Die ständige Weiterentwicklung und Verbesserung der Wetter- und Klimamodelle stellt die Fernerkundung der Atmosphäre vor große Herausforderungen. Für die Evaluierung der Modelle werden immer besser aufgelöste Messungen und Methoden benötigt. Herkömmliche Ansätze scheitern hier vor allem an fehlenden kontinuierlichen Beobachtungen der Temperatur und Feuchte bei allen Wetterbedingungen und insbesondere bei Regen. Ein Windprofiler ist allerdings auch bei solchen Bedingungen in der Lage Vertikalinformationen der Temperatur- und Feuchtegradienten zu messen. Der hier vorgeschlagene neuartige Ansatz aus einer Synergie aus Windprofiler (inklusive Radio Acoustic Sounding System), Ramanlidar, Mikrowellenradiometer und Wolkenradar ermöglicht eine automatisierte und kontinuierliche Erstellung von Temperatur- und Feuchteprofilen sogar bei Niederschlägen. Die zu verwendende variationelle Methode (optimale Schätzung, in engl. â€Ìoptimal estimationâ€Ì) bietet dabei ein robustes Hilfsmittel für die Kombination mehrerer Messgeräte unter Einbeziehung der Unsicherheiten der einzelnen Systeme. Bei der optimalen Schätzung wird ein vorgegebener Anfangszustand (z.B. die Klimatologie des Standorts oder der letzte bekannte Zustand) so lange iterativ variiert, bis er mit den Beobachtungen der verschiedenen Messgeräte innerhalb der Unsicherheiten übereinstimmt. Die Methode ermöglicht auch eine ausführliche Analyse der Unsicherheiten der Resultate und eine Einschätzung der Beiträge der einzelnen Geräte.Die langen Zeitreihen an Daten und die Kombination an sich ergänzenden Messinstrumenten, insbesondere mit dem 482 MHz Windprofiler am Meteorologischen Observatorium Lindenberg â€Ì Richard Aßmann Observatorium (MOL-RAO), sind einzigartig. Der Antragsteller kann hier seine umfangreichen Erfahrungen mit Instrumentensynergie und der Entwicklung von Algorithmen zur Ableitung atmosphärischer Variablen einbringen, um eine kontinuierliche Zeitreihe von Temperatur- und Feuchteprofilen mit bisher nicht erreichter Genauigkeit innerhalb und oberhalb von Wolken und insbesondere bei Niederschlag zu erstellen. Die thermodynamischen Profile bieten die ideale Möglichkeit, die Verdunstungsraten und die daraus resultierende Abkühlung mit einer verbesserten Genauigkeit zu quantifizieren. Die Unsicherheiten, die durch ungenaue Profile der relativen Feuchte und Temperatur entstehen, werden mit Hilfe von Simulationen abgeschätzt. Langzeitbeobachtungen an MOL-RAO werden genutzt, um aussagekräfige Statistiken über die Verdunstungs- und Abkühlungsraten zu erstellen. Die Ergebnisse werden für verschiedene Bedingungen wie stratiformen und konvektiven Niederschlag und für verschiedenen Jahreszeiten evaluiert. Dies wird den Modellieren helfen, die Parametrisierungen der Verdunstungsraten in kleinskaligen Modellen zu evaluieren.
Die große Sauerstoffkatastrophe (Great Oxidation Event - GOE) kennzeichnet den starken Anstieg von molekularem Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre während der Frühgeschichte der Erde, was flächendeckende Habitabilität ermöglicht und komplexes Leben auf der Erde erlaubt. Viele Fragen sind diesbezüglich weiterhin offen. Was dazu führte, dass sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, der Zeitpunkt und das Ausmaß sind nicht gut bestimmt. Erst jetzt ist es möglich die komplizierten Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen, biologischen und geologischen Prozessen zu identifizieren. Das sich daraus ergebende Absterben methanogener Lebensformen und das Auftreten eines sogenannten Schneeball-Erden-Zustandes sind Beispiele für die extremen Auswirkungen des GOE. Eine zentrale Frage, die wir untersuchen, ist ob der GOE in einem linearen oder, aufgrund einer möglichen Bistabilität von Sauerstoff, in einem sprungweisen Anstieg von O2 erfolgte. Des Weiteren studieren wir den Einfluss des Kohlenstoffzyklus und des Klimas auf die Charakteristika und den Zeitpunkt des GOE. Wir wenden unsere Erfahrung in eindimensionalen (1D) und 3D Klimamodellierungen an, um die Auswirkung unterschiedlicher Klima auf den GOE zu ermitteln. Um dies zu erreichen entwickeln und verwenden wir unser einzigartiges Atmosphärenmodell mit detailliertem Sauerstoffzyklus (inklusive zum Beispiel Verwitterungsprozesse, atmosphärische Photochemie) welches die Atmosphäre, Biosphäre und Geosphäre umfasst. Ein wichtiges Ziel ist die Analyse der Kernprozesse für den GOE unter der Berücksichtigung jüngster Ergebnisse geologischer Untersuchungen (zu zum Beispiel Oberflächendruck, atmosphärischen Treibhausgases, usw.).
Es wird vermutet, dass im globalen Wechselspiel der Hemisphären entweder die Tiefenwasserproduktion im Norden oder die im Süden den Atlantik dominierte, was unmittelbaren und bedeutenden Einfluss auf das Wärmebudget der jeweiligen Erdhalbkugel hat. Trotz der Anstrengungen, die gemacht wurden, um die Vergangenheit des klimarelevanten Atlantischen Ozeans zu rekonstruieren, war es bislang nicht möglich die Rolle der Ozeanzirkulation als Auslöser oder Folge der teils dramatischen Klimaschwankungen zu identifizieren, die innerhalb der letzten 100.000 Jahre aufgetreten waren. Der Forschungszweig der Paläozeanographie, der sich mit diesen Fragen beschäftigt, steht hierbei vor zwei essentiellen Problemen: Zum einen haben die benutzten Methoden oft Schwächen und nur eingeschränkte Anwendungsbereiche, was insbesondere für Tracer gilt, die am Nährstoffkreislauf teilnehmen und diagenetischen Prozessen unterworfen sind. Zum anderen lässt die zeitliche und räumliche Abdeckung der Messungen meist nur begrenzte Aussagen zu, die zwar lokale Informationen liefern, jedoch keine globalen Zusammenhänge erschließen lassen. Um verlässliche Aussagen über die ozeanische Vergangenheit des Wärmetransports und der Verteilung von Kohlenstoff und Nährstoffen treffen zu können, ist es notwendig eine große Anzahl von Daten zu erheben. Das Material, das von den IOPD/ODP Kernlagern zur Verfügung gestellt wird, bietet hierfür eine einzigartige Grundlage. Als Methode der Wahl hat sich in der jüngsten Vergangenheit die Messung des Verhältnisses der Neodymisotope 143Nd/144Nd herauskristallisiert. Die unterschiedliche isotopische Signatur von Wassermassen des Pazifiks und dem Nordatlantischen Tiefenwasser machen Neodym zu einem einzigartigen Tracer für die atlantische Zirkulation. Die Neodym-Signatur und damit das (Mischungs)Verhältnis der in der Vergangenheit vorherrschenden Wassermassen werden in Fe-Mn-Ablagerungen des Sediments erhalten. Mit dem vorsichtigen Ablösen dieser Ablagerungen und der anschließenden Messung der Nd-Isotopie steht eine Methodik zur Verfügung, die im großen Maßstab angewandt äußerst erfolgsversprechend ist. Sie ist überall dort anwendbar, wo Kerne gezogen wurden, sie ist verlässlich messbar und die Aufbereitung von Proben ist schnell und kostengünstig durchführbar, wenn die entsprechende Expertise vorhanden ist. An ausgewählten IODP/ODP Kernen soll der Frage von Wassermassenwechseln im Atlantik nachgegangen werden. Es soll geklärt werden wie schnell diese abliefen und in welcher klimatologischen Phase sich welches Zirkulationsmuster durchgesetzt hat. Mit Hilfe von Boxmodellen und durch den Vergleich mit weiteren Tracern (231Pa/230Th, d13C) soll ein gesamtheitliches Bild für den letzten Glazial-Interglazialen-Zyklus gezeichnet werden, das Rückschlüsse auf die entscheidenden Rückkopplungseffekte und Wechselwirkungen im Klimasystem zulässt, wie sie für die Verbesserung und Validierung von Klimamodellen dringend benötigt werden.