Forschungsbereich Erde und Umwelt in der Förderperiode 2009–2013

Um übergeordnete Forschungsthemen aufzugreifen sowie methodische und organisatorische Synergieeffekte zu erreichen, werden programm- und forschungsbereichsübergreifende Initiativen wie beispielweise „REKLIM“ (AWI, Forschungszentrum Jülich, KIT, GFZ, HZG, HMGU, UFZ), „Integriertes Erdbeobachtungssystem“ (Netzwerk EOS: AWI, DLR, GFZ, HZG, Forschungszentrum Jülich, KIT) und „Sustainable Bioeconomy“ (Forschungszentrum Jülich, GFZ, HMGU, KIT, UFZ) ausgebaut.

Ein weiteres wichtiges Element ist der gemeinsame Aufbau und Betrieb von programmübergreifenden Infrastrukturen wie zum Beispiel das Forschungsflugzeug HALO oder die „Terrestrial Environmental Observatoria“ (TERENO). So werden in vier ausgewählten, für Deutschland repräsentativen Regionen terrestrische Observatorien als TERENO-Netzwerk aufgebaut. Ein komplementärer Ansatz wird mit dem Beobachtungssystem COSYNA verfolgt, wo ein Langzeitbeobachtungssystem zuerst für die deutsche Nordsee und später auch für arktische Küstengewässer aufgebaut wird.

Die Forschungsprogramme im Forschungsbereich:

• Geosystem: Erde im Wandel
• Marine, Küsten- und Polare Systeme
• Atmosphäre und Klima
• Terrestrische Umwelt

Die Programme

Das Programm Geosystem: Erde im Wandel

Die Analyse der physikalischen und chemischen Prozesse im System Erde sowie der Interaktion zwischen Geosphäre, Atmosphäre, Hydrosphäre, Pedosphäre und Biosphäre und deren Auswirkungen auf den menschlichen Lebensraum stehen im Fokus dieses Programms. Seine Mission ist die Beobachtung, Erkundung und Modellierung der relevanten Geoprozesse, um den Zustand des Systems Erde zu erfassen und Veränderungstrends zu erkennen.

Grundlage hierfür bilden globale geophysikalische und geodätische Beobachtungsinfrastrukturen, regionale Erdsystemobservatorien, erdnahe Satelliten, flugzeuggestützte Aufzeichnungssysteme, mobile Instrumentenpools und Bohranlagen sowie die analytische und experimentelle Infrastruktur. Diese sind zu einem Beobachtungssystem zusammengefasst und in nationale und internationale Kooperationen eingebunden. Schwerpunkte des Programms sind neben der Erforschung des Magnet- und Schwerefelds der Erde die natürlichen Ressourcen und Stoffkreisläufe, Klimavariabilität und Klimaimpakt auf den menschlichen Lebensraum.

Auch Präventions- und Vorsorgestrategien bei Naturkatastrophen sowie die Nutzung des unterirdischen Raums, zum Beispiel zur Speicherung von Kohlendioxid, gehören zu den Forschungsaufgaben. Mit diesen Schwerpunkten trägt das Programm zu den Themenfeldern „Erdsystemdynamik und Risiken“, „Klimavariabilität und Klimawandel“ sowie „Nachhaltige Ressourcennutzung“ bei.

Das Programm Marine, Küsten- und Polare Systeme

Das Forschungsprogramm hat sich die Beobachtung gegenwärtiger Veränderungen der Ozeane, polarer Systeme und Küstenregionen zur Aufgabe gemacht, insbesondere deren Bewertung vor dem Hintergrund vergangener Veränderungen. Hinsichtlich der Küstenregionen wird der Unterscheidung eines direkten menschlichen Einflusses von klimatischer Variabilität ein besonderes Augenmerk gewidmet. Diesem Ziel dient etwa der Aufbau eines umfassenden Beobachtungssystems in der Deutschen Bucht (COSYNA).

In den Polarregionen werden besonders die global klimawirksamen und klimasteuernden Prozesse und Wechselwirkungen untersucht. Die weitere Entschlüsselung der Paläoumweltarchive im Verbund mit Prozessstudien wird verbesserte Schlussfolgerungen auf mögliche künftige Entwicklungen zulassen. Die Forscher entwickeln ein Modellsystem, welches die Kryosphäre, die Ozeane und die marine Bio- und Geo-Chemosphäre umfassen wird. Das Modell für mittelfristige Entwicklungen wird in der Lage sein, Biodiversität sowie Flüsse von Energie und Materie in unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen darzustellen.
Eine Unterscheidung zwischen klimatischen Schwankungen und menschlichen Einflüssen im komplexen Gesamtsystem soll wissenschaftliche Grundlagen für Entscheidungsfindungen bereitstellen und dadurch die politische und gesellschaftliche Meinungsbildung unterstützen. Für die angestrebten Ziele ist generell die Kombination moderner Forschungsinfrastrukturen wie Messstationen, Schiffe, Flugzeuge und Polarstationen mit mathematischen Systemmodellen von ausschlaggebender Bedeutung.

Das Programm Atmosphäre und Klima

Das Forschungsprogramm beschäftigt sich mit der Rolle der Atmosphäre im Klimasystem sowie den Prozessen, die maßgeblichen Einfluss auf Klimaveränderungen, Naturkatastrophen und Luftqualität und damit die Lebensqualität auf der Erde ausüben. In diesem Zusammenhang werden Untersuchungen zum Verhalten der Stratosphäre, der Troposphäre und der Biosphäre sowie ihrer komplexen Wechselwirkungen im globalen Wandel durchgeführt.

Forschungsschwerpunkte sind die Untersuchung des Wasserkreislaufes sowie der biogeochemischen Kreisläufe von umweltrelevanten Spurengasen und Aerosolen. Grundlage für diese Analysen bilden Daten aus langfristigen Flugzeug- und Satellitenmessungen, bodengestützten Stationen, großen Simulationskammern (AIDA, SAPHIR u. a.) und numerischen Modellen (Transport-, Klima-Modelle etc.). Die numerischen Modelle werden ständig weiterentwickelt, um die aus den Klimaveränderungen resultierenden ökologischen und sozioökonomischen Folgen zu quantifizieren und Handlungswissen für den Schutz vor den Auswirkungen zu gewinnen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt hier auf der regionalen Ebene. Eine wichtige Rolle wird für das Programm auch das neue Forschungsflugzeug HALO spielen, das unter wesentlicher Beteiligung von Wissenschaftlern aus dem Forschungsprogramm seinen Betrieb aufnehmen wird.

Das Programm Terrestrische Umwelt

Das Programm Terrestrische Umwelt zielt darauf ab, die Grundlagen für das menschliche Leben zu erhalten und Nutzungsoptionen für eine nachhaltige Inanspruchnahme von Ressourcen zu entwickeln. Dabei weist das Programm einen engen Bezug zum Klimawandel auf: Da der Klimawandel nicht allein durch Vermeidung (Mitigation) von Treibhausgasemissionen gestoppt werden kann, sind zusätzlich Strategien zur Anpassung und zur Reduzierung der Verwundbarkeit unserer Ökosysteme (Adaptation) zu entwickeln. Dazu werden neue technische Lösungen in den Bereichen Agrar-, Bio-, Energie- und Umwelttechnologien konzipiert.

Nutzungskonflikte im Spannungsfeld von Nahrungsmittelproduktion, Bioenergie und Naturschutz werden untersucht und Strategien zur Anpassung an den globalen Wandel auf regionaler Ebene entwickelt. Für eine nachhaltige Biomasseproduktion werden die Mechanismen analysiert, die für das Wachstum von Mikroben und Pflanzen entscheidend sind. Im Bereich der Wasserressourcensysteme wird ein neuartiger ökotechnologischer Ansatz zum Schutz und zur Bereitstellung qualitativ hochwertigen und quantitativ ausreichenden Wassers konzipiert. Ein vertieftes Prozessverständnis für Grundwassersysteme und die Analyse der Verletzlichkeit der Grundwasserkörper und ihrer natürlichen Reinigungspotenziale ermöglichen es, die Konsequenzen von Grundwasserbeeinträchtigungen für Mensch und Ökosystem besser einzuschätzen. Für eine nachhaltige Chemikaliennutzung eröffnet ein genaueres Wissen um den Verbleib von Chemikalien in der Umwelt neue Möglichkeiten für risikoärmere Stoffe sowie problemspezifische Sanierungsstrategien für kontaminierte Megastandorte.

Ergänzt werden die Forschungsarbeiten durch die Etablierung einer technologisch-methodischen Plattform für die Beobachtung, Analyse und Bewertung terrestrischer Ökosysteme. Hierbei spielen innovative Mess- und Monitoringkonzepte, integrative Modellierungsansätze sowie methodische Fragen des Up-Scalings auf Langzeitbeobachtungsstandorten wie TERENO eine besondere Rolle.

Ausblick

Um den genannten Herausforderungen wirkungsvoll zu begegnen, wird der Forschungsbereich „Erde und Umwelt“ der Helmholtz-Gemeinschaft auch in Zukunft effektiv die Kapazitäten der beteiligten Zentren in integrierte und integrierende Themen eines gemeinsamen Forschungsportfolios bündeln. Dieser Prozess schafft neue Koalitionen und ermöglicht den Ausbau technologischer Kompetenzen von Erdbeobachtungs- und Wissenssystemen sowie von integrierten Modellansätzen.

Das interdisziplinär angelegte Portfoliothema „Earth System Knowledge Platform-Observation, Information and Transfer“ wird das von allen Zentren des Forschungsbereichs Erde und Umwelt sowie von den externen Partnern erarbeitete Wissen bündeln und vernetzen. Ziel ist es, die Gesellschaft und deren Entscheidungsträger zu unterstützen, mit den komplexen Herausforderungen im Zusammenhang mit den Veränderungen im System Erde umgehen zu können. Im Bereich der Klimaforschung wird dabei dem Climate Service Center eine wichtige Rolle zukommen.

Die für 2012 vorgesehene Integration des IFM-GEOMAR in die Helmholtz-Gemeinschaft liefert einen weiteren wertvollen Beitrag zu den Helmholtz-Beobachtungsnetzwerken und erweitert das Spektrum des Forschungsbereichs wesentlich. Die Zentren sorgen für eine langfristige Sicherung und Entwicklung der Kompetenzen. Die thematische Weiterentwicklung ermöglicht es dem Forschungsbereich auch in Zukunft, auf kurz- und mittelfristige neue Herausforderungen schnell und flexibel zu reagieren.