Helmholtz-Gemeinschaft
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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

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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.

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Einblicke in den Forschungsbereich Erde und Umwelt

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

Trockenen Fusses zum Meeresboden

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Der Tiefseeroboter ROPOS tritt
mit dem am GEOMAR entwickelten
Kamerasystem den Weg in die
Tiefe an.
Bild: Björn Kurtenbach

GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

An manchen Stellen des Meeresbodens tritt bis zu 400 Grad Celsius heißes Wasser aus, das mit Mineralien und Schwefel angereichert ist. Diese Hydrothermalquellen bil-den sich meist im Umfeld der mittelozeanischen Rücken und an submarinen Vulkanen. Rund um die Quellen lagern sich die Mineralien ab und bilden schlotartige Strukturen, die sogenannten Schwarzen Raucher. Hydrothermalquellen sind potenzielle Rohstoffquellen. Außerdem beherbergen sie einzigartige Ökosysteme und verraten viel über Vorgän-ge im Meeresboden.

Unter Fahrtleitung des GEOMAR hat ein internationales For-scherteam jetzt erstmals ein komplettes Hydrothermalfeld zentimetergenau vermessen. Das Feld liegt südwestlich von Samoa im Krater des Niua-South Vulkans in etwa 1.100 Metern Wassertiefe.

Als Arbeitsplattform diente das Forschungsschiff FALKOR des Schmidt Ocean Institute. Für die Vermessung nutzte das Team das kanadische ROV (Remotely Operated Vehicle) ROPOS. Die Wissenschaftler hatten das ferngesteuerte Fahrzeug für ihre Zwecke mit einem eigens am GEOMAR entwickelten Kamerasystem bestückt. In einem aufwendi-gen Verfahren fotografierten und filmten die Kameras die Hydrothermalquellen aus allen Winkeln. So wurde ein virtu-eller Spaziergang zwischen Schwarzen Rauchern möglich. „Noch an Bord errechnete ein Hochleistungscomputer aus über 200.000 Bildern ein digitales 3-D-Modell der gesam-ten Landschaft. Damit konnten wir anschließend gezielt Proben am Meeresboden nehmen“, sagt der Fahrtleiter Tom Kwasnitschka vom GEOMAR.

Nach der Expedition wird das digitale Modell nun weiter verfeinert und steht dann für weitere Fragestellungen zur Verfügung. „Diese Methode wird uns virtuelle Spaziergän-ge auf dem Meeresboden auch noch nach der Expedition ermöglichen. So erhalten auch Kollegen, die nicht selbst an Bord waren, die Möglichkeit, das Niua-South-Feld zu unter-suchen“, erklärt Kwasnitschka.

Schon während der Expedition wurden die Tauchgänge des ROVs live ins Internet übertragen. Außerdem hatte sich das Team immer wieder den Fragen von interessierten Menschen weltweit gestellt: Liveschaltungen per Satellit fanden zu Vortragsveranstaltungen in Deutschland, Kanada und den USA statt.


ESA setzt auf Pflanzenforschung

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Grün ist nicht gleich grün – die untere Flugzeugaufnahme mit den Messdaten des Spektrometers „HyPlant“ zeigt farbkodiert die Fluoreszenzemission. Unterschiedliche Farben spiegeln die aktuelle Photosyntheseleistung bzw. akuten Stress wider.
Bild: Forschungszentrum Jülich

Forschungszentrum Jülich

 In etwa sechs Jahren soll der Satellit „Flex“ der Europäischen Weltraumorganisation ESA starten und globale Daten zur Produktivität von Pflanzen sammeln. Sein Herzstück ist das Spektrometer HyPlant, das Jülicher Pflanzenforscher mitentwickelt und getestet haben. Das Gerät misst das Fluoreszenzsignal von Pflanzen und zeigt so zuverlässig an, wenn sie durch ungünstige Umweltbedingungen wie Trockenheit unter Stress stehen und damit weniger Photosynthese betreiben. Die Flex-Daten könnten dabei helfen, Anbau und Ernte von Nutzpflanzen zu optimieren.


Milliarden Jungfische unter dem Arktischen Meereis

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Der Polardorsch (Boreogadus saida) in der Arktis. Bild: Hauke Flores, AWI

Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)

Belugas, Narwale und Ringelrobben haben eines gemein: Sie fressen am liebsten Polardorsch. Der Fisch ist ein Schlüsselorganismus des Arktischen Ozeans. Wie groß sein Bestand unter dem Meereis ist, war bisher unbekannt. AWI-Biologen ist es nun gelungen, mit einem Spezialnetz direkt unter dem Eis Polardorsche zu fangen und ihre Verbreitung abzuschätzen. Das Ergebnis: Unter dem Meereisdeckel könnten mehrere Milliarden Dorsche leben, die meisten davon Jungtiere. Für sie ist das Eis-Labyrinth Speisekammer und Rückzugsort zugleich.


Modellvaluierung mit FerryBox-Daten

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Dr. Wilhelm Petersen und Martina Gehrung bei der Kalibrierung einer FerryBox.
Bild: HZG

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

Um zeitlich hochaufgelöste Oberflächendaten unter anderem von Wassertemperatur und Salzgehalt entlang von Schiffsrouten zu liefern, sind auf Fähren und Frachtschiffen in der Nordsee FerryBox- Messsysteme installiert. Wissenschaftler von HZG und BSH verglichen Modellergebnisse mit den realen Messdaten der FerryBox (Route Immingham-Cuxhaven) und stellten fest, dass der Salzgehalt in bisherigen Modellen unterschätzt wurde. Die Daten der FerryBox können dazu beitragen, hydrodynamische Modelle der Nordsee zu verbessern.


Nicht-Allergene Pollenbestandteile können Allergien verstärken

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Niedermolekulare Bestandteile aus Pollen – hier von der Birke – können allergische Reaktionen über B-Zellen verursachen.
Bild: Prof. Jeroen Buters, Institut für Allergieforschung/ Helmholtz Zentrum München

Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

Wissenschaftler am Helmholtz Zentrum München haben einen Mechanismus entdeckt, über den nicht-allergene Polleninhaltsstoffe Allergien verstärken können. Demnach veranlassen neben Allergenen auch niedermolekulare Bestandteile B-Zellen dazu, vermehrt Immunglobulin E zu produzieren. Neben neuen Therapiemöglichkeiten wollen die Forscher künftig auch herausfinden, ob der Klimawandel die Zusammensetzung von Pollen verändert und ihre Aggressivität beeinflussen könnte.


Erdbebenrisiko für Istanbul

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Die Anatolische Platte und die Nordanatolische Verwerfungszone.
Bild: Dorina Domigall, GFZ

Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Das große Beben in Istanbul wird kommen. Nur wann und wie stark, weiß derzeit niemand. GFZ-Wissenschaftler liefern jetzt eine wichtige Abschätzung. Sie erstellten einen Katalog historischer Seismizität für die Nordanatolische Verwerfungszone, der 2.300 Jahre zurückreicht. Demnach sind Megabeben der Magnitude M 8 nur im Osten der Zone zu erwarten. Für den westlichen Teil, in dem Istanbul liegt, rechnen sie mit Starkbeben nicht größer als M 7,5. Auch ein Beben dieser Stärke kann allerdings verheerend sein. Immerhin gibt es nun eine Basis, um Gefahren abzuschätzen.


Wasserqualtät weltweit verbessern

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Seit 2010 gibt es ein Mensc henrecht auf den Zugang zu sauberem Wasser. Das WWQA soll helfen, die Wasserpolitik besser zu gestalten und das Menschenrecht umzusetzen.
Foto: Künzelmann/UFZ

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ

Wie die Qualität der Fließgewässer und Seen weltweit ist und welche Folgen das hat, darüber haben Wissenschaftler des UFZ und der Universität Kassel zwei Jahre lang Daten gesammelt und ausgewertet. Am 19. Mai 2016 stellten sie erste Ergebnisse des „World Water Quality Assessment (WWQA)“ vor. Das WWQA soll nicht nur die aktuelle Lage beschreiben, sondern auch Datenlücken schließen, die Ursachen für Verschmutzungen identifizieren, Konsequenzen aufzeigen und Handlungsoptionen benennen. Ziel ist eine Verbesserung der globalen Wasserqualität.


Woher kommt das Eis auf Grönland?

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Die Watkins-Berge im südlichen Ostgrönland mit dem höchsten Gipfel Grönlands, Gunbjørn Fjeld (3700 m über NN). Bild: Peter Japsen, GEUS

GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

Das Eis auf Grönland konnte sich nur aufgrund von Prozessen im tiefen Erdinneren bilden, fanden Forscher des GFZ heraus. Die großräumige Vergletscherung in der Arktis begann erst vor etwa 2,7 Millionen Jahren, also vor geologisch kurzer Zeit. Aufsteigendes heißes Gestein im Erdmantel hob Grönland so weit an, dass die Gebirgsgipfel in entsprechend kalte Höhen der Atmosphäre reichen. Tektonisch wanderte Grönland dabei weit genug nach Norden, was zu geringerer Sonneneinstrahlung im Winter führt. Zudem verlagerte sich die Erdachse, wobei Grönland noch weiter nach Norden rutschte.

Initiativen im Forschungsbereich Erde und Umwelt

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

Wissensplattform Erde & Umwelt (ESKP)

Die Wissensplattform Erde & Umwelt (Earth System Knowledge Platform - ESKP) bietet ein breites Informationsangebot zu Themen aus dem Forschungsbereich "Erde & Umwelt" im Internet. Beteiligt sind acht Helmholtz-Zentren.

Mehr zur Wissensplattform Erde & Umwelt (ESKP)


Climate Service Center Germany (GERICS)

Das Climate Service Center Germany (GERICS) 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 Germany (GERICS)


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

 

Kontakt

Prof. Dr. Peter M. Herzig

Forschungsbereichskoordinator Erde und Umwelt

Direktor, GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel
24148 Kiel

Telefon: +49 431 600-2800
Fax: +49 431 600-2805
pherzig(at)geomar.de
http://www.geomar.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 (Januar 2013)

 

Integrierte Forschung zur Lösung globaler Wasserprobleme

Broschüre des Helmholtz Wasser Netzwerks

08.12.2016