Forschung in Klimatologie und Biosphäre
Rückkopplungen zwischen Geosphäre, Biosphäre, Atmosphäre und Ozean führen zu zeit- und zustandsabhängigen Sensitivität des Erdsystems und Klimaschwankungen. Diese Rückkopplungen haben in der Vergangenheit funktioniert und zu erheblichen Veränderungen der Oberflächentemperatur, des Niederschlags und der Topografie geführt, teilweise durch Vulkanismus.
Wir untersuchen die zeitlichen und räumlichen skalenübergreifenden Auswirkungen von Änderungen der Randbedingungen auf Wetter, Klima und Kohlenstoffkreislauf durch Simulationen mit Erdsystemmodellen unterschiedlicher Komplexität. Im Allgemeinen werden für Paleo-Zeiträume andere Modelle verwendet als für gegenwärtige Bedingungen, mit einer unterschiedlichen Bandbreite an Rückkopplungen. Wir wollen die Auswirkungen dieser Modelle durch Experimente unter verschiedenen Randbedingungen und mit unterschiedlicher Modellkomplexität testen. Ein Schlüsselelement unserer Arbeitsphilosophie sind Tracer für Wasserisotopenveränderungen und die Vegetation. Sie ermöglichen es uns, eine Brücke zu schlagen zwischen Modellen (d. h. unserem Verständnis der in Formeln niedergeschriebenen physikalischen, biologischen und chemischen Wechselwirkungen) und dem, was tatsächlich im Erdsystem beobachtet werden kann. Die Häufigkeit stabiler Wasserisotopologe (d. h. Wassermoleküle mit unterschiedlichen Molekülmassen für die Wasserstoff- und Sauerstoffatome) wird durch die Bewegung und die Phasenwechsel des Wassers im Erdsystem beeinflusst. Diese Isotopenvariabilität kann in natürlichen Paläoklimaarchiven (Eis, Speläotheme, Bäume, Foraminiferen) gemessen und durch isotopengestützte Klimamodelle modelliert werden. In ähnlicher Weise beeinflusst die Vegetation das Wetter und das Klima, und zwar auf unterschiedlichen Zeitskalen. Wir kombinieren Tracer und Modelle, um zu bewerten, inwieweit Rückkopplungen tatsächlich auf einzelnen Skalen wirken und auf welchen zeitlichen und räumlichen Skalen isotopische Tracer Aufschluss über Veränderungen der Randbedingungen und des Klimas geben können.
Forschungsbereiche
Zustands- und Zeitskalenabhängigkeit von Klimavariabilität
https://www.iup.uni-heidelberg.de/research/paleoclimate-dynamics
Model-Daten Vergleich in Paläoklima und Paläoumweltforschung
Nachhaltige Pfade, Kohlenstoffkreislaufdynamik und Impact des Klimawandels
Wechselwirkungen zwischen Klima, Kohlenstoffkreislauf und Biosphäre; Kohlendioxidabbau; gesellschaftlicher Wandel; Dekarbonisierung; wirtschaftliche Folgen des Klimawandels
Zu nachhaltigen Wegen in die Zukunft beizutragen, ist eine zentrale Aufgabe der SPACY-Gruppe. In diesem Forschungsbereich konzentrieren wir uns auf einen Schlüsselaspekt der nachhaltigen Entwicklung im Klimawandel: die Wechselwirkungen zwischen dem Kohlenstoffkreislauf, dem Klima, der Gesellschaft und dem System Erde.
Kernforschungsfragen
- Wie kann die künstliche Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre nachhaltige Veränderungen unterstützen? Wie kann sie Entwicklungsziele behindern?
- Wie genau können Erdsystemmodelle die Reaktion der Vegetation auf Klima- und Kohlendioxidveränderungen erfassen und wie können wir deren Beschreibung im System der Biosphäre verbessern?
- Wie wirken sich Klimawandel und Klimaschwankungen auf Gesellschaften und Volkswirtschaften aus?
- Könnten neue Pflanzenartenkombinationen dazu beitragen, die CO2-Bindung aus der Atmosphäre zu erhöhen?
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Klimavariabilität und Extreme
Statistiken und Mechanismen der Klimavariabilität und ihre Auswirkungen auf Extreme und Projektionen
Die Untersuchung der Ursachen und der Struktur der Klimavariabilität über räumliche und zeitliche Skalen hinweg ist eine Hauptaufgabe der SPACY-Gruppe und der Schwerpunkt des Teams Variabilität und Extreme.
Wir untersuchen:
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die Zuverlässigkeit von Schätzungen der Klimavariabilität aus Paläoklimaarchiven und Beobachtungen über Zeitskalen von Jahren bis zu mehreren tausend Jahren
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die Ursachen der Klimavariabilität und ihre Abhängigkeit vom mittleren Klimazustand
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die Fähigkeit von Klimamodellen, die lokale bis globale Klimavariabilität in der Vergangenheit und Zukunft zuverlässig zu simulieren
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die Rolle der Klimaschwankungen bei Zukunftsprojektionen, einschließlich der Auswirkungen auf Extremereignisse
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Klimamodellierung
Modellentwicklung und -bewertung, Aufbau und Durchführung von Simulationen, Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens in der Klimawissenschaft
Klimamodelle bilden die Komponenten und Mechanismen des Klimasystems numerisch ab. Sie beruhen auf physikalischen Prinzipien und Näherungen für schwer auflösbare Prozessketten ("Parametrisierungen"). Als solche stellen sie ein Laboratorium dar, in dem das Klima zu allen Zeiten der Erdgeschichte und der Zukunft untersucht werden kann.
Wir setzen Modelle unterschiedlicher Komplexität ein, um das Klimasystem auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen zu analysieren. Unsere Modellentwicklung konzentriert sich auf die Einbeziehung neuer Prozesse oder die detailliertere Modellierung von Prozessen, insbesondere für die Simulation von Landnutzung und Isotopen. Diese Entwicklungen helfen uns, die Qualität der Simulationen zu verbessern, da sie Prozesse implementieren, die für Zukunftsprojektionen entscheidend sind (Landnutzung, Kohlendioxidabbau), und weil sie eine direkte Möglichkeit bieten, Simulationen der Klimavergangenheit mit früheren Klimadaten zu vergleichen. Wir führen Experimente durch, die Bedingungen zu verschiedenen Zeiten in der Erdgeschichte und in der Zukunft simulieren, sowie idealisierte Experimente, die das Verständnis des Erdsystems fördern sollen.
Die Vielfalt der Themen, die mit Modellen erforscht werden können, ist immens. Als solche tragen sie zu allen anderen Forschungsbereichen unserer Gruppe bei.
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Isotope
Mit dem Ziel, das Paläoklima, die atmosphärische Dynamik und geochemische Prozesse in Höhlen zu verstehen, untersuchen wir Sauerstoffisotope in Niederschlägen, Höhlentropfwasser und Speläothemen sowie Multiproxies in Sedimenten und Sekundärkarbonaten.
Wasserisotopologe, d. h. das Verhältnis zwischen dem häufigeren H216O und dem schwereren H218O, sind ein wichtiger Indikator für den Wasserkreislauf. Diese Verhältnisse ändern sich bei Phasenwechseln entlang des Feuchtigkeitspfades von Wasserpaketen und können wichtige Informationen über die Dynamik des Klimasystems liefern. Ein Forschungsschwerpunkt der SPACY-Gruppe ist die Entschlüsselung der vielfältigen Einflüsse auf diese Verhältnisse aus Klimaarchiven wie Speläothemen, Eisbohrkernen, Schelfeis und Holz, aber auch aus der Niederschlags- und Tropfwasserüberwachung.
Forschungsschwerpunkts:
- Rekonstruktionen des Paläoklimas und der Paläoumwelt auf der Grundlage von Speläothemen und anderen Höhlenmaterialien
- Untersuchung der atmosphärischen Dynamik und der Spuren von (extremen) Wetterereignissen durch Untersuchung der Isotopenzusammensetzung im Niederschlag
- Überwachung des Mikroklimas und der geochemischen Bedingungen in der Höhle und ihrer Umgebung
- Auswirkungen des Klimas auf die Isotopenzusammensetzung des Regenwassers von Tübingen und anderen Standorten in Süddeutschland
- Erforschung weltweiter Isotopendaten in Datenbanken (SISAL, Iso2k, etc.) und Vergleich mit Klimamodellen
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Beteiligung an Forschungsprojekten
Abschlussarbeiten in der SPACY-Arbeitsgruppe
Sie haben sich für einen unserer Forschungsbereiche begeistert und möchten zur Arbeit unserer Gruppe zu nachhaltigen Zukunftspfaden und Klimavariabilität (SPACY) beitragen? Das ist großartig, wir freuen uns, Projektideen mit Ihnen zu diskutieren! Kontaktieren Sie uns (Prof. Kira Rehfeld und die SPACY-Gruppe). Bitte fügen Sie ein kurzes Statement zu dem/den Thema(n)/Forschungsbereich(en) bei, an dem/denen Sie interessiert sind, Ihr(e) Studienfach(-fächer) und den groben Zeitplan, den Sie sich vorstellen. Sie können auch einen Lebenslauf oder weitere Unterlagen beifügen, dies ist aber keineswegs Voraussetzung.
Einige unserer Projektideen beinhalten viel Modellierung/Programmierung, während andere eher auf Laborarbeit ausgerichtet sind. Eine gute Vorbereitung hierzu bieten beispielsweise Kurse zur Klimadynamik, Zeitreihenanalyse oder Programmierung (siehe das Kursangebot der SPACY-Gruppe hier). In jedem Fall können Sie sich aber auch dann an uns wenden, wenn Sie Fähigkeiten entwickeln wollen, die Sie noch nicht haben - in der Forschung geht es ja schließlich darum, neue spannende Dinge und Fähigkeiten zu lernen. Wir sind sehr daran interessiert, ein Thema zu finden, das Sie sehr interessiert, das Ihnen ein gutes Lernpotenzial bietet und das gut zu Ihren Fähigkeiten passt.
Von Zeit zu Zeit haben Sie auch die Möglichkeit unsere Forschung und Möglichkeiten für Abschlussarbeiten im Rahmen einer Infoveranstaltung kennenzulernen. Ob ein solches Event in nächster Zeit stattfindet erfahren Sie hier. Egal ob wir gerade eine Infoveranstaltung anbieten oder nicht, können Sie und aber auch gerne wie oben beschrieben kontaktieren.