Helmholtz-Gemeinschaft

Forschungsbereich Erde und Umwelt

Die Erd- und Umweltforschung untersucht die grundlegenden Funktionen des Systems Erde und die Wechselwirkungen zwischen Gesellschaft und Natur und schafft damit eine solide Wissensbasis, um die menschlichen Lebensgrundlagen langfristig zu sichern.

Aufgabe

ZoomLena River Delta - Landsat 2000 05, Bild: Alfred-Wegener-Institut
Lena River Delta - Landsat 2000 05, Bild: Alfred-Wegener-Institut

Schwerpunkte des Forschungsbereichs Erde und Umwelt liegen darin, die langfristigen Beobachtungssysteme auszubauen und zu vernetzen, Vorhersagen zu verbessern und die Ergebnisse schnellstmöglich der Gesellschaft bereitzustellen. Die Forscher erarbeiten wissensbasierte Handlungsempfehlungen, wie sich Ressourcen der Erde nachhaltig nutzen lassen, ohne die Lebensgrundlagen zu zerstören. So bringt die Helmholtz-Klimainitiative REKLIM die Kompetenz von neun Helmholtz-Zentren zusammen, um regionale und globale Klimamodelle zu verbessern. Eine wichtige Rolle spielen der Aufbau und Betrieb von Infrastrukturen wie dem Forschungsflugzeug HALO oder dem Netzwerk TERENO, für das bisher in vier ausgewählten Regionen Deutschlands terrestrische Observatorien errichtet wurden. Mit COSYNA wird ein Langzeitbeobachtungssystem zuerst für die deutsche Nordsee und später auch für arktische Küstengewässer aufgebaut.

Ausblick

Um den Herausforderungen zu begegnen, bündelt der Forschungsbereich Erde und Umwelt auch in Zukunft die Kapazitäten der beteiligten Zentren in gemeinsamen Forschungsportfolios. Dies schafft neue Koalitionen und ermöglicht den Ausbau von Erdbeobachtungs- und Wissenssystemen sowie von integrierten Modellansätzen. Das interdisziplinär angelegte Portfoliothema „Earth System Knowledge Platform – Observation, Information and Transfer“ (ESKP) vernetzt das von allen Zentren des Forschungsbereichs sowie von externen Partnern erarbeitete Wissen mit dem Ziel, die Gesellschaft dabei zu unterstützen, mit den komplexen Veränderungen im System Erde umzugehen. In dieser Programmperiode (2014 bis 2018) wird der Forschungsbereich durch das neue Programm „Ozeane: Von der Tiefsee bis zur Atmosphäre“ unterstützt.

Wissensplattform "ESKP"

Forschungsprogramme


Geosystem

In diesem Programm geht es darum, die Prozesse in der Geosphäre und ihre Wechselwirkungen mit der Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre zu analysieren.

Mehr zum Forschungsprogramm Geosystem


Marine, Küsten- und Polare Systeme

Das Programm konzentriert sich auf Veränderungen in der Arktis und Antarktis, ihre Interaktion mit dem globalen Klima und die polaren Ökosysteme, auf verwundbare Küsten und Schelfmeere und die polare Perspektive der Erdsystemanalyse.

Mehr zum Forschungsprogramm Marine, Küsten- und Polare Systeme


Ozeane

Die physikalischen, chemischen, biologischen und geologischen Prozesse in den Ozeanen und ihre Wechselwirkungen mit dem Meeresboden und der Atmosphäre untersucht dieses Programm interdisziplinär.

Mehr zum Forschungsprogramm Ozeane


Atmosphäre und Klima

Ziel des Programms ist es, die Rolle der Atmosphäre im Klimasystem besser zu verstehen. Themen sind  Wolken und Wetterforschung, Landoberflächen-Prozesse, troposphärische Spurenstoffe und chemische Prozesse sowie die obere Troposphäre und mittlere Atmosphäre.

Mehr zum Forschungsprogramm Atmosphäre und Klima


Terrestrische Umwelt

Dieses Programm zielt darauf ab, die natürlichen Grundlagen für das menschliche Leben und die Gesundheit zu sichern. Es befasst sich mit den Wirkungen des globalen Wandels und des Klimawandels auf terrestrische Umweltsysteme.

Mehr zum Forschungsprogramm Terrestrische Umwelt

Die Programme in der Förderperiode 2014-2018

Am Forschungsbereich Erde und Umwelt sind acht Helmholtz-Zentren beteiligt: das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), das Forschungszentrum Jülich, das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (seit 2012), das Helmholtz-Zentrum Geesthacht für Material- und Küstenforschung (HZG), das Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt, das Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ und das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Die Forschung findet aktuell in fünf Programmen statt.

Forschungsprogramme


Geosystem

In diesem Programm geht es darum, die Prozesse in der Geosphäre und ihre Wechselwirkungen mit der Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre zu analysieren.

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Marine, Küsten- und Polare Systeme

Das Programm konzentriert sich auf Veränderungen in der Arktis und Antarktis, ihre Interaktion mit dem globalen Klima und die polaren Ökosysteme, auf verwundbare Küsten und Schelfmeere und die polare Perspektive der Erdsystemanalyse.

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Ozeane

Die physikalischen, chemischen, biologischen und geologischen Prozesse in den Ozeanen und ihre Wechselwirkungen mit dem Meeresboden und der Atmosphäre untersucht dieses Programm interdisziplinär.

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Atmosphäre und Klima

Ziel des Programms ist es, die Rolle der Atmosphäre im Klimasystem besser zu verstehen. Themen sind  Wolken und Wetterforschung, Landoberflächen-Prozesse, troposphärische Spurenstoffe und chemische Prozesse sowie die obere Troposphäre und mittlere Atmosphäre.

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Terrestrische Umwelt

Dieses Programm zielt darauf ab, die natürlichen Grundlagen für das menschliche Leben und die Gesundheit zu sichern. Es befasst sich mit den Wirkungen des globalen Wandels und des Klimawandels auf terrestrische Umweltsysteme.

Mehr zum Forschungsprogramm Terrestrische Umwelt

Initiativen im Forschungsbereich Erde und Umwelt

Im Folgenden sehen Sie eine Auswahl von Initiativen im Forschungsbereich Erde und Umwelt:

Climate Service Center 2.0

Das Climate Service Center 2.0 ist der zentrale Ansprechpartner für alle Fragen zum Klimawandel und den daraus abzuleitenden Anpassungsstrategien. Es wendet sich als Informations- und Beratungsplattform an Entscheidungsträger aus der Politik, der Wirtschaft und Meinungsführer der öffentlichen Wahrnehmung.

Mehr zum Climate Service Center 2.0


European Climate Research Alliance (ECRA)

Die European Climate Research Alliance (ECRA) ist ein Zusammenschluss führender europäischer Forschungsinstitutionen auf dem Gebiet der Klimaforschung. ECRA hat zum Ziel, die europäischen Kompetenzen in der Klimaforschung zu bündeln, auszuweiten und zu optimieren, indem bestehende nationale Forschungskapazitäten und Infrastrukturen gemeinsam genutzt werden.

Mehr zur European Climate Research Alliance (ECRA)


Helmholtz-Verbund Regionale Klimaänderungen (REKLIM)

 

Die Erde befindet sich in einem tief greifenden Klimawandel, dessen Auswirkungen regional aber sehr unterschiedlich ausgeprägt sein können. Neun Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft bündeln ihre Kompetenzen in dem Helmholtz-Verbund Regionale Klimaänderungen (REKLIM), um solche Fragen zu beantworten. Der Forschungsverbund wurde in der Förderperiode 2009 - 2013 mit einem Budget von 32,2 Millionen ausgestattet und ist nun in der 3. Periode der programmorientierten Forschung der Helmholtz-Gemeinschaft als Querschnittsverbund bestätigt worden.

Mehr zum Helmholtz-Verbund Regionale Klimaänderungen (REKLIM)


Netzwerk der regionalen Helmholtz-Klimabüros

Der globale Klimawandel wirkt sich regional sehr unterschiedlich aus. Anpassungsstrategien an den Klimawandel müssen diese regionalen Unterschiede berücksichtigen, um beispielsweise Fehlinvestitionen zu vermeiden. Wegen des stetig wachsenden Beratungsbedarfs hat die Helmholtz-Gemeinschaft ein Netzwerk Regionaler Klimabüros aufgebaut.

Mehr zu den Helmholtz-Klimabüros


TERENO - Terrestrial Environmental Observatories

TERENO ist eine Beobachtungsplattform, die verschiedene terrestrische Observatorien in unterschiedlichen repräsentativen Regionen in Deutschland verbindet. Diese Observatorien liefern kontinuierlich räumlich und zeitlich erfasste Langzeit-Daten, die helfen, die integrierten Prozessmodelle von terrestrischen Systemen weiterzuentwickeln und zu validieren.

Mehr zu TERENO - Terrestrial Enviromental Observatories

 

Einblicke in den Forschungsbereich Erde und Umwelt

Hier stellen wir Ihnen aktuelle Forschungsprojekte von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Helmholtz-Zentren vor.

Die Zukunft unterm Stahlgerüst

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Die Anlage mit einer Gesamtfläche von fast sieben Hektar, das entspricht etwa zehn Fußballfeldern, umfasst zehn Experimentierblocks mit jeweils fünf Parzellen. Diese können unterschiedlich bewirtschaftet und verschiedenen Klimabedingungen ausgesetzt werden, wie sie für Mitteldeutschland prognostiziert sind. Bild: André Künzelmann/UFZ

Tumorimpfungen können den Körper im Kampf gegen den Krebs unterstützen. Genmutationen der Was bringt der Klimawandel? Dieser Frage gehen Wissenschaftler in der Versuchsanlage „Global Change Experimental Facility“ (GCEF) nach. Die Anlage ist eines der weltweit größten Langzeitexperimente dieser Art und wird mindestens fünfzehn Jahre laufen. Die Ergebnisse sollen dem Umwelt- und Naturschutz sowie der Landwirtschaft helfen, sich besser an den Klimawandel anzupassen.

Wissenschaftler rechnen damit, dass bis Ende dieses Jahrhunderts in Mitteldeutschland die Temperaturen ansteigen und vor allem im Sommerhalbjahr weniger Niederschläge fallen. Doch was bedeutet das für ökologische Prozesse? Um das Szenario möglichst realistisch nachzustellen, wurden in Bad Lauchstädt (Halle/Saale) normale Ackerflächen mit einer Stahlkonstruktion überbaut, die über schließbare Dächer und Seitenwände verfügt. Wie in einem Gewächshaus können Forscher bei Bedarf nachts die Temperatur um bis zu drei Grad erhöhen und den ersten Bodenfrost mehrere Wochen hinausschieben. Zudem lässt sich dadurch Regen von den Flächen abhalten oder per Beregnungsanlage zusätzliches Wasser versprühen.

„Die GCEF ist bei weitem nicht das erste Experiment, in dem der Klimawandel simuliert wird. Aber sie ist in ihrer Art einmalig, da sie mit größeren zeitlichen und räumlichen Dimensionen arbeitet“, sagt Stefan Klotz, der am UFZ das Department Biozönoseforschung leitet. Jede der 50 Parzellen ist 16 mal 24 Meter groß. Zu den jeweils fünf Parzellen, in denen der Klimawandel in der konventionellen und ökologischen Landwirtschaft, bei intensiver und extensiver Graslandnutzung sowie auf Weideflächen simuliert wird, sind zum Vergleich genau identische Parzellen ohne Veränderungen von Temperatur und Niederschlag angelegt.

Viele der Informationen, die die GCEF in den nächsten Jahren liefern wird, werden durch ein im UFZ entwickeltes drahtloses, selbstorganisierendes Sensornetzwerk gemessen und verarbeitet. Eine Art WLAN-Netzwerk, in dem sich viele kleine Stationen zur Messung von Feuchtigkeit und Temperatur in Luft oder Boden sowie der Strahlungsintensität befinden. Die Dinge, die für den Betrachter sichtbar sind, sind nur ein Teil der hochmodernen Technik. Denn sie steckt überwiegend im Boden vergraben oder schwirrt als Datensatz durch die Luft.


Reduktion von klimaschädlichem Lachgas bisher unterschätzt

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Der vom KIT betriebene Roboter misst Lachgasemissionen aus dem Boden vollautomatisch. Bild: E. Díaz-Pines

Lachgas (N2O) trägt als Treibhausgas zum Klimawandel bei und schädigt die Ozonschicht. So ist die Treibhauswirkung eines N2O-Moleküls in der Atmosphäre rund 300-mal stärker als die eines Kohlenstoffdioxid- Moleküls. Die Verwendung von Mineraldünger führt zu einem Anstieg von Lachgas in Böden. KIT-Wissenschaftler haben nun festgestellt, dass durch die Reduktion von klimaschädlichem N2O zu unbedenklichem molekularem Stickstoff (N2) nur rund ein Fünftel des erzeugten Lachgases in die Atmosphäre emittiert wird.


Neue Akteure im arktischen Ozean

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Ein Beispielfund aus den Probenbehältern: Ein Weibchen des atlantischen Flohkrebses mit prall gefüllter Bruttasche. Bild: A. Kraft/AWI

Flohkrebse aus dem Nordatlantik pflanzen sich seit wenigen Jahren auch im Arktischen Ozean fort. Hinweise auf diese Artenwanderung haben AWI-Forscher am Langzeitobservatorium HAUSGARTEN in der Framstraße gefunden. Noch vor zehn Jahren hatten sich in dessen Fallen vor allem kälteliebende Flohkrebse aus der Arktis verfangen. Im Jahr 2005 entdeckten die AWI-Forscher dann erstmals Exemplare der atlantischen Art Themisto compressa in den Fangbehältern. Die Tiere waren im wärmer werdenden Atlantikwasser von Süden aus in die Framstraße gelangt und erwiesen sich als ausgesprochen anpassungsfähig.


Vorbebenserie steuerte Erdbebenablauf

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Das Iquique-Beben brach ein zentrales Stück der seit über 130 Jahren bestehenden seismischen Lücke. Grüne Symbole markieren bservatorienstandorte des Integrated Plate Boundary Observatory Chile, grüne Pfeile die gemessene Bodenverschiebung. Bild: B. Schurr/GFZ

Eine lang andauernde Serie von Vorbeben hat maßgeblich den Bruchprozess des extrem starken Erdbebens bei Iquique in Nordchile im April 2014 gesteuert. Über ein dreiviertel Jahr dauerte diese Vorbebenserie an, die in einem Beben der Stärke 6,7 zwei Wochen vor dem Hauptbeben der Stärke 8,1 kulminierte. Eine internationale Forschergruppe unter Federführung des GFZ stellte dabei fest, dass das Iquique-Erdbeben im Bereich der letzten seismischen Lücke vor Chiles Küste auftrat. Die Vorbeben brachen in mehreren Schwärmen den Rand des später im Hauptbeben gebrochenen zentralen Stücks.


Klimawandel beeinflusst das Allergene Potential von Pollen

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Die Beifuß-Ambrosie lässt Allergiker leiden. Bild: U. Frank/
Helmholtz Zentrum München

Die Beifuß-Ambrosie gehört zu den Pflanzenarten, deren Pollen besonders starke allergische Reaktionen und Asthma verursachen können. Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München untersuchen, wie der Klimawandel die Allergenität der Pflanze beeinflusst. Für erhöhte Ozonwerte konnten die Forscher bereits ein verstärktes Stresslevel bei den Pflanzen nachweisen, was aggressivere Pollen zur Folge haben könnte – obwohl Pollenanzahl und -größe gleich blieben. Weiterhin wollen die Forscher Einflüsse durch erhöhtes CO2, NO2, Feinstaubpartikel, UV-B-Strahlung oder Dürre ins Visier nehmen.


Schiffsabgabe über der Nordsee

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Der Schiffsverkehr setzt durch die Verbrennung von Schweröl giftige Abgase frei. Bild: iStockphoto

Schiffe setzen große Mengen von Luftschadstoffen wie Stick- und Schwefeloxide sowie Aerosolpartikel frei. Am Helmholtz-Zentrum Geesthacht untersuchen Forscher um Volker Matthias mit einem Chemietransportmodell die Auswirkungen von Schiffsemissionen auf die Luftqualität an der Nordsee. Aktuelle Emissionen berechnen sie auf Basis von Bewegungsdaten. Die Simulationen belegen, dass Schiffe erheblich zur Schadstoffkonzentration an der Küste und weit im Landesinneren beitragen. Bis zum Jahr 2030 könnten die Stickoxidabgase der Schifffahrt um 25 Prozent steigen.


Wie produktiv sind die Erzfabriken der Tiefsee?

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Simulierung der Nachschubwege der Hydrothermalquellen am mittelozeanischen Rücken. Die Pfeile deuten die Bewegungsrichtungen der Erdplatten an. Bild: J. Hasenclever/GEOMAR

Hydrothermalquellen in der Tiefsee, auch Schwarze Raucher genannt, sind faszinierende geologische Formationen. Sie beherbergen einzigartige Ökosysteme, sind aber auch potenzielle Rohstofflieferanten der Zukunft. Sie werden von vulkanischen „Kraftwerken“ im Meeresboden angetrieben und setzen enorme Energien frei. Forschern des GEOMAR ist es jetzt in Computer-Simulationen gelungen, die Nachschubwege der Schwarzen Raucher im Untergrund nachzuvollziehen.

Kontakt

Prof. Dr. Georg Teutsch

Forschungsbereichskoordinator Erde und Umwelt

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

Permoserstr. 15
04318 Leipzig

Telefon: +49 341 235-0
Fax: +49 341 235-1468
gf (at) ufz.de
http://www.ufz.de


Dr. Cathrin Brüchmann

Forschungsbereichsbeauftragte Erde und Umwelt

Helmholtz-Gemeinschaft

Telefon: +49 30 206329-45
cathrin.bruechmann (at) helmholtz.de


 

"Taking the pulse of the planet" 

Broschüre des Helmholtz Earth Observatory Network

19.12.2014