirken, um die Luftqualität, das Wetter und das Klima zu beeinflussen. Durch die Integration von Dynamik, Mikrophysik und Chemie arbeiten wir an einem umfassenden Rahmen, der die Vorhersage und die Darstellung von Unsicherheiten in Klima- und Wettermodellen verbessert.
Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf der Dynamik der Erdatmosphäre von der Mikroskala bis hin zur planetarischen Skala. Unser Ziel ist es, das konzeptionelle Verständnis der komplexen nichtlinearen dynamischen Phänomene und ihrer Wechselwirkungen mit „physikalischen Prozessen“ zu verbessern. Dieses Verständnis ist notwenig, um Wettervorhersagen und Klimaprojektionen zu verbessern.
Unsere Methoden umfassen numerische Modelle sowie die Verwendung von Daten aus Reanalyseprojekten und Klimamodellsimulationen. Zum konzeptionellen Verständnis entwickeln und verwenden wir ausgefeilte Diagnosewerkzeuge, die es uns ermöglichen, neue Einsichten zu gewinnen, die sich nicht allein durch das Aufzeichnen von Modellvariablen gewinnen lassen. Die Diagnosewerkzeuge stehen wiederum in Zusammenhang mit theoretischen Konzepten wie der linearen Theorie, dem PV-Denken oder der Wellenaktivität.
Unser Forschungsteam entwickelt und verwendet Computermodelle für das Klimasystem, die die Chemie der Atmosphäre und ihre Wechselwirkungen mit Wetter und Klima einbeziehen. Mit Hilfe dieser Instrumente untersuchen wir, wie chemische Verbindungen im Erdsystem die Luftqualität und das Klima beeinflussen. Dabei geht es nicht nur darum, die Verteilung relevanter Verbindungen im System zu simulieren und zu analysieren, sondern auch darum, die Prozesse zu verstehen, die für die Verteilung dieser Spurenstoffe verantwortlich sind.
Unsere Studien reichen von lokalen und regionalen Maßstäben bis hin zum gesamten Erdsystem, umfassen also Prozesse auf einer Vielzahl von Skalen.
Wolken und Niederschlag sind entscheidende Elemente des Wetters und des Klimas. Ihr Auftreten wird stark von den dynamischen Kräften und den thermodynamischen Bedingungen bestimmt, aber auch von Feuchtigkeit und Aerosolen sowie von mikrophysikalischen Prozessen in den Wolken. Die Wolken wiederum beeinflussen die Entwicklung der atmosphärischen Strömung, die thermodynamischen Bedingungen und die Aerosoleigenschaften. Das physikalische Verständnis dieser komplexen Wechselwirkungen ist eine große Herausforderung, ebenso wie die Darstellung der feuchten Atmosphäre in operativen Wettervorhersage- und Klimamodellen. Wir arbeiten an einer ganzheitlichen Betrachtung der Wolkenmikrophysik, der Aerosolwissenschaft und der atmosphärischen Dynamik. Besondere Schwerpunkte sind hierbei:
(i) ein umfassendes Verständnis physikalischer Prozesse,
(ii) die vollständige Integration von Aspekten aus allen drei Disziplinen in die Planung von Feldkampagnen, die Modellbewertung und die Analyse von Klima- und Wetterdaten und
(iii) die Darstellung der mikrophysikalischen/aerosolischen Unsicherheit von Wolken in der Ensemble-Wettervorhersage.
Unser Forschungsteam entwickelt und verwendet Computermodelle für das Klimasystem, die die Chemie der Atmosphäre und ihre Wechselwirkungen mit Wetter und Klima einbeziehen. Mit Hilfe dieser Instrumente untersuchen wir, wie chemische Verbindungen im Erdsystem die Luftqualität und das Klima beeinflussen. Dabei geht es nicht nur darum, die Verteilung relevanter Verbindungen im System zu simulieren und zu analysieren, sondern auch darum, die Prozesse zu verstehen, die für die Verteilung dieser Spurenstoffe verantwortlich sind.
Unsere Studien reichen von lokalen und regionalen Maßstäben bis hin zum gesamten Erdsystem, umfassen also Prozesse auf einer Vielzahl von Skalen.
Die Forschung konzentriert sich auf Transport-, Umwandlungs- und Mischungsprozesse von der Oberfläche bis zur oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS). Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der UTLS, wo diese Prozesse die Verteilung von strahlungsaktiven Spurengasen, Aerosolen und Zirruswolken stark beeinflussen. Da all diese Verbindungen die Strahlungsbilanz und damit die Oberflächentemperaturen beeinflussen, sind sie der Schlüssel zum Verständnis des Klimawandels. Die Forschung kombiniert Messungen von Spurengasen aus der Luft, Lagrangesche Trajektorienanalyse, Reanalysedaten und Erdsystemmodelle, um den Austausch über die Troposphäre, Transportregime und -wege in der UTLS zu untersuchen. Die experimentelle Arbeit untersucht auch grundlegende physikalische und chemische Prozesse von Aerosolen, Wolken und Hydrometeoren mit Hilfe von Feldkampagnen und einer vertikalen Windkanalanlage. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auch auf den Auswirkungen des Luftverkehrs, die die Zusammensetzung der Atmosphäre und die Eigenschaften der Wolken erheblich verändern können. Sie werden durch einen integrierten Ansatz untersucht, der Flugzeug- und Satellitenbeobachtungen, Prozessstudien und Modellanwendungen miteinander verbindet.
Die zentralen Forschungsthemen der Gruppe von Peter Hoor beziehen sich auf Transport- und Mischungsprozesse, die die Tropopausenregion oder die außertropische obere Troposphäre/untere Stratosphäre (ExUTLS, siehe z.B. Gettelman et al., 2011) betreffen.
Veränderungen der Verteilung von Spurengasen wie Wasserdampf, Ozon und ozonabbauenden Substanzen sowie dünnen Zirruswolken in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) haben einen starken Einfluss auf den Strahlungsantrieb des Erdklimas und die Oberflächentemperaturen (Solomon et al., 2010) und sind von zentraler Bedeutung für das Verständnis des Klimawandels (Hegglin und Shepherd, 2009; Riese et al., 2012). Transport und Vermischung in der außertropischen oberen Troposphäre/unteren Stratosphäre (ExUTLS) spielen eine Schlüsselrolle für das quantitative Verständnis der Verteilung dieser strahlungsaktiven Arten (Riese et al., 2010). Die Bildung der extratropischen Übergangsschicht (ExTL) um die Tropopause, die chemische Eigenschaften sowohl der Stratosphäre als auch der Troposphäre aufweist (Hoor et. al, 2002, 2004; Pan et al., 2004), ist eine direkte Folge der zugrunde liegenden häufigen kleinräumigen Mischungsprozesse.
Die AG Hoor kombiniert luftgestützte Messungen von Spurengasen mit Lagrangeschen Analysewerkzeugen und meteorologischen Analyse- und Reanalysedaten sowie mit Erdsystemmodellen, um
1) die Prozesse an der Tropopause zu untersuchen, die zu einem Austausch über die Tropopause führen,
2) Transportregime und die Quantifizierung der Zeitskalen des Transports in der UTLS-Region zu identifizieren und
3) Transportwege in der Troposphäre zu bestimmen.
Die wissenschaftlichen Aktivitäten zu diesen Themen sind auf verschiedene Arbeitsgruppen verteilt. Die Schlüsselfragen betreffen grundlegende physikalische und chemische Prozesse in Bezug auf atmosphärische Aerosole, Wolken und große Hydrometeore. Die experimentelle Forschung konzentriert sich auf Feldmessungen auf verschiedenen Plattformen. Darüber hinaus werden detaillierte Laborstudien durchgeführt, einschließlich des Betriebs des einzigartigen Mainzer Vertikalwindkanals.
Flugzeuge, die in Reiseflughöhe operieren, sind die einzigen direkten anthropogenen Emissionsquellen in der Tropopausenregion in einer Höhe von 8 bis 12 km. Der Luftverkehr trägt durch die Emission von Kohlendioxid, Stickoxiden, Aerosolen und insbesondere durch flugzeuginduzierte Wolkenveränderungen erheblich zur globalen Erwärmung bei. Gegenwärtig behindern große Unsicherheiten die angestrebte Reduzierung einzelner Klimaeffekte des Luftverkehrs. Wolken haben einen vielfältigen Einfluss auf die Atmosphäre. Sie beeinflussen den Strahlungshaushalt, nehmen am hydrologischen Kreislauf teil, bieten Orte für heterogene Reaktionen und transportieren und verteilen Spurengase. Insbesondere die Prozesse der Eisbildung, der Lebenszyklus der Wolken und die Auswirkungen auf das Klima sind noch nicht im Detail verstanden.
Ziel der Gruppe ist es, die Auswirkungen von Wolken auf die Zusammensetzung der Atmosphäre und das Klima zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf Flugzeugemissionen liegt. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, der Flugzeugmessungen, Satellitenbeobachtungen, Prozessstudien und globale Modellierung kombiniert.
