Den Energieerhaltungssatz kennt man aus dem Physikunterricht: Die Energie eines geschlossenen Systems ist konstant. Sie geht nicht verloren, sondern wird in andere Formen umgewandelt, beispielsweise wenn aus kinetischer Energie Wärme wird – oder umgekehrt, wenn Wärme zu einer Bewegung führt. Dieses naturwissenschaftliche Grundprinzip stellt für die Klimaforschung jedoch häufig noch ein Problem dar. Bisher ist es beispielsweise bei der Berechnung von Meeresströmungen unklar, woher die Energie kommt, durch die kleinräumige Wirbel und durch sie hervorgerufene Durchmischungsprozesse entstehen. Gleiches gilt für die Atmosphäre, wo sich Luft anstelle von Wasser bewegt: Auch hier können lokale Turbulenzen größere Bewegungen antreiben oder umgekehrt Wellen in größerem Maßstab in kleine Strukturen zerfallen.
Wie Wellen, Wirbel und Turbulenzen unser Klima beeinflussen
All diese Prozesse sind wichtig für das Erdklima. Sie bestimmen, wie die Temperaturen in Zukunft steigen werden. Doch wie genau der Energietransfer zwischen Wellen und Wirbeln im Meer und in der Atmosphäre funktioniert, bleibt oft unklar. Ziel der Forschenden ist es, energetisch konsistente mathematische Modelle zu entwickeln und so Klimaanalysen und Prognosen zu präzisieren. Dafür arbeiten im interdisziplinären Projekt „Energieübertragung in Ozean und Atmosphäre“ Meteorologen, Meereswissenschaftler und Mathematiker zusammen – insgesamt rund 70 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind daran beteiligt. Die Förderung des Transregio-Sonderforschungsbereichs wurde jetzt von der DFG bis Mitte 2028 verlängert. Koordiniert wird das Projekt vom Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit der Universität Hamburg. Weitere Partner sind beispielsweise das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven, das Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel oder das Leibniz-Institut für Ostseeforschung in Warnemünde.
Seitens der KU arbeitet Prof. Dr. Marcel Oliver vom Mathematischen Institut für Maschinelles Lernen und Data Science (MIDS) in dem Sonderforschungsbereich mit. Er entwickelt mit seinem Team mathematische Modelle und numerische Simulationsverfahren, um komplexe Wechselwirkungen und Prozesse im Klimasystem zu beschreiben. Die Projekte im Sonderforschungsbereich zielen darauf ab, „neue Computerrechenmethoden zu entwickeln, die uns helfen zu verstehen, wie kleine, oft nicht direkt sichtbare Bewegungen und Prozesse im Meer und in der Luft die Energie in unseren Klimasystemen übertragen und verteilen“, erklärt Oliver.
Dabei konzentriere man sich auf zwei Hauptansätze: Zum einen geht es um die Entwicklung von Methoden, die den Zufall spielen lassen (stochastische Ansätze), die mit den Gesetzen der Physik im Mittel übereinstimmen, ohne aber unrealistisch hohe Anforderungen an die notwendige Rechenleistung zu stellen. Zum anderen befasst sich die Arbeitsgruppe mit Verfahren zur Analyse von Simulationsdaten, die von Klimamodellen der jüngsten Generation auf unstrukturierten Simulationsgittern geliefert werden. „Das Ziel ist es, Modelle zu schaffen, die verlässlichere Vorhersagen über das Klima ermöglichen, indem sie korrekt abbilden, wie Energie sich von kleinsten Strömungen zu großflächigen Mustern bewegt“, so Oliver.
Über den Sonderforschungsbereich konnten am Lehrstuhl von Marcel Oliver zwei Doktorandenstellen und eine Postdoktorandenstelle eingeworben werden. „Die Nachwuchsförderung und die Ausbildung der nächsten Generation von Forschenden ist gerade in diesem Bereich sehr wichtig", sagt Prof. Dr. Jens Hogreve, Vizepräsident für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs. Daher freue sich die KU über die weitere vierjährige Förderphase. Die Beteiligung an diesem DFG-Sonderforschungsbereich sei eine wichtige Säule der Nachhaltigkeitsforschung an der KU. Das 2022 in Ingolstadt eingerichtete Mathematische Institut für Maschinelles Lernen und Data Science ist nicht nur ein zentraler Baustein im neuen Schwerpunkt Digitalisierung der KU, sondern forscht im Bereich Klimawandel. Beispiele dafür sind die Beteiligung am DFG-Sonderforschungsbereich „Wellen, Wolken, Wetter“ (Prof. Dr. Tijana Janjic, Heisenberg-Professorin für Datenassimilation) oder in einer DFG-Forschungsgruppe zur Beschaffenheit und Struktur von Böden (Prof. Dr. Nadja Ray, Lehrstuhl für Geomatik und Geomathematik).