Das Zusammenspiel von atmosphärischem Wasser und Zirkulation über Beeinflussung des Strahlungshaushalts, den Transport latenter Wärme und Rückkopplungsmechanismen von Wolken ist eines der bedeutendsten Hindernisse für das Verständnis des Klimasystems. Ein Vergleich zwischen Modellen verschiedener Auflösungen und Parameterisierungen kann wertvolle Einblicke in die Problematik geben. Jedoch werden für aussagekräftige Modelltests Messdaten benötigt. In diesem Zusammenhang können Isotopologen des troposphärischen Wasserdampfs eine wichtige Rolle spielen. Das Isotopologenverhältnis reflektiert die Bedingungen am Ort des Feuchteeintrags sowie verschiedene Umwandlungsprozesse (z.B. in Wolken). Während der letzten Jahre gab es großen Fortschritt beim Modellieren und Messen der Isotopologenverhältnisse, so dass kombinierte Untersuchungen nun global zeitlich und räumlich hochaufgelöst durchführbar sind. Das Ziel dieses Projektes ist es, Wasserdampfisotopologe als neue Methode zu etablieren, um modellierte atmosphärische Feuchteprozesse zu testen und damit einige der größten Herausforderungen der aktuellen Klimaforschung anzugehen. Um statistisch robuste Untersuchungen zu ermöglichen, werden wir eine große Anzahl von (H2O, deltaD)-Paaren messen (deltaD ist das standardisierte Verhältnis zwischen den Isotopologen HD16O und H216O). Zum ersten Mal wird dann ein validierter Beobachtungsdatensatz zur Verfügung stehen, der große Gebiete, lange Zeiträume und verschiedene Tageszeiten abdeckt. Gleichzeitig wird ein hochauflösendes meteorologisches Modell, welches die Isotopologe simuliert, benutzt, um zu untersuchen inwiefern sich Eintrag und Transport von Feuchte in den Isotopologen wiederspiegeln. Diese Kombination von Messung und Modell ist einzigartig zum Testen der Modellierung von Feuchteprozessen. Das Potential der Isotopologen wird anhand von drei klimatisch interessanten Regionen aufgezeigt. Für Europa wird unser Ansatz einen wertvollen Einblick in den Zusammenhang zwischen Feuchteeintrag und den Isotopologen im Falle hochvariablen Wettergeschehens geben. Über dem subtropischen Nordatlantik werden wir Mischprozessen zwischen der marinen Grenzschicht und der freien Troposphäre untersuchen. Die verschiedenartige Einbindung dieser Prozesse in Modelle ist sehr wahrscheinlich ein Grund für die große Unsicherheit bei Rückkopplungsmechanismen von Wolken. Über Westafrika wird die Modellierung des Monsuns getestet (horizontaler Feuchtetransport, Feuchterückfluss von Land in die Troposphäre, und Tagesgänge in Zusammenhang mit vertikalen Mischprozessen). Die Frage, wie organisierte Konvektion die Monsunzirkulation und die Feuchtetransportwege beeinflusst, wird dabei von besonderem Interesse sein. In Kombination werden die Ergebnisse helfen, Defizite in aktuellen Wetter- und Klimamodellen aufzuspüren und besser zu verstehen, und dadurch einen wichtigen Beitrag für zukünftige Modellverbesserungen liefern.
Kraftwerkkuehltuerme beeinflussen zumindest das Landschaftsbild negativ; ihre Einfluesse auf das Kleinklima sind umstritten. Aus frueheren Arbeiten des Institutes ist bekannt, dass gleiche Kuehlleistungen mit rotierenden Waermeaustauschern moeglich sind, deren Abmessungen etwa um den Faktor 150 kleiner sind. Dabei hat sich gezeigt, dass auch die Wasserdampfemission in die Umgebung erheblich geringer ist, als bei offenen Kuehltuermen.
Die Einspeicherung von Druckluft in die Kavernen des LGT muss nahezu isotherm erfolgen. Die dabei anfallende Verdichtungswärme wird bisher in die Umgebung abgegeben. In der Studie werden Möglichkeiten untersucht und bewertet, diese und auch die Turbinenabwärme bei Turbinenbetrieb in Form von Dampf zu speichern. Mit dem gespeicherten Dampf wird beim Ausspeichern ein integrierter Gas-Dampf-Prozess realisiert, mit dem die gespeicherte Energie genutzt werden kann, was zu deutlichen Brennstoffeinsparungen führt.
Die Veränderung des globalen Wasserkreislaufs durch den Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen für die Gesellschaft, da trockene Regionen trockener und feuchte Regionen feuchter werden. Das Problem besteht darin, dass 85 % der Verdunstung und 77 % der Niederschläge über den Ozeanen stattfinden und der globale Wasserkreislauf aufgrund der schwierigen Beobachtungsbedingungen über den Ozeanen nur unzureichend verstanden wird. Der Austausch von Süßwasser zwischen dem Ozean und der Atmosphäre findet jedoch in einer obersten dünnen Schicht der Meeresoberfläche statt, den so genannten Oberflächenfilm. Die Verdunstung von Wasserdampf aus den Oberflächenfilmen erhöht deren Salzgehalt, während der Niederschlag den Salzgehalt in den Oberflächenfilmen verringert. Das Hauptziel dieses Forschungsprojekts ist ein umfassendes Verständnis der Dynamik und der Veränderungen des Salzgehalts und der damit zusammenhängenden thermischen Felder in den ozeanischen Oberflächenfilmen und der oberflächennahen Schicht (NSL) sowie deren Zusammenhang mit den verdunstenden Süßwasserflüssen zu erzielen. Einer der Hauptpunkte dieser Arbeit ist, dass Süsswasserflüsse (Verdunstung minus Niederschlag) direkt auf die Meeresoberfläche einwirkt und daher vorwiegend den Salzgehalt der Oberflächenfilme quasi-instant beeinflusst, während die derzeitigen Methoden, die den Salzgehalt der gemischten Schicht verwenden, sich auf dekadischen Skalen beziehen. Eine umfassende Reihe von Experimenten wird in einer großmaßstäblichen Mesokosmenanlage an der Universität Oldenburg durchgeführt, in der die treibenden Kräfte für die Verdunstung kontrolliert werden können (Wassertemperatur, Windgeschwindigkeit, turbulente Vermischung, Lufttemperatur und -feuchtigkeit). Im Mittelpunkt steht eine Expedition in den Mittelatlantik mit seinem hohen Oberflächensalzgehalt, d. h. Verdunstungsraten übersteigen die Niederschlagsraten. Während der Expedition kommt ein funkgesteuertes Katamaran zum Einsatz, der in der Lage ist, Oberflächenfilme zu sammeln. Die Beobachtungen werden durch Messungen von Bojen, schiffsbasierten Messungen und Satelliten unterstützt. Die Arbeiten ergänzen die laufenden Aktivitäten zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen dem Salzgehalt der Oberflächenfilme und den Niederschlägen. Diese Arbeit ist ein erster Schritt, um zu verstehen, wie der Salzgehalt der Oberflächenfilme und der oberflächennahe Salzgehalt verwendet werden können, um dynamische Süsswasserflüsse zu integrieren und Parametrisierungen zur Extrapolation von Süsswasserflüssen unter Verwendung von satellitengestützten Salzgehaltsdaten zu entwickeln.
Ziel des Vorhabens der TBM Technologieplattform Bioenergie und Methan GmbH & Co. KG ist es, die wirtschaftliche und nachhaltige Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme aus Biomasse mit Hilfe der neu entwickelten AER (Absorption Enhanced Reforming)-Vergasungstechnologie in einer Anlagengröße von 10 MW Brennstoffwärmeleistung zu demonstrieren. Das neue Verfahren wurde vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) entwickelt. Im Vergleich zu bereits existierenden Biomasseanlagen kommen ein neuartiges Bettmaterial und eine veränderte Betriebsweise zur Anwendung, bei der ein wasserstoffreiches Gas erzeugt wird. Das als Bettmaterial eingesetzte Kalziumoxid bewirkt, dass das entstehende Produktgas weniger unerwünschtes CO2 und Teer enthält. Geringere Vergasungstemperaturen erlauben außerdem den Einsatz von holzartigen Biomassereststoffen aus der Landschaftspflege. Dies trägt den hohen Anforderungen an den Standort in der Nähe des Biosphärenreservats Schwäbische Alb Rechnung. Das Produktgas soll in einem Gasmotor in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Prozessabwärme soll zum einen in einem ORC-Prozess zur zusätzlichen Erzeugung elektrischer Energie dienen und zum anderen als Fernwärme abgegeben werden. Bei optimalem Betrieb und gleichzeitiger Wärmenutzung können insgesamt rund 26.000 Tonnen CO2 pro Jahr und Anlage eingespart werden.
PHILEAS (Probing high latitude export of air from the Asian summer monsoon)Die asiatische Sommermonsun Antizyklone (AMA) während des Nordsommers wird als ein Haupttransportweg in die obere Troposphäre / untere Stratosphäre (UTLS) für troposphärische Luftmassen, die viel H2O und Aerosolvorläufergase und Verschmutzung enthalten, gesehen. Neuere Beobachtungen zeigen eine große Bedeutung des Transports von Ammoniumnitrat durch die AMA für das Aerosolbudget und die asiatische Tropopausenaerosolschicht (ATAL), wahrscheinlich auch mit Konsequenzen für die Zirrenbildung.Neuere flugzeuggetragene Messkampagnen konnten die Zusammensetzung und Aerosolgehalt im Inneren der AMA charakterisieren oder werden in unmittelbarer Nähe Messungen erheben. Im Gegensatz dazu wurde der Einfluss von monsungeprägten Luftmassen auf die Gesamtzusammensetzung der nördlichen untersten Stratosphäre, z.B. bei HALO Mesungen nachgewiesen. Allerdings gibt es bisher keine Studie, die den Übergang der AMA Luftmassen in die extratropische unterste Stratosphäre (LMS) und die Konsequenzen für Aerosolprozessierung und Zusammensetzung zeigt. Im Rahmen der früheren HALO Missionen TACTS/ESMVal und WISE hat sich gezeigt, dass der nördliche Zentralpazifik eine Schlüsselregion für diesen Übergang ist.Beobachtungen und Modelldaten zeigen eine besondere Bedeutung des sogenannten ‘eddy-sheddings‘ für die Befeuchtung der nördlichen UTLS an. Diese Eddies stellen isolierte dynamische Anomalien dar, die sich von der AMA gelöst haben und mit der Hintergrundströmung in der Atmosphäre zu zirkulieren beginnen. Die chemische Zusammensetzung der Eddies ist zunächst isoliert von ihrer Umgebung. Dynamische und diabatische Prozesse erodieren jedoch diese Anomalien und führen zu einer allmählichen Vermischung mit dem stratosphärischen Hintergrund.Weitere Transportpfade beeinflussen die Zusammensetzung der UTLS über dem Pazifik im Sommer: i) quasi-horizontales Mischen über den Subtropenjet ii) konvektiver Eintrag tropischer Taifune, die in die Extratropen wandern können iii) Wettersysteme der mittleren Breiten. Bei PHILEAS ist geplant, die relative Bedeutung verschiedener Prozesse für die Gasphasen und Aerosolzusammensetzung der UTLS zu untersuchen. Dabei soll insbesondere die dynamische und chemische Entwicklung ehemaliger AMA Filamente untersucht werden, die sich von der AMA abgespalten haben und über dem Pazifik aus der Troposphäre in die Stratosphäre übergehen.Insgesamt ergeben sich drei Hauptthemen, die die PHILEAS Mission motivieren:1) Welche Haupttransportpfade, Zeitskalen und Prozesse dominieren den Transport aus der AMA in die unterste Stratosphäre?2) Wie entwickeln sich Zusammensetzung der Gasphase und der Aerosole während des Transports speziell durch die 'shed eddies'?3) Welche Bedeutung hat der Prozess der Wirbelablösung für das globale Budget der UTLS speziell von H2O und infrarot-aktiven Substanzen?
In jüngster Zeit wurde ein neuer Mechanismus zum Ozonabbau über besiedelten Gebieten in der wissenschaftlichen Gemeinschaft diskutiert, der vor einer zunehmenden Gefahr von niedrigem Ozon im Sommer in mittleren Breiten in der unteren Stratosphäre warnt. Der Ozonabbau soll durch erhöhte Mengen an Wasserdampf verursacht werden, die konvektiv in die Stratosphäre injiziert werden und zu durch Chlor bedingtem katalytischen Ozonverlust führen soll durch heterogene Reaktionen an binären Sulfat-Wasser-Aerosolen (H2SO4/H2O). Diese heterogenen Reaktionen werden durch erhöhte Mengen an Wasserdampf und niedrige Temperaturen beschleunigt. Vorausgesetzt, dass die Intensität und die Frequenz des konvektiv injizierten Wasserdampfes durch den anthropogenen Klimawandel in den nächsten Jahrzehnten ansteigen, ist mit einer Erhöhung der ultravioletten Strahlung (UV) auf der Erdoberfläche über besiedelten Gebieten zu rechnen. Die Details dieses neuen Ozonverlust-Mechanismus sind jedoch noch unklar, so dass eine genaue Quantifizierung des Ozonverlustes und seiner Sensitivität auf stratosphärischen Schwefel und Wasserdampf noch nicht möglich war. Ferner wurde im Rahmen von Climate-Engineering-Methoden, die Injektion von Sulfat-Aerosol in die Stratosphäre vorgeschlagen, um die globale Erderwärmung abzuschwächen. Dies könnte zusätzlich den Ozonabbau in der unteren Stratosphäre in mittleren Breiten verstärken. Motiviert durch diese Wissenslücken in unserem gegenwärtigen Verständnis von Ozonverlustprozessen in mittleren Breiten in der unter Stratosphäre, schlagen wir im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms 'Climate Engineering' ein Projekt vor, dass unter Bedingungen mit sowohl erhöhtem Wasserdampf als auch erhöhtem Sulfat-Aerosol den Ozonverlust analysiert. Unser Projekt basiert auf verschiedenen Simulationen mit dem drei-dimensionalen Chemie-Transport-Modell CLaMS mit dem Ziel die Details dieses neuen Ozonverlust-Mechanismus zu verstehen und zu quantifizieren. Ferner soll der mögliche Ozonverlustes unter Klima-Engineering-Bedingungen zuverlässig simulieren werden. Ein Algorithmus, der die Abhängigkeit des Ozonverlustes in mittleren Breiten von erhöhtem stratosphärischem Schwefel beschreibt, wird der Klima-Engineering-Community als Basis für weitere ökonomische Analysen zur Verfügung gestellt. Unsere Ergebnisse werden helfen zukünftige Entscheidungen über Klima-Engineering zu bewerten, um mögliche Risiken und Kosten für die Gesellschaft zu minimieren.
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