Forschungsthemen und Projekte

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.

Forschungsprojekte

State and timescale-dependency of surface climate variability from the last Glacial to present day (STACY)

Palaeoclimate modeling: From the last Interglacial to the Anthropocene (PalMod), Phase III

Negative Emission Technologies based on Photoelectrochemical Methods

NFDI4Earth Pilot "Propagating complex uncertainties in data cubes"

#ZukunftslaborErde

Abgeschlossene Projekte

Resilienz³
Palaeoclimate modeling: From the last Interglacial to the Anthropocene (PalMod), Phase II
Constraining the Climatic Signal Archived in Water Isotopes in Antarctic Ice Cores (CLIMAIC)

Forschungsbereiche

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?

Weitere Informationen über unsere Arbeit & Ideen für Abschlussarbeiten

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:

die Zuverlässigkeit von Schätzungen der Klimavariabilität aus Paläoklimaarchiven und Beobachtungen über Zeitskalen von Jahren bis zu mehreren tausend Jahren
die Ursachen der Klimavariabilität und ihre Abhängigkeit vom mittleren Klimazustand
die Fähigkeit von Klimamodellen, die lokale bis globale Klimavariabilität in der Vergangenheit und Zukunft zuverlässig zu simulieren
die Rolle der Klimaschwankungen bei Zukunftsprojektionen, einschließlich der Auswirkungen auf Extremereignisse

Weitere Informationen über unsere Arbeit und Ideen für Abschlussarbeiten

Die linke Seite der Abbildung zeigt die wichtigsten Komponenten (Hydrosphäre, Atmosphäre, Biosphäre, Litosphäre und Kryosphäre) des Klimasystems der Erde sowie externe Antriebe (vulkanische Aersole, Sonneneinstrahlung, Treibhausgase und orbitale Antriebe). Die rechte Seite hebt einige charakteristische Zeitskalen von systemeigenen Prozessen (orange) und externen Antrieben (blau) hervor. Die Abbildung verwendet hierfür Werte von Publikationen des PALAEOSENS Project Members, 2012; Peixoto & Oort, 1992 und Rohling et al., 2018, sowie Icons von flaticon.com.

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.

Weitere Informationen über unsere Arbeit und Ideen für Abschlussarbeiten

Diese Abbildung zeigt eine Weltkugel mit einem Maschengitter. Daraus ist ein Dreieck mit Gitterzellen in verschiedenen Farben, d.h. grün, blau, braun und weiß, ausgeschnitten. Ein Zoom zeigt eine der Zellen als rechteckigen Kasten, der Elemente, Treiber und Prozesse des Klimasystems enthält. Eine Sonne beleuchtet den Kasten von oben und ist mit dem Text "Sonnenstrahlung" gekennzeichnet, einer der Treiber des Klimas. In dem Kasten befindet sich die Atmosphäre über einer großen Wasserfläche, die als Hydrosphäre bezeichnet wird, und mit schwimmendem Eis, das als Kryosphäre bezeichnet wird. Der Ozean wird durch das Land der Lithosphäre begrenzt. Auf dem Land befinden sich Berge, darunter ein Vulkan, der vulkanische Aerosole ausstößt, Bäume als Teil der Biosphäre sowie vom Menschen geschaffene Strukturen, wie Fabriken, die Treibhausgase in Rauchwolken ausstoßen, und landwirtschaftliche Felder, die die Landnutzung symbolisieren. Die Aerosole und Treibhausgasemissionen sowie die veränderte Landnutzung sind die Triebkräfte des Klimawandels. In der Atmosphäre und im Ozean sind verschiedene Prozesse, die im Klimasystem aktiv sind, markiert: Wolken, Wind, Niederschlag (z. B. Regen), Meeresspiegel, Rückstrahlung von der Oberfläche, Meeresströmungen, Meereis, Verdunstung von Wasser, Verwitterung von Felsen und Bergen, der Kohlenstoffkreislauf und Abfluss aus Flüssen und Seen. Zusätzlicher Text: "Abbildung copyright Beatrice Ellerhoff"

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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Abschlussarbeiten in der SPACY-Arbeitsgruppe

Wenn Sie sich für unsere Forschung interessieren, würden wir uns freuen Projektideen mit Ihnen zu diskutieren. Schreiben Sie uns einfach eine E-Mail (an Prof. Kira Rehfeld und die SPACY-Gruppe) mit kurzem Lebenslauf, Informationen dazu, was Sie interessiert, Ihrem Studienverlauf und Ihren zeitlichen Vorstellungen. Bachelorarbeiten und Masterprojekte starten in der Regel um den 1. November oder den 1. Mai. Bitte bestätigen Sie Ihre Arbeit einen Monat vorher mit uns. Auch wenn es nicht zwingend erforderlich ist, freuen wir uns, wenn Sie uns bei der Kontaktaufnahme Ihren Lebenslauf oder andere Unterlagen schicken – so erhalten wir ein besseres Bild von Ihrem Studium und Ihren Interessen.

Einige unserer Abschlussarbeitsthemen erfordern viel Modellierung und Programmierung, während andere sich auf praktische Laborarbeit konzentrieren. Einige aktuelle Projekte finden Sie auf unseren Forschungsseiten. Gute Vorbereitung bieten zum Beispiel Kurse zur Klimadynamik, Zeitreihenanalyse oder Programmierung (das Kursangebot unserer Gruppe finden Sie hier). Zögern Sie auch nicht, uns zu kontaktieren, wenn Sie neue Fähigkeiten in Ihrer Abschlussarbeit entwickeln möchten, denn Forschung bedeutet auch Neues und Spannendes zu lernen. Wir freuen uns auf Menschen, die motiviert sind, in einem interdisziplinären Team aus Umweltwissenschaftler:innen, Geoökolog:innen, Meteorolog:innen, Geograph:innen, Physiker:innen und Informatiker:innen an der Forschung in den Erdsystemwissenschaften und darüber hinaus zu arbeiten und ein Projekt zu entwickeln, dass zu Ihren Interessen und Fähigkeiten passt.