Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Forschung zur Physik der Atmosphäre - Rückblick und Ausblick 1. Warum Forschung zur Physik der Atmosphäre?

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Forschung zur Physik der Atmosphäre - Rückblick und Ausblick

1. Warum Forschung zur Physik der Atmosphäre?

2. Wie ist die Forschung im Institut organisiert?

3. Was sind die wichtigsten Themen? - Einige Ergebnisse, offene Fragen und Zukunft

4. Welche Drittmittel stehen zur Verfügung?

Herzlich Willkommen zur Einweihung von Seminarraum und Foyer!

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Warum Forschung zur Physik der Atmosphäre?

•Physik und Chemie der Troposphäre und Stratosphäre sind interessant, komplex und wichtig!•Luftfahrt hängt vom Wetter ab und beeinflußt Atmosphäre! •Raumfahrt und Fernerkundung sind Hilfsmittel für Meteorologie und Klimaforschung!•Industrie, Politik und Gesellschaft brauchen Informationen über Wetter, Klima, Umwelt und globalen Wandel!

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Beispiel für Fragestellung: Abweichung der Lufttemperatur in Deutschland vom Mittel 1961-1990, warum und welche Konsequenz?

Balken: Jahreswerte, durchgezogene Linie: 20-jähriges Mittel, farbige Flächen: 2 -Bereich. Quelle: J. Rapp, Deutscher Wetterdienst, Klimastatusbericht 1998.

Natürlich oder anthro-pogen?Zukunft?Auswir-kungen?

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Beispiel für Komplexität: Strahlungsantrieb infolge von Störungen des Klimasystems

Quelle: IPCC (1996) und „Schadstoffe in der Luftfahrt, 1997“

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Nutzbare Raumfahrtsysteme von NOAA, NASA, EUMETSAT, ESANOAA: AVHRR, TOVS

DMSP (OTD, SSM/I) NASA: TOMS, SAGE, HALOEEUMETSAT:

METEOSAT bis 2003 MSG: ab 2001METOP: ab 2003

ESA:ERS-2 (GOME)ENVISAT: 2001-2005

ESA-Explorer Missions (1. GOCE, 2. ADM;

ERM, LSM) ESA-Opportunity Missions

(GeoSCIA?)

Institut, mit DFD, OE/MF, HF:Wissenschaftliche Nutzung Algorithmen (APOLLO, Wolkenklimatologie, UV-B, Kondensstreifen, Radar, Lidar, Strahlungstransport, u.a.)Beitrag zur Atmosphären- Dynamik Mission (ADM)Daten-ValidierungVertretung der Nutzerinteressen


Wie ist die Forschung organisiert?Abteilung Fachgebiet Instrumente

Dynamik derAtmosphäre(Priv. Doz. Dr. R. Sausen)22 Mitarbeiter

Globales Klima und ChemieMesoskalige DynamikRegionales Klima, LärmDatenverarbeitung im Institut

Globales KlimamodellECHAM/CHEM,Mesoskalige Modelle,Lärmausbreitungsmodell, DV

AtmosphärischeSpurenstoffe(Dr. H. Schlager)16 M.

Spurengase und AerosoleMeßtechnik: O3, NOx, NOy,CO2, T, Wind, H2O, Ruß,Partikel, Modellierung

Falcon u. a. Meßflugzeuge,In-situ-Meßmethoden,Aerosol- und Chemiemodelle,Labor- und Kalibriersysteme

Fernerkundung derAtmosphäre(Dr. P. Wendling)13 M.

StrahlungstransportFernerkundung mit SatellitenZirren und KondensstreifenUltraviolette Strahlung (UV-B)

Strahlungstransport-Codes,Algorithmen zu Satelliten-daten, APOLLO zur Analysevon Wolkenparam. und UV-B

Wolkenphysik undVerkehrsmeteorologie(Dr. P. Meischner)20 M.

Dynamik, Mikrophysik,Radarmethoden, VereisungTurbulenz, WirbelschleppeMesoskalige Analysen

Doppler-Polarisations-RadarPOLDIRAD, Meßflugzeuge,Wolkenmodelle, Large-Eddy-Simulationen, Diagnostik

LIDAR(Dr. G. Ehret)26 M.

Flugtaugliche Lidarmethodenzur Wind- undSpurenstoffmessung

Doppler-Systeme (Wind)Direkte Systeme (Aerosole, O3,H2O), Optische Oszillatoren


Was sind die wichtigsten Forschungsthemen?

In den DLR-Programmen zu Raumfahrt (R), Luftfahrt (L) und Verkehr (V):

1) R: Ozon und Wasserdampf in der Stratosphäre

2) L: Spurenstoffe in Troposphäre und unterer Stratosphäre

3) R+L: Partikel-Zirren-Wechselwirkung 4) R: Regionale Meteorologie und

Klimaänderungen 5) R: Lidarmethoden6) L Wirbelschleppe (Projekt)7) L: Lärm8) V: Verkehr und Klima


1) Ozon und Wasserdampf in Stratosphäre

Wie groß sind die Veränderungen von Ozon und Wasserdampf und damit von UV und Klima?

WMO/UNEP: Andauernder Ozonverlust in Antarktis, Arktis und mittleren Breiten. Zudem: Zunahme von Wasserdampf in Stratosphäre beobachtet. Quelle: DWD

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Ozonsäulen als Funktion von Breite und Zeit, Modellüberprüfung mit

Satelliten-DatenGOME

ECHAM 3/CHEMohne Rück-wirkung der Treibhausgase über Strahlung auf Dynamik

ECHAM4/CHEM,mit Rückwirkung


ENVISAT: Größter Umwelt-Forschungssatellit

Messung der Dynamik und Zusammensetzung der Atmosphäre mit:

MIPASSCIAMACHY GOMOS

AATSRMERISMWR

Voraussichtliche Meßzeit:2001 - 2005


2) Spurenstoffe in Troposphäre und unterer Stratosphäre

Offen (IPCC): Stickoxide aus Luftverkehr im Vergleich zu Blitzen und Bodenquellen?

Treibhausef-fekte von Ozon und Methan?

Heterogene Chemie an Cirren?

NOx,O3 OH , CO

CO OH CH4


POLINAT: Pollution in the North Atlantic Flight Corridor

Einige POLINAT / SONEX-Ergebnisse:Messung und Modellierung der Spurenstoffverteilung über Nordatlantik Stickoxid-Maximum an Tropopause und S-N-GradientEmissions-Indizes von Großraumflugzeugen bestimmtBeitrag des Luftverkehrs zur Stickoxidbelastung von 50 -100 pptv regional nachweisbar Hohe EisübersättigungSiehe Sonderhefte GRL/JGR

SONE X

NOXAR

POLINAT

<32°N

>57°N


Stickoxide in 10 km Höhe, Vergleich:


Stickoxide aus Blitzen? LINOX und EULINOX

Bisheriges Ergebnis:Stickoxid-Quellen, Tg N/a------------------------------------------------

Europa Global------------------------------------------------Verbrennung fossiler Brennstoffe am Boden: 6 22

Blitze: 0.03 3

Luftfahrt 0.1 0.6------------------------------------------------Europa: Luftfahrt > BlitzeGlobal: Blitze > Luftfahrt


Herzlichen Glückwunsch zum DLR-Wissenschaftspreis!

JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, 103, 28,247-28,264, 1998

Transport and production of NOX in electrified thunderstorms: Surveys of previous studies and new observations at midlatitudes

H. Huntrieser, H. Schlager, C. Feigl, and H. HöllerAbstract. First airborne NOx (NO and NO2)

measurements in anvils of active thunderstorms in Europe.....


3) Partikel-Zirren-WechselwirkungSchadstoffe in der Luftfahrt:neben Stickoxiden und Kohlendioxid: Wie beeinflussen Partikel und Kondensstreifen Chemie und Klima?

•Gasförmige und partikelförmige Emissionen gemessen und modelliert.•Klimasensitivität mit ECHAM nachgewiesen.•regionaler Bedeckungsgrad global extrapoliert.•Kondensstreifenbildung ist abhängig von Triebwerk: siehe Video

V


IPCC: Strahlungsantrieb infolge Luftverkehr

Kondens-streifen klimatischeben so wichtigwie CO2 und NOx aus Luftverkehr

offen: Cirren-Änderung

Grad des Verstandnis

Szenario für 2050


Experimente zur Partikel-Zirren-Wechselwirkung

Wie groß ist der Einfluß von natürlichen und anthropogenen Aerosolen auf Zirren und deren Klimawirkung?

EU-INCA und HGF-PAZI :

Aerosol/Zirrus-Messungen auf 50°S und 50°N (Puenta Arenas und Shannon

und zugehörige Modellierung

Bisher keine insitu Messung in mittleren Breiten auf Südhemisphäre!

Quelle: Heymsfield, 1998


4) Regionale Meteorologie und Klimaänderungen

Was bestimmt den Niederschlag im Alpenraum und welche regionalen Auswirkungen haben globale Klimaänderungen?

Hintergrund: Mögliche Klimaänderung im Alpenraum (BAYFORKLIM):2070-2100: 3K wärmer, teils 20% weniger Niederschlag

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Regionale Wolkenbedeckung im Alpenraum

aus 5 Jahren Satellitendaten

Winter (DJF) und Sommer (JJA)Daten: NOAA AVHRR, Prozessierung: IPA+DFD

mit DLR/APOLLO, Basis für Trenderkennung und Modellvalidierung


MAP: Sept. - Nov. 99

DLR: WIND, DIAL, Dropsonden, Radar, Satellitendaten, Flugzeug-Insitu-Messung, Vorhersagen, Analysen Forschungsflugzeuge:• Falcon, C130, P3-Orion,

Electra, ARAT, Merlin

•WIND-Lidar Erprobung•H2O-DIAL-Validierung •Erforschung von Prozessen und Verbesserung der Wettervorhersage (Föhn, Schwerewellen, PV-Streamer, Starkregen)


MAP: Föhn und Schwerewellen, 8. 11. 1999

FalconDropsonde


5) LIDAR: Windfeld und SpurenstoffeDoppler-Lidar:Wie Messung mesoskaliger Windfelder? WINDWie Erkennung von Wirbelschleppe? MFLAMEWie messen von Windprofilen für 5- statt 4-tägiger Wettervor-hersage? ADM: Beitrag zu ESA-Phase B

Spurenstoff-Lidar (Aerosole, Wasserdampf, Ozon)Ozonforschung: u.a. OFP, EUROSOLVEDIAL: ENVISAT: MIPAS-, SCIAMACHY-Validierung


6) WirbelschleppeWirbelschleppe hinter Großraumflugzeugen (A3XX, B747, B757) bestimmt Landefrequenz, Sicherheit und Kapazität an Flughäfen.

•Beeinflussung der Lebensdauer von Wirbelschleppe? •Querwindvorhersage?•Wirbelschleppenwarnsystem,•Wirbelschleppenerkennung?

Wie kann man die Landefrequenz bei konstanter Sicherheit steigern?


Können Wirbellinien in konvektiver Grenzschicht aufsteigen?


Zerfallen Wirbellinien in turbulenter Scherschicht unterschiedlich?


7) LärmWie breitet sich Lärm in realer Atmosphäre aus? Grundlage zur Entwicklung von Maßnahmen zur Reduktion der Lärmbelastung im Umfeld von Flughäfen.

•Entwicklung 3-d Lärmausbreitungsmodell•Beantragung HGF-Projekt

“Leiser Flugverkehr”Konzeption eines vereinfachten Rechenmodelles

EmissionEmission

PerzeptionPerzeption

Transmission = Schallausbreitung in der Atmosphäre= Physik (in) der Atmosphäre

ImmissionImmission

TransmissionTransmission

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Welchen Einfluss hat Querwind auf

Schallausbreitungunter einer Anflug-/Abflugroute?

Wind300 m

100

0

0-2 km 0 2 km


8) Verkehr und KlimaWie groß sind die Umweltauswirkungen von Lärm und

Spurenstoffemissionen von verschiedenen Verkehrssystemen - regional und global?

Beispiel: Beitrag der KfZ: Rußemissionen 1993 (2.5 Mt C)

Industrie und Bodenverkehr (ohne Kfz):

39%

Kfz-Verkehr18 %

Biomasse-verbrennung

43 %


Welche Drittmittel-Projekte?„Kunde“ Themen Zahl ProjektleiterBMBF:OFP, AFS,Klima

OFP (4), Aerosole (3), Regionales Klima,Kondensstreifen, Heterogene Chemie

10 Dameris, Schlager, Renger, Petzold,Sausen, Kärcher, Heimann, Volkert,Meerkötter, Mannstein, Ziereis

EU: 4th FP HERA, Mercure, Raphael, Externe,Mauve, POLINAT 2, AEROCHEM,EULINOX, CHEMICON

9 Volkert, Heimann, Meischner,Schlager, Sausen, Höller,Graf,Meerkötter, Wendling,Schumann

UBA,DBU, DFG

Emissionen, Photometer, Niederschlag 2 Kärcher, Petzold, Meischner

BMW,Ford, DFS

Emissionen NOx, Ruß,Wirbelschleppenwarnsystem

Matthes, Köhler, Frech

EU: 5th FP METRIC, TRADEOFF, INCA, EUROSOLVE,UVAC, PARTEMIS, CWAKE, SWAKE,CRYOPLANE

9 Sausen (2), Busen, Flentje,Meerkötter, Petzold, Gerz,Holzäpfel, Ponater. In Verhandlung

HGF: Ver-netzung

ENVISAT: Validierung und Nutzung 3 Dameris, Schlager, Fix. InBegutachtung

BMBF AFO 2000, Atmosphärenforschung ? Anträge am 15.11. eingereichtHGF: Stra. PAZI: Partikel und Zirren 5 Antragstellung bis 15.12.99

21 laufend, > 17 beantragt, >13 PJ in 2000


Forschung zur Physik der Atmosphäre - Rückblick und Ausblick

Rückblick: viele wichtige Ergebnisse

Ausblick: Viele interessante Fragen und Projekte, für die das Institut kompetent ist

Das erneuerte Institutsgebäude: Basis für langfristig erfolgreiche Forschung Danke!

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