Neue Studien zeigen, dass die Emissionen eines der wichtigsten Fluochlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), des CFC--11, seit 2012 wieder ansteigen, was eine ernste Bedrohung für die Ozonschicht bedeutet. Allerdings sind die Abschätzungen der FCKW Emissionen mit großen Unsicherheiten behaftet. Die größte Unsicherheit stammt von Änderungen der stratosphärischen Zirkulation und deren Darstellung in derzeitigen atmosphärischen Modellen und Reanalysen. Die Methodiken, um diese Zirkulationsänderungen in Modellen besser einzuschränken, sind unzureichend.Ziel des Projekts ist es den Einfluß von Jahr-zu-Jahr Variabilität und dekadischen Änderungen im stratosphärischen Transport auf troposphärische Änderungen langlebiger Spurenstoffe, mit Fokus auf FCKWs, besser zu verstehen. Dazu werden neue Methodiken entwickelt und verbessert, um das stratosphärische Altersspektrum abzuleiten, die Verteilung der Transportzeit durch die Stratosphäre. In einem ersten Schritt wird die Methoden-Evaluierung im Modell durchgeführt. Drei verschiedene Methodiken zur Berechnung des Altersspektrums aus Mischungsverhältnissen chemischer Spezies werden verglichen. Diese Methodiken basieren auf (i) einer inversen Gauss-Funktions Parametrisierung, (ii) einer verbesserten Parametrisierung, und (iii) einer direkten Inversions-Methode. Für einen "proof of concept" werden die Resultate aller drei Methoden mit Altersspektren aus dem Lagrangeschen Atmosphären-Modell CLaMS verglichen, die im Modell exakt mit einer Pultracer-Methode berechnet werden. Im zweiten Schritt werden die Methodiken angewendet auf hochaufgelöste in-situ Spurengas-Messdaten aus Luftproben von Flugzeug-Messungen und von neuesten AirCore Messungen. Die Kombination von neuartigen Simulations- und Berechnungs-Methoden mit neuesten Messdaten zur Bestimmung des stratosphärischen Altersspektrums wird zu bisher nicht dagewesenen Einschränkungen des stratosphärischen Transports in Modellen führen. Durch Vergleich der Modell-Altersspektren aus Simulationen die mit verschiedenen meteorologischen Reanalysen angetrieben wurden, einschließlich der neuesten ERA5 Reanalyse und älterer Produkte (ERA-Interim, MERRA-2, JRA-55), soll die Robustheit der Modell-Darstellung stratosphärischer Transportänderungen abgeschätzt werden. Schließlich werden die Variabilitäten im stratosphärischen Transport untersucht und quantifiziert, sowie die Effekte dieser Variabilität auf die Spurengaszusammensetzung der unteren Stratosphäre und auf troposphärische Trends. Die aus dem Projekt resultierenden verbesserten Methodiken zur Abschätzung troposphärischer Spurenstoff-Budgets sollen der wissenschaftlichen Community zugänglich gemacht werden, und werden einen wichtigen Schritt darstellen hin zu einer verbesserten Berechnung von Emissionen langlebiger ozonzerstörender Substanzen und Treibhausgase.
Die Entwicklung arktischer Luftmassen ist wichtig für die Entstehung und Beständigkeit von Wolken und Niederschlag. Zwei Phänomene – warme und feuchte Einflüsse aus dem Süden sowie kalte und trockene Strömungen aus dem Norden – verursachen besonders starke und schnelle Änderungen in den Luftmassen. Während dieser Ereignisse ändern sich die Zustände z.B. der Wolken, der Stabilität und des Feuchtebudgets sowohl räumlich als auch zeitlich. Aufgrund dieser schnellen Änderungen sowie den generellen arktischen Bedingungen mit niedrigen und oft starken Inversionen, ist es schwierig die Prozesse mit globalen Modellen mit einer groben Auflösung sinnvoll wiederzugeben. Um die entscheidenden Prozesse sowohl besser zu erfassen als auch zu parameterisieren, wird in diesem Projekt eine Kombination aus detaillierten Beobachtungen mit dem HALO Flugzeug und hoch-aufgelösten Simulationen mit dem ICON-LEM verwendet. Durch die lange Reichweite des HALO Flugzeuges wird es möglich sein dasselbe Ereignis mehrmals zu messen und dadurch einen breiten Einblick in die Struktur der Luftmasse zu bekommen. Darüber hinaus wird es durch die Lagrangsche, d.h. mit der Strömung mitbewegte, Flugstrategie möglich sein, die zeitliche Entwicklung der Luftmassen während der Ereignisse zu erfassen. Durch lokale Verfeinerungen um den tatsächlichen Flug herum wird die Auflösung des ICON-LEM Setups zwischen 1 km und 100 m variieren. Mit dieser einzigartige Kombination von Flugzeugbeobachtungen und hochauflösender Modellierung wird es möglich sein, das Feuchtebudget während der beobachteten warmen und kalten Einströmungen abzuschätzen. Anhang dieser Abschätzung können anschließend offene Fragen wie die Effizienz des Niederschlages sowie deren Einfluss auf die Beständigkeit der arktischen Mischphasenwolken untersucht werden. Während die Lagrangsche Flugstrategie es ermöglicht neue und einzigartige Forschungsfragen zu untersuchen, stellt sie die Flugplanung vor eine große Herausforderung, da eine gute Abschätzung der Luftströmungen unerlässlich sein wird. Teil dieses Projekts ist es deshalb auch die Flugplanung durch hochaufgelöste Vorhersagen und die Verfolgung bestimmter Luftmassen zu unterstützen. Insbesondere die Berechnung mehrerer Trajektorien wird es ermöglichen die verbleibenden Unsicherheiten abzuschätzen und sinnvolle Flugmuster vorzuschlagen. Die vorgeschlagene Kombination von Flugzeugbeobachtungen und hochauflösender Modellierung wird zu einem besseren Verständnis der Änderungen im Feuchtebudget und der Erhaltung von Mischphasenwolken während der feuchten sowie kalten Luftströmungen in der Arktis führen.
Basierend auf 10 Jahren globaler Lyman-a Beobachtungen von TWINS wird vorgeschlagen, in 3D die Variation der neutralen Exosphäre der Erde verursacht von Variabilität der solaren Aktivität (nur Sonnenwind oder UV und beide gemeinsam) auf Zeitskalen von Jahren (solarer Zyklus) über Tage (27 Tage solare Rotation) bis zu Stunden (geomagnetische Stürme) zu untersuchen.Die Exosphäre ist die äußerste Region der Atmosphäre und besteht vor allem aus neutralem Wasserstoff (H). Als Übergang in den interplanetaren Raum spielt sie eine wichtige Rolle für die gesamte Entwicklung der Erdatmosphäre von der urzeitlichen Vergangenheit bis in die Zukunft, z.B. durch Verlust von H aus Oberflächenwasser in den Weltraum. Da unmittelbar der UV-Strahlung und solaren Aktivität ausgesetzt können Space Weather-Ereignisse (wie geomagnetische Stürme) signifikante Effekte auf die neutrale Exosphäre haben. Über die quantitativen Einflüsse und die relevanten physikalischen Prozesse ist bislang nur wenig bekannt.Exosphärische H-Atome streuen resonant solare Lyman-a Strahlung zurück. Die gestreute Intensität ist proportional zur lokalen H-Dichte im optisch dünnen Bereich oberhalb von 3 Re (Erdradien). Die TWINS Daten enthalten einzigartige kontinuierliche exosphärische Lyman-a Messungen in 3D aus 10 Jahren und sind erst teilweise analysiert.Es wird vorgeschlagen, mittels tomographischer und kinetischer Modelle in 3D die dynamische H-Dichtevariationen verursacht durch variierendes Space Weather auf verschiedenen Zeitskalen bei 3-8 Re zu untersuchen.Erstens soll die Entwicklung der H-Dichteverteilung über den solaren Zyklus 2008-2018 in 3D charakterisiert werden, insbesondere wie totale H-Dichte, radiale Profile und regionale Asymmetrien rund um die Erde (polar/äquatorial, Tag/Nacht usw.) an den solaren Zyklus gekoppelt sind.Zweitens soll die hoch dynamische Reaktion auf geomagnetische Stürme erstmals in 3D mit Zeitauflösung von Stunden bis ~30 min auf Basis der einzigartig großen Menge an Stürmen in den TWINS-Daten analysiert werden. Durch Monte Carlo Simulationen sollen beitragende physikalische Mechanismen bestimmt und quantifiziert werden.Drittens wird vorgeschlagen, den alleinigen Einfluss von solaren UV-Variationen bei relativ konstantem Sonnenwind zu untersuchen anhand der solaren 27 Tage UV-Variation sowie eruptiver solare UV-Ausbrüche. Im Fokus stehen hier die Effekte durch periodische und eruptive Variationen des Strahlungsdrucks bzw. der Photoionisation, insbesondere auf orbitierende H-Atome in größeren Distanzen.Die Verfügbarkeit eines 3D H-Dichtemodells mit Berücksichtigung dynamischer Variationen durch veränderliches Space Weather wäre ein großer Fortschritt im Verständnis der neutralen Exosphäre. Es besitzt auch eine große Bedeutung für kommende Missionen zur Erforschung der Magnetosphäre (wie SMILE, LEXI oder STORM) auf Basis von ENA- bzw. Soft Röntgen-Messungen, die zur Invertierung korrekte lokale exosphärische H-Dichten zu einer beliebigen Zeit benötigen.
Im PERBAS-Verbund wird die großvolumige (Gt) und permanente Speicherung von CO2 als Feststoff in Basalt methodisch und technologisch weiterentwickelt. Zur Überwachung der Injektion von superkritischem CO2 wird in diesem Teilvorhaben eine neu gestaltete zielhorizont-orientierte Full-Waveform-Inversion seismischer Daten (Target-FWI) entwickelt. Kombiniert mit KI-gestützten Korrelationen soll einerseits eine verbesserte Auflösung der relevanten Untergrundparameter, andererseits eine Reduktion des Rechenaufwands (Kosten) durch effiziente Beschränkung der Berechnungen auf die relevanten Strukturen helfen, um die Herausforderungen für die hochauflösende Auswertungen der Untergrundstrukturen in submarinen Basaltlagerstätten zu überwinden. Die Integration der Target-FWI in die Multi-Parameter Joint Inversion (JI) ermöglicht es seismische und CSEM-Daten im CO2PR-Verbund gemeinsam auszuwerten, um die voneinander unabhängigen, sich ergänzenden Parameter seismische Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und elektrischer Widerstand, z.B. über strukturelle Kopplung und gesteinsphysikalische Abhängigkeiten, zu nutzen, und um Mehrdeutigkeiten der einzelnen Datenauswertungen zu reduzieren. Die Sensibilität der geophysikalischen Fernerkundung wird dadurch deutlich verbessert. Es werden synthetische und Felddaten benutzt, um die Grenzen der Fernerkundung einzuschätzen und eine Reduzierung der Kontrollbohrungen zu erreichen (erhebliche Kostenreduzierung). Vergleichende Modellstudien (Laborexperimente an realem Kernmaterial, synthetische geophysikalische Datensätze) und neue vulkanologische Modelle aus PERBAS, die ein Reservoir vor, während und nach einer simulierten CO2 Injektion abbilden, dienen zur Parametrisierung des JI-Modellraums. Die JI-Ergebnisse werden zurückgespiegelt. Die Untersuchung der zeitversetzten (time-lapse) Daten soll die Möglichkeiten aufzeigen, inwieweit ein Monitoring einer CO2 Speicherstätte mit seismischen und elektromagnetischen Auswerteverfahren möglich ist.