Forschung im HLRN-Verbund 2011

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42Die Entwicklung der Atmosphäre der Erde vor 2.5 GigajahrenPlanetenentwicklung und LebenU. Langematz, M. Kunze, A. Hamann-Reinus,Institut für Meteorologie, Freie Universität BerlinKurzgefasst• Das Klima der frühen Erde während des Archaikumsvor 2.5 Milliarden Jahren vor heute wirdmodelliert.• Die Untersuchung des Paradoxons der schwachenjungen Sonne mit dem EMAC-FUB zeigt,dass flüssiges Wasser bei einer Erhöhung desCO 2 –Gehalts um das 10-fache möglich ist..Die Helmholtz Allianz ’Planetenentwicklung undLeben’ beschäftigt sich mit Fragestellungen, dieeinen weiten Bogen spannen von der Entstehungeines Planetensystems, über die Voraussetzungen,die vorhanden sein müssen um dieEntwicklung von Leben auf einem Planeten zuermöglichen, bis zu den Möglichkeiten des Lebenszur dauerhaften Bewohnbarkeit des Planetenbeizutragen. Die thematisch sehr weitgefächertenFragen werden mit einem interdisziplinären Ansatzuntersucht, bei dem Geologen, Biologen, Astronomenund Meteorologen zusammenarbeiten.In diesem Teilprojekt der HGF-Allianz wird mitnumerischen Simulationen die Entwicklung desKlimas der Erde während der Archaikums vor3–2.5 Milliarden Jahren (Ga) vor Heute untersucht.Zum Einsatz kommt dabei das globaleKlima-Chemie Modell EMAC-FUB (ECHAM MES-Sy Atmospheric Chemistry) [1]. Das KlimamodellECHAM bildet in dieser Modellkonfiguration dasBasismodell. Es ist aus dem Wettervorhersagemodelldes europäischen Zentrums für mittelfristigeWettervorhersage (ECMWF) hervorgegangen,und damit entsprechend komplex und rechenzeitintensiv.Die Modularität des Programms erlaubtes für die Untersuchungen relevante Module anzukoppeln,wie z.B. MECCA [4] das Modul zur Berechnungder atmosphärischen Chemie oder dasModul des Mischungsschichtozeans [3].Die Zusammensetzung der Atmosphäre zur Zeitdes Archaikums kann mit Hilfe der Analyse vonGesteinsfunden abgeschätzt werden. Trotz großerUnsicherheiten ergibt sich das Bild einer Atmospäremit hohen Konzentrationen von Kohlendioxid(CO 2 ) und einem sehr geringem Sauerstoffanteil.Wie die Erde hat auch unser Zentralstern, dieSonne, eine Entwicklung durchlaufen, die mit ihremStandardmodell beschrieben werden kann.Demnach betrug die Leuchtkraft der Sonne vor 2.5Ga nur etwa 82 % des heutigen Wertes. Die Folgendieser schwachen jungen Sonne für die klimatischenBedingungen auf der Erde wurden bereitsin den 1970er Jahren mit einfachen Modellenabgeschätzt: bei Annahme der heutigen atmosphärischenZusammensetzung, global gemittelteTemperaturen simuliert, die weit unter demGefrierpunkt von Wasser liegen. Diese Ergebnissesind aber im Widerspruch zu geologischenUntersuchungen archaischer Gesteinsfunde, diedie Existenz flüssigen Wassers auf der frühenErde belegen. Durch die Erhöhung der Konzentrationdes Treibhausgases CO 2 kann die Oberflächentemperaturerhöht werden. Die meisten Modelleerfordern aber CO 2 –Konzentrationen, die außerhalbder aus Gesteinsfunden abgeschätztenWerte liegen.Das auch als Paradoxon der schwachen jungenSonne bekannte Phänomen wird in unserem Projektmit dem EMAC-FUB untersucht. Als Proxysternfür die junge Sonne wird der Zwergstern β–com gewählt, der mit einem Alter von 2.1 Ga mitder Sonne während des Archaikums vergleichbarist. Das Auffällige am solaren Spektrum einer jungenSonne ist der, verglichen mit der heutigen Sonne,höhere Anteil an UV-Strahlung. Im sichtbarenund nahen Infrarot dagegen ist die solare Einstrahlunggegenüber der heutigen Sonne deutlich reduziert,was insgesamt zu einer geringeren totalensolaren Einstrahlung führt. Die hochauflösendeStrahlungsparametrisierung für die solare StrahlungFUBRad [2], die im EMAC-FUB zur Anwendungkommt, ist besonders geeignet die Effekteeiner modifizierten spektralen Verteilung der Einstrahlungzu simulieren.Abbildung 1 zeigt den Effekt der reduzierten Einstrahlungeiner jungen Sonne auf die zonal gemittelteTemperatur bei heutiger atmosphärischerZusammensetzung (R2.5) und erhöhter CO 2 –Konzentration (R2.5C) im Vergleich zu einem Modelllaufmit heutiger solarer Einstrahlung (Ctrl).Die Simulationen sind mit einem Mischungsschichtozeandurchgeführt, unter der Annahmeeines globalen Ozeans. Da die totale solareEinstrahlung deutlich vermindert ist, kommt eserwartungsgemäß zu einer starken Abkühlungin der Troposphäre und der Ausbildung eineskomplett zugefrorenen Ozeans. In der Stratosphäre,die durch die Absorption von kurzwelligerStrahlung durch Ozon und Sauerstoff erwärmtwird, kommt es dagegen zu einer Erwärmung,da die junge Sonne besonders im UV-Bereichdes solaren Spektrums deutlich intensiver strahlt.Geowissenschaften
43Bei einer Verzehnfachung des CO 2 –Gehalts sorgtder Treibhauseffekt für eine Erwärmung in der Troposphäre,so dass in den Tropen nun offenes Wasserzu finden ist. In der Stratosphäre dagegensorgt das zusätzliche CO 2 durch verstärkte Abstrahlungim langwelligen Spektralbereich für eineAuskühlung. Insgesamt kühlt sich die Stratophäreab, denn die Erwärmung durch die erhöhte UV-Strahlung wird durch die CO 2 –Abkühlung mehr alskompensiert.Neben diesen Experimenten zur solaren Einstrahlungund der atmosphärischen Zusammensetzungsind weitere Modellsimulationen in Vorbereitung,die andere Aspekte des Klimas der frühenErde untersuchen.Mehr zum Thema1. Jöckel, P. et al., The atmospheric chemistry generalcirculation model ECHAM5/MESSy1: consistentsimulation of ozone from the surface tothe mesosphere, Atmos. Chem. Phys., 6, 5067-5104, 2006.2. Nissen, K., K. Matthes, U. Langematz und B.Mayer, Towards a better representation of thesolar cycle in general circulation models, Atmos.Chem. Phys., 7, 5391-5400, 2007.3. Roeckner, E., T. Siebert und J. Feichter, Climateresponse to anthropogenic sulfate forcing simulatedwith a general circulation model, In: Aerosolforcing of climate, Verlag JohnWiley & Sons,Chichester, New England, USA, 349-362, 1995.4. Sander, R., A. Kerkweg, P. Jöckel und J. Lelieveld,Technical Note: The new comprehensiveatmospheric chemistry module MECCA., Atmos.Chem. Phys., 5, 445-450, 2005.5. http://www.dlr.de/pf/desktopdefault.aspx/tabid-4843Abbildung 1: Dezember/Januar/Februar Langzeitmittel(20 Jahre) der zonal gemittelten Temperaturfür ausgewählte Modellsimulationenmit einem die ganze Erde bedeckendenMischungsschichtozean: (Ctrl) mit heutigersolarer Einstrahlung; (R2.5) mit angepasster,spektral aufgelöster solarer Einstrahlungfür 2.5 Ga; (R2.5C) wie R2.5 mit10xCO 2 .FörderungHGF-Forschungsallianz ’Planetenentwicklung undLeben’Geowissenschaften
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Norddeutscher Verbund für Hoch- un
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Seite 29 und 30: 17Figure 1: (A) MFU-1 (the Co and N
Seite 31 und 32: 19Figure 1: Reaction mechanisms for
Seite 33 und 34: 21Figure 1: Local structures for Au
Seite 35 und 36: 23Figure 1: Top: The interactions b
Seite 37 und 38: 25Abbildung 1: Modell einer Ceroxid
Seite 39 und 40: 27A. B.C.HWDPBDHWDPBDHWDHSDHSDHSDPB
Seite 41 und 42: 29(a) (b) (c)86 π ∗420K-2 K´-4k
Seite 43 und 44: 31Figure 1: Model for a subnanomete
Seite 45 und 46: 33LYS−GLUDipeptid(1) (2)(1)(2)H1H
Seite 47 und 48: 35Figure 1: Structure of the icosah
Seite 49 und 50: 37Abbildung 1: Links: Querschnitt d
Seite 51 und 52: 39Abbildung 1: Links: Schematische
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Seite 57 und 58: 45Abbildung 1: Zonalgemittelte Temp
Seite 59 und 60: 47Abbildung 1: Temperaturdifferenz
Seite 61 und 62: 49Abbildung 1: Änderungen von Temp
Seite 63 und 64: 51Abbildung 1: Wasserdampf [molec/c
Seite 65 und 66: 53Figure 1: Four snapshots of botto
Seite 67 und 68: 55Abbildung 1: Effekt der Hebung vo
Seite 69 und 70: 57Abbildung 1: Rechengitter und Max
Seite 71 und 72: 59Abbildung 1: Tropische Niederschl
Seite 73 und 74: 61Abbildung 1: Idealisierte Modells
Seite 75 und 76: 63Abbildung 1: Mittlere Änderung d
Seite 77 und 78: 65Abbildung 1: Dargestellt ist der
Seite 79 und 80: 6725004006010Abbildung 1: Modellgeb
Seite 81 und 82: 6910.5555 ° N0.955 ° N0.50.4554
Seite 83 und 84: 71Abbildung 1: Mittlere Strömungsb
Seite 85 und 86: 73Abbildung 1: Das Modellgitter der
Seite 87 und 88: 75Abbildung 1: Strömungsbedingunge
Seite 89 und 90: 77Abbildung 1: Stromlinien in einer
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108Das Triebwerk muss leiser werden
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112Strömungssimulationen zur Lärm
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114Rotierende Lärmquelle hinter Gi
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118Hai-Schuppen verbessern, um Ener
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120A matter of disorderOxidized sil
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122Design neuer Metalloxyd-Halbleit
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124Rise and Roll3D Modeling of Hydr
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126Turbulenzen beim Wärmeaustausch
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128RollexBestimmung der Rolldämpfu
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130ShipLES - Berechnung der instati
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132Wärmeübergang auf Dellenoberfl
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152Systemspezifische Turbolader-Sch
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220Organisationsstruktur des HLRNDe
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222ICE1 XE ICE2 UVProzessor, Intel
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224Abbildung 5: 7.200 Glasfaserkabe
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