Supercomputer mit Daten von HALO: neue Ozon-Prognose

Der Klimawandel mit seinen ökologischen und ökonomischen Auswirkungen stellt eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen dar. Mit Hilfe des Simulationssystems EMAC (ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry) wurde die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre von 1950 bis 2100 nachvollzogen beziehungsweise prognostiziert.

Voraussetzung dafür ist ein tiefgreifendes Verständnis der komplexen Umweltprozesse, die zum Klimawandel beitragen. Atmosphärenforscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) konnten nun einen wichtigen Beitrag dazu leisten.

Die genaue Kenntnis der Entwicklung der Ozonschicht ist wichtig, da die Atmosphärenchemie in Wechselwirkung mit dem Klima steht. So geben die Modelldaten den Wissenschaftlern unter anderem Aufschluss darüber, welchen Einfluss einzelne atmosphärische Veränderungen auf den Klimawandel haben. Die detaillierte Beschreibung der Atmosphärenzusammensetzung ist eine Besonderheit des verwendeten Klima-Chemie-Modells. Darüber hinaus wurde das modular aufgebaute EMAC mit einem Ozeanmodell gekoppelt, so dass auch der Einfluss der Weltmeere umfassend berücksichtigt ist.

Mehr als zwei Petabyte Klimadaten konnten die Wissenschaftler insgesamt aus den Modellberechnungen gewinnen, die nun Klimaforschern weltweit zur Verfügung stehen. Die aufwändigen Simulationen beanspruchten dabei mehr als sechs Millionen Prozessorstunden auf dem Supercomputer des Deutschen Klimarechenzentrums (DKRZ). Verwirklicht wurde das Projekt im Rahmen der nationalen ESCiMo-Initiative (Earth System Chemistry integrated Modelling) in Zusammenarbeit von acht Forschungseinrichtungen und Universitäten unter Federführung des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen. Die ESCiMo-Daten werden zu künftigen Berichten des Weltklimarates (IPCC) sowie der World Meteorological Organization (WMO) zur Entwicklung der Ozonschicht beitragen. Erste Ergebnisse, die mit Hilfe dieser Daten erzielt wurden, konnte die Projektgruppe bereits in einer Reihe von Fachpublikationen darlegen.

Bestätigungen und Überraschungen

Anhand der Langzeitsimulation konnten DLR- Wissenschaftler unter anderem zeigen, dass das Verbot der Ozon-zerstörenden Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) eine wirksame Maßnahme war. Nachdem der Ozonabbau in den 1980er Jahren rapide fortschritt, wird sich die Ozonschicht nach dem Jahr 2035 wieder erholen. Abgeglichen wurden die Ergebnisse mit Messungen von Satelliteninstrumenten der letzten drei Jahrzehnte.

Die Atmosphärenforscher nutzten die neuen Klimadaten außerdem, um die scheinbar ungewöhnlichen Messdaten des Forschungsflugzeugs HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) aus dem Jahr 2012 zu verstehen. Damals zeigten sich ozonreiche Luftmassen bei Messflügen durch die südlichen Randgebiete der sogenannten asiatischen Sommermonsun-Antizyklone in rund 13 Kilometer Höhe. Dies stand im Widerspruch zu bisherigen Studien, die von ozonarmen Luftmassen berichteten, die durch stark aufsteigende warme Luftmassen während der Regenzeit entstehen. Die ESCiMo-Simulationen konnten die Ergebnisse der HALO-Messflüge nun einordnen und klären, dass die ozonreichen Luftmassen nicht von bodennahen Luftschichten, sondern tatsächlich aus der Stratosphäre kommen.

Die neuen Klimadaten helfen auch dabei, dem Treibhausgas Wasserdampf auf die Spur zu kommen. Nach Vulkanausbrüchen oder dem Klimaphänomen El-Niño, berüchtigter Auslöser von Extremwetterlagen, konnten die Wissenschaftler einen stark erhöhten beziehungsweise stark verringerten Eintrag von Wasserdampf in die mittlere Atmosphäre feststellen. Eine Veränderung, die sich auf die Temperaturen in verschiedenen Luftschichten auswirkt und damit das gesamte Klimasystem beeinflusst. Die einzelnen Faktoren und Wechselwirkungen können nun weiter erforscht werden.

Der einzigartige Datenschatz aus dem ESCiMo-Projekt ist somit bei Weitem nicht abschließend untersucht. Die Daten bilden eine Grundlage zur Beantwortung einer Vielzahl an weiteren wissenschaftlichen Fragenstellungen. Durch die zukünftige Bereitstellung der Simulationsergebnisse in der CERA-Datenbank (Climate and Environmental Retrieval and Archive) am DKRZ haben Wissenschaftler die Möglichkeit, in gegenwärtigen und zukünftigen Studien mit den ESCiMo-Daten zu arbeiten. Teile der Simulationsergebnisse werden zusätzlich zur BADC-Datenbank (British Atmospheric Data Centre) der Chemistry-Climate Model Initiative (CCMI) zur weiteren Analyse und zum Vergleich mit Ergebnissen weiterer Modelle transferiert.

Forschungspartner des Projekts

Zu den Partnern im Konsortialprojekt ESCiMo (Earth System Chemistry integrated Modelling) zählen neben dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Forschungszentrum Jülich (FZJ), die Freie Universität Berlin (FUB), die Johannes-Gutenberg Universität Mainz (UMZ) sowie das Cyprus Institute (CYI). Unterstützt wird das Projekt durch das Deutsche Klimarechenzentrum (DKRZ).

Auf den Bildern

Ozonloch über der Antarktis: Entwicklung 1960-2100: Analyse der Simulationsdaten des ESCiMo-Projekts (Earth System Chemistry integrated Modelling): Das Modellbild links zeigt die Ausdehnung des Ozonlochs über der Antarktis am 30. September 2016. Im Jahresverlauf weist das Ozonloch im September die größte Ausdehnung auf. Anhand der Langzeitsimulationen der Jahre 1960 bis 2100 (Modellbild rechts) konnten DLR-Wissenschaftler zeigen, dass sich die Ozonschicht in der Stratosphäre, deren Abbau nach 1980 rapide fortschritt, nach dem Jahr 2035 wieder erholen wird. Die Analyse bestätigt, dass das Verbot der Ozon-zerstörenden Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) eine wirksame Maßnahme des Montreal-Protokolls war. Der fortschreitende Klimawandel beschleunigt diesen Prozess.

Anomalien der Gesamtozonsäule: Dargestellt sind Anomalien der Gesamtozonsäule bezogen auf die Jahre 1960 bis 1980. Die Ergebnisse von drei Langzeit-Simulationen, erstellt durch das Klima-Chemie-Modell EMAC (Zeitraum 1960 bis 2100), werden hier verglichen mit entsprechenden Beobachtungen amerikanischer und europäischer Satelliteninstrumente (Zeitraum 1980 bis heute), die von der NASA bzw. der ESA betrieben wurden.