Die Stiftung Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung

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1 Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung Die Stiftung Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) pflegt an ihren Standorten Bremerhaven, Potsdam, Helgoland und List auf Sylt eine umfassende Kooperation mit den jeweils benachbarten Universitäten. Die Professoren des Fachbereichs Klimasystem des AWI sind mit ihrer Forschung und Lehre dem Fachbereich Physik/Elektrotechnik der Universität Bremen verbunden. Der Fachbereich Klimasystem Der Fachbereich Klimasystem ist einer von vier Fachbereichen am AWI. Er hat eine starke physikalische Ausrichtung mit umfangreichen beobachtenden, modellierenden und theoretischen Forschungsprogrammen, deren Aufgabe in der Erkundung von physikalischen und chemischen Vorgängen im System Atmosphäre-Kryosphäre-Hydrosphäre liegt, die an der Gestaltung des Erdklimas maßgeblich mitwirken. Das Ziel ist, Klimaszenarien und -vorhersagen zu erstellen. Im Fachbereich arbeiten ca. 100 Wissenschaftler. Als größere Forschungsgeräte stehen zur Verfügung der Forschungseisbrecher Polarstern, zwei Forschungsflugzeuge, Messstationen in der Antarktis (auf dem Schelfeis des Weddellmeers) und Arktis (Spitzbergen) mit meteorologischen und luftchemischen Observatorien, sowie ein umfangreiches Rechnernetz mit mehreren Großrechnern. Das AWI ist Mitglied des DKRZ (Deutsches Klimarechenzentrum) in Hamburg. Forschungsprojekte Grundlegende Forschungsschwerpunkte liegen zur Zeit in der Erkundung und Modellierung der ozeanischen Zirkulationssysteme im Nordpolarmeer und im Südlichen Ozean, im Einfluss von Wolken und Meereis auf den Energieaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre, in den Ursachen der natürlichen Klimavariabilität im dekadischen Periodenbereich, in der langfristigen Variabilität der globalen thermohalinen Zirkulation, in der Klimawirkung von Aerosolen, Ozon und anderen Spurenstoffen in der Atmosphäre, in der Modellierung der atmosphärischen Zirkulation über den polaren Regionen und generell in der Rolle der Polargebiete im Klimasystem. Methodisch arbeiten die Wissenschaftler mit einer Vielzahl von Messsystemen zur Erkundung der vielen wichtigen Einzelprozesse im polaren Klimageschehen, aber auch mit Langzeitmessungen, um Klimavariationen zu dokumentieren und für das Systemverständnis zu nutzen. Es werden Modelle unterschiedlicher Komplexität betrieben, um einzelne Prozesse im System isoliert zu studieren und das Gesamtsystem zu simulieren und eine Synthese von Daten und theoretischen Konzepten zu bewerkstelligen. Die aufwendigsten Modelle sind zur Zeit gekoppelte Modelle von Ozeanzirkulation, Meereisbildung und -bewegung und der Atmosphäre über den Polarkappen. 32

2 Polarstern schwimmendes Großlabor Das wichtigste Werkzeug der deutschen Polarforschung ist das Forschungs- und Versorgungsschiff Polarstern. Seit ihrer Indienststellung, 1982, hat die Polarstern 32 Expeditionen in Arktis und Antarktis abgeschlossen. Sie wurde eigens für die Arbeit in den Polarmeeren konzipiert und ist gegenwärtig das leistungsfähigste Polarforschungsschiff der Welt. An nahezu 320 Tagen im Jahr ist die Polarstern auf See. Gewöhnlich bereist sie zwischen November und März die Antarktis und im Nordsommer die arktischen Gewässer. Die Neumayer-Station steht auf 200 Meter dickem, nahezu ebenem Schelfeis und ist vollständig mit Schnee bedeckt. Aus der Ferne sind lediglich die Treppentürme zu erkennen, die den Schnee um wenige Meter überragen. Die Schelfeiskante, an der die Versorgungsschiffe anlegen, liegt zehn Kilometer entfernt. Die Station besteht aus zwei rund 90 Meter langen parallelen Stahlröhren von acht Metern Durchmesser. Darin sind Container mit Wohnräumen, Küche, Messe und Hospital sowie verschiedene Labore, Werkstatt, Funkraum, Sanitärräume, zwei Energiezentralen und eine Schneeschmelze untergebracht. Eine ebensolange Querröhre beherbergt Vorrats-, Abfall- und Tankcontainer und bietet Stellplätze für Fahrzeuge. Ein Tunnel verbindet die Station mit einer weiteren Halle, die vom Motorschlitten bis zur Schneefräse alle Fahrzeuge der Station aufnehmen kann. Verborgen in Eis und Schnee die Neumayer- Station in der Antarktis Im antarktischen Winter leben und arbeiten neun, maximal zehn Personen in der Station: ein Arzt, der auch Stationsleiter ist, zwei Meteorologen, zwei Geophysiker, ein Ingenieur, ein Elektriker, ein Funker/Elektroniker und ein Koch. Die Überwinterer bleiben 14 bis 15 Monate. Über neun Monate sind sie nur über Funk mit der Außenwelt verbunden. Kontakt Leiter des Fachbereichs Klimasystem am AWI: Prof. Dr. D. Olbers Sekretariat C. Schwake Telefon +49 (0) Homepage 33

3 Peter Lemke Physik von Ozean und Atmosphäre Studium der Physik und Mathematik in Berlin und Hamburg; Promotion 1980, Habilitation 1987, in Hamburg Forschungstätigkeit Max-Planck-Insitut für Meteorologie, Hamburg; Gastwissenschaftler Princeton University, USA; Universität Bremen und Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven; Institut für Meereskunde, Kiel; seit Februar 2001 Universität Bremen und Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven Wissenschaftliche Interessen Klimaphysik, Prozessuntersuchungen in Polargebieten, Klimamodellierung, Meereismodellierung, Wechselwirkung zwischen Atmosphäre, Meereis und Ozean Liebhabereien Literatur, Bergwandern, Rad fahren Meereis im Klimasystem Veränderungen der Packeisgrenze gehören zu den bedeutendsten Merkmalen von Klimaschwankungen in den Polargebieten. Diese Veränderungen zu verstehen und damit auch vorherzusagen ist nicht nur von Interesse für Fragen des regionalen und globalen Klimas, sondern hat auch große praktische Bedeutung, da die Polargebiete in zunehmendem Maße wirtschaftlich genutzt werden. Auf der geophysikalischen Skala ist Meereis eine dünne, durchbrochene Schicht auf den polaren Ozeanen, die von Wind und Meeresströmungen bewegt und von thermodynamischen Prozessen in ihrer Dicke und Ausdehnung verändert wird. Meereis bildet die Grenze zwischen den beiden viel größeren geophysikalischen Fluiden, der Atmosphäre und dem Ozean, und beeinflusst daher ihre Wechselwirkung in erheblichem Maße. Meereis bedeckt im März 5 % und im September 8 % der Ozeanoberfläche. Im Arktischen Ozean ist es im Mittel 3 m und im Südlichen Ozean 1 m dick. Mit der globalen Erwärmung sind auch die Befürchtungen einer schwindenden Meereisdecke gewachsen. In der Tat zeigen Vergleiche von Beobachtungen in einigen Gebieten der Arktis einen drastischen Rückgang der Meereisdicke in den letzten 30 Jahren. Ob dieser Trend für die gesamte Arktis charakteristisch ist, kann gegenwärtig nicht gesagt werden. Optimierte numerische Meereismodelle, angetrieben mit beobachteten Lufttemperaturen und Windfeldern, zeigen für die letzten 50 Jahre keinen signifikanten Trend, aber stark ausgeprägte dekadische Schwankungen. Diese starke Variabilität zeigt sich sowohl im gesamten Meereisvolumen der Arktis (Abbildung 1), als auch im Meereisexport durch die Framstraße (Abbildung 3). Eisvolumen [10 3 km 3 ] Zeit [Jahr] Abb. 1 Zeitserie der Jahresmittel des modellierten Meereisvolumens in der Arktis 34

4 180 o W 150 o E 120 o E o W 50 o N 60 o N 70 o N 120 o W 060 o E 090 o W 030 o E Untersuchungen der Variabilität des Meereises, insbesondere der Drift (Abbildung 2) und der Dicke sind zur Zeit Gegenstand der internationalen Klimaforschung ( Beobachtungen der Meereisausdehnung und der -drift sind seit den 70er Jahren durch Satelliten- und Bojenprogramme vorhanden. Daten der Meereisdicke stehen nur in geringem Umfang zur Verfügung. Daher ist es geplant, 2004 einen speziell dafür ausgerüsteten Satelliten durch die ESA zu starten. Parallel dazu werden in-situ Messungen und Modelluntersuchungen durchgeführt. 10 cm/s Abb. 2 Mittlere simulierte Felder der Nettogefrierrate (farbig unterlegt) und der Meereisdrift (Pfeile) Export [Sverdrup] Zeit [Jahr] Abb. 3 Zeitserie des simulierten Meereisexports durch die Framstraße. Beobachtungen sind durch Punkte gekennzeichnet Export [10 3 km 3 /Jahr] 35

5 Dirk Olbers Theoretische Physik des Ozeans und der Atmosphäre Studium der Physik und Mathematik in Hamburg; Promotion 1973; Habilitation 1981 in Hamburg Forschungstätigkeit Institut für Geophysik, Universität Hamburg; Institut für Meereskunde an der Universität Kiel; MPI für Meteorologie in Hamburg; seit 1985 Universität Bremen und Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven Wissenschaftliche Interessen Datenorientierte Modellierung, Inversmodelle, Ozeanische Zirkulation, Theorie und numerische Modellierung, Klimaphysik Liebhabereien Literatur, Musik (Gitarre) Familie verheiratet, zwei Töchter Homepage Der antarktische Zirkumpolarstrom Unser theoretisches Verständnis der ozeanischen Zirkulation bezieht sich größtenteils auf die großskaligen, windgetriebenen Strömungen in den ozeanischen Becken, die nur unwesentlich durch die Tiefseetopographie und mesoskalige Wirbelvariabilität bestimmt werden. Der Antarktische Zirkumpolarstrom (ACC) stellt daher in vielfacher Hinsicht eine Ausnahme und theoretische Herausforderung dar: der ACC ist das einzige Stromsystem, das unbeeinflusst von kontinentalen Barrieren in fast zonaler Richtung die ganze Erde umfließt. Überdies ist er mit km der längste und mit einem Volumentransport von m 3 /s der intensivste Strom im Weltozean. Ein weiteres wichtiges Merkmal des ACC ist die extrem hohe räumliche und zeitliche Variabilität des gesamten Stromsystems im turbulenten Mesoskalenbereich (10 km bis 100 km). Diese hat gemäß der wenigen aus Messungen abgeleiteten Abschätzungen ihren Niederschlag in der dynamischen Balance des ACC und auch im polwärtigen Wärmetransport. Mit seiner zonalen Periodizität ist der ACC das einzige ozeanische Stromsystem, das eine begrenzte Ähnlichkeit mit atmosphärischen Strömungen aufweist. Eine der grundlegenden Fragestellungen ist das Verständnis der dynamischen Balance. In der theoretischen Ozeanographie war die Balance des ACC in der Tat lange Zeit ein Mysterium. Neuere Untersuchungen haben insbesondere ergeben, dass die Kräftebilanz des ACC nur geschlossen werden kann, wenn der Impulsfluss durch mesoskalige Wirbel und die Druckaufnahme der Strömungen an der Tiefseetopographie berücksichtigt werden. Der durch den ostwärtigen Wind in den Ozean eingebrachte ostwärtige Impuls wird durch die Wirbelaktivität vorzugsweise in die tiefen Schichten transportiert und dort dem System entzogen, indem die Strömung im tiefen Ozean zonale Druckkräfte erzeugt, die den Impuls auf die Topographie übertragen. Der Wind treibt im Gürtel des ACC somit indirekt die Rotation der Erde an. Laterale Impulstransporte sind unbedeutend. Die mesoskaligen Wirbel entstehen durch die barokline Instabilität der mittleren ost-wärtigen Zonalströmung. 36

6 Stiftung Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung POP; Sea surface height latitude Temperature at 10 m level longitude Abb. 1 Simulation mit einem wirbelauflösenden Ozeanmodell. Gezeigt ist die Auslenkung der Ozeanoberfläche (Abstand der Konturlinien 10 cm) als zeitliches Mittel über fünf Jahre. Der ACC ist mit dem starken Abfall der Isolinien im Übergang von blauen zu roten Konturen verbunden Abb. 2 Die Temperaturen in 10 m Tiefe im Südpolarmeer (Grad Celsius) 37