Mit MESSy dem Klima auf der Spur

19. Dezember 2018

Er will wissen, was in der Atmosphäre vorgeht: Prof. Dr. Holger Tost nutzt Computersimulationen, um zu erforschen, welche Prozesse Klima und Wetter beeinflussen. 2016 wurde er auf die Carl-Zeiss-Stiftungsprofessur "Umweltmodellierung im Klimasystem" an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) berufen.
 

Die Feinstaubbelastung in den Städten ist momentan ein großes Thema, die Medien berichten beinahe täglich darüber – und auch Prof. Dr. Holger Tosts Arbeitsgruppe am Institut für Physik der Atmosphäre der JGU beschäftigt sich damit. "Gerade läuft ein Projekt zur Luftqualität, bei dem wir mit dem Landesumweltamt zusammenarbeiten", erzählt der Meteorologe. "Wir wollen verstehen, welche Prozesse in der Atmosphäre eine Rolle spielen, welche Faktoren wir beachten müssen."

Er greift ein einfaches, möglichst anschauliches Beispiel heraus: "Wenn wir uns mit Luftverschmutzung beschäftigen, müssen wir uns die atmosphärische Grenzschicht anschauen. Das ist die Luftschicht, die direkt über der Erde liegt." Hier findet der Vertikalaustausch zwischen der festen oder flüssigen Erdoberfläche und der Atmosphäre statt, hier wirbeln die Schadstoffe durch die Luft. "Diese Schicht ist in der Nacht nur einige Hundert Meter dick, am Tag aber dehnt sie sich auf etwa einen Kilometer aus. Das heißt, ihr Volumen ist nachts viel geringer, die Durchmischung findet auf viel kleinerem Raum statt. In der Nacht und besonders in den Morgenstunden ist die Luftqualität deswegen schlechter." Die Luft wird am Tag besser, weil die Grenzschicht dicker ist und Schadstoffe sich über einen größeren Raum verteilen können.

"Hinzu kommt, dass der Berufsverkehr ungünstig liegt. Die typische Rushhour haben wir morgens, wenn sich die Grenzschicht noch nicht ausgedehnt hat und die Durchmischung noch nicht so richtig in Gang gekommen ist, oder am Abend, wenn die Schicht gerade wieder schrumpft. Das bedeutet: starke Emissionen bei relativ geringem Volumen."

1.195.000 Euro von Carl-Zeiss-Stiftung

Tost nutzt Computersimulationen, um die Auswirkungen solcher und anderer Phänomene zu ergründen. Während seiner Ausführungen ruft er immer wieder passende Grafiken auf, um das Gesagte zu veranschaulichen. "Ich beschäftige mich mit Umweltmodellierung, das heißt 99,9 Prozent meiner Arbeit finden am PC statt", sagt er und deutet auf die beiden Bildschirme, die vor ihm auf dem Schreibtisch stehen. So wird es weitergehen. Der Computer bleibt ständig im Einsatz.

2016 bewilligte die Carl-Zeiss-Stiftung die Stiftungsprofessur zur "Umweltmodellierung im Klimasystem" an der JGU. Für fünf Jahre stellte sie 1.195.000 Euro zur Verfügung. "In die Antragstellung war ich stark involviert", erzählt Tost. "Da ich damals bereits Juniorprofessor hier am Institut war, konnte ich viele meiner Vorstellungen einbringen." Klimaforschung beschränkt sich längst nicht mehr auf die Meteorologie. Verschiedenste Fächer wie Informatik, Chemie oder Biologie spielen mit hinein. "Man ist deutlich interdisziplinärer geworden." Das sollte sich in der Professur spiegeln. Daneben sollte die Kooperation mit anderen Forschungsinstituten eine wesentliche Rolle spielen.

"Für mich persönlich war es ein Riesenerfolg, dass ich die Professur bekam", meint Tost. Sie biete nicht nur finanziell hervorragende Möglichkeiten. "Wir können Themen aus verschiedensten Gebieten bündeln, um die komplexen Klimaprozesse zu untersuchen. Das ist nur durch den besonderen Charakter der Stiftungsprofessur möglich."

Tost und sein vierköpfiges Team arbeiten mit mehreren Computermodellen, doch im Zentrum steht das Modular Earth Submodel System (MESSy), das sie in einem Konsortium aus 19 Partnern ständig weiterentwickeln. "Bei MESSy sind alle großen Forschungsinstitute, die sich mit Klima oder Wetter beschäftigen, mit im Boot. Das Klimasystem wird nirgends sonst in Deutschland in dieser Komplexität untersucht. Eine Universität allein könnte das unmöglich leisten."

Feinstaub als Kühlmittel

Verschiedenste Fragestellungen stehen auf der Agenda. "Einer meiner Doktoranden simulierte die Erde vor rund 260 Millionen Jahren, zur Zeit des Megakontinents Pangea." Tost zieht die umfangreiche Dissertation aus dem Regal und blättert kurz: Eine Karte zeigt die Klimazonen der Welt, wie sie der Computer berechnete, eine andere die Klimaverhältnisse, die aufgrund fossiler Funde vermutet werden. Beide decken sich erstaunlich präzise.

"In einer neuen Kooperation arbeiten wir mit dem Senckenberg Forschungsinstitut zusammen. Dort wurde ein dynamisches Vegetationsmodell entwickelt, das sich damit beschäftigt, wie sich Pflanzen etablieren, wie sie sich entwickeln und welche Stoffe sie in die Atmosphäre abgeben. Von solchen Vorgängen hatte ich vorher kaum eine Ahnung, aber nun wollen wir das Modell mit MESSy kombinieren."

Tost streift viele Gebiete, auch den rasanten Anstieg des Kohlendioxid-Gehalts in der Atmosphäre erwähnt er – und zaubert eine Grafik dazu auf den Bildschirm: Von 1960 bis 2010 hat sich die CO-2-Konzentration um rund 40 Prozent erhöht. Kohlendioxid heizt als Treibhausgas die Erde auf, und für einen Großteil der erhöhten Emission ist der Mensch verantwortlich.

"Es gibt aber auch Faktoren, die entgegengesetzt wirken. Aerosole zum Beispiel sorgen für eine Abkühlung." Aerosole sind all jene winzigen Partikel, die in der Erdatmosphäre schweben, ob vom Menschen erzeugt oder nicht. Dazu gehört auch der viel diskutierte Feinstaub. "Wenn wir morgen sagen würden, wir wollen alle anthropogenen Aerosole ausschalten, dann hätten wir zwar die Luftqualität verbessert, aber die Klimaerwärmung würde noch drastischer ausfallen."

Aerosole geben Rätsel auf

Wie stark der kühlende Effekt der Aerosole zu Buche schlägt, weiß allerdings im Moment niemand so genau. Auch sonst bleibt noch viel unklar auf diesem Gebiet: Etwa wie Wolken und Aerosole im Wechselspiel wirken. "Das ist ein wichtiges Forschungsgebiet für uns, aber hier sind wir noch ganz am Anfang: In Süddeutschland wird in den letzten Jahren richtig viel Geld ausgegeben, um Wolken zur Hagelabwehr mit Partikeln zu impfen. Dabei wissen wir gar nicht, ob eine bestimmte Wolke ohne Impfung tatsächlich Hagel gebracht hätte, dafür kennen wir sie einfach nicht genau genug."

Aerosole sind ein ungeheuer komplexes Thema: "Es handelt sich um Millionen von verschiedenen Molekülen unterschiedlichster Herkunft. Viele können wir unterscheiden: Was die Bäume nebenan im Botanischen Garten ausspucken, sieht völlig anders aus als das, was aus dem Auspuff meines Autos kommt. Aber nach welchen Gesichtspunkten will ich die Partikel für mein Computermodell separieren: nach Größe, nach Herkunft, nach Wirkungsweise?"

In drei Jahren läuft die Unterstützung durch die Carl-Zeiss-Stiftung aus, doch Tost ist nicht bange um die Zukunft seiner Arbeitsgruppe: "Wir sind so breit aufgestellt, dass sich viele für uns interessieren", sagt er. Gerade ist der Meteorologe dabei, einen Antrag für einen Sonderforschungsbereich (SFB) zur Verbesserung von Wettervorhersagen zu stellen. "Außerdem beteiligen wir uns an verschiedenen Forschungsverbundanträgen wie etwa zum Thema der Zusammensetzung und Dynamik der oberen Troposphäre oder zu Fragestellungen um das Paläoklima." Die Arbeit wird ihm so bald nicht ausgehen, Klima und Wetter geben noch genug Rätsel auf.