Modellierung atmosphärischer Prozesse
Physikbasierte numerische Modelle sind unverzichtbare Werkzeuge zum Verständnis atmosphärischer Prozesse von der Erdoberfläche bis in den erdnahen Weltraum. Die Mesosphäre und untere Thermosphäre (MLT) als Übergangsschicht zwischen Atmosphäre und Weltraum ist sowohl mit der darunterliegenden Atmosphäre als auch mit dem Weltraum gekoppelt. Mit unseren Modellen können wir die Auswirkungen troposphärischen Wetters von unten auf die MLT quantifizieren und die komplexen Ketten von Rückkopplungen zwischen Strahlung, Chemie und Dynamik nachverfolgen, die durch solarmagnetosphärische Antriebe von oben ausgelöst werden. Die relevanten physikalischen Phänomene umfassen Skalen von globalen Dimensionen bis hinunter zu Kilometerskalen. Unser wichtigstes numerisches Modell, UA-ICON, kann den gesamten Globus mit einer feinen horizontalen und vertikalen Gitterauflösung abdecken. Dies ermöglicht es uns, atmosphärische Physik über das gesamte relevante Spektrum von Skalen hinweg zu untersuchen, ohne auf eine unphysikalische Skalentrennung angewiesen zu sein.
Unsere Forschung umfasst vier stark miteinander verknüpfte Themenbereiche:
- Strahlung und Chemie,
- Wellen und Turbulenz,
- Kopplung zwischen neutraler Atmosphäre und Ionosphäre sowie
- globale Zirkulation und Trends.
Um die relevanten physikalischen Phänomene möglichst genau zu erfassen, betreiben wir eine kontinuierliche Weiterentwicklung und Validierung unserer Modelle in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Modellierungszentren. Diese Aktivitäten sind notwendig, um unsere theoretisch-konzeptionellen Studien durchführen zu können. Wir arbeiten eng mit den anderen Abteilungen des IAP zusammen, um wechselseitig nutzbringende Synergien zwischen numerischen Simulationen und Beobachtungen zu schaffen.
Neben unserer Forschung mit dem umfassenden UA-ICON-Modell setzen wir Modelle unterschiedlicher Komplexitätsstufen ein, um Prozessstudien durchzuführen.
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Forschungsschwerpunkte
Kurzfristige Schwankungen der Sonnenaktivität in Form von Sonneneruptionen, Sonnenprotonenereignissen und geomagnetischen Stürmen stören die chemische Zusammensetzung und Dynamik der MLT-Region aufgrund eines komplexen Zusammenspiels von physikalischen, chemischen und dynamischen Erwärmungs- und Abkühlungsprozessen, die räumliche Skalen von zehn bis hundert Kilometern beeinflussen. Wir untersuchen diese Prozesse und ihre Wechselwirkungen mit Hilfe von UA-ICON. Um diese Forschung zu ermöglichen, verbessern wir die Darstellung relevanter physikalischer Prozesse in UA-ICON durch die Implementierung neuer Strahlungsschemata zur Kopplung von solaren und geomagnetischen Antrieben sowie interaktiver Chemie und neuer Parametrisierungen für Iondrag und Joule-Erwärmung.
Für Prozessstudien im Zusammenhang mit der MLT-Chemie setzen wir das Chemie-Transport-Modell CTM-IAP ein. Es simuliert Airglow sowie die vereinfachte Plasmachemie der ionosphärischen D- und E-Regionen und kann mit Wind- und Temperaturfeldern aus dynamischen Modellen wie UA-ICON oder aus meteorologischen Analysen angetrieben werden. Unsere CTM-IAP-Experimente ermöglichen es uns, die Effekte planetarer Wellen, Schwerewellen und anthropogenen Antriebs auf die Photochemie und das Airglow der Mesopausenregion zu identifizieren und voneinander zu trennen. Ein Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf den chemischen charakteristischen Zeiten von Spurenstoffen. Wir bestimmen, welche Quellen atmosphärischer Variabilität, z.B. planetare Wellen, Schwerewellen oder Gezeiten, zu Variationen einer bestimmten chemischen Verbindung führen, und bewerten, in welchem Maß sich chemische Bestandteile im Gleichgewicht befinden, da dies häufig eine wichtige Annahme für die theoretische chemische Kinetik und für eine zuverlässige Interpretation von Messungen ist.
Weitere Informationen
- Projekt SODY-MLT https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/528774615
- Projekt CLIMATE3D: https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/547675919
Der Einfluss der unteren und mittleren Atmosphäre (Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre) auf die obere Atmosphäre (Thermosphäre, Ionosphäre) ist ein sich rasch entwickelndes Forschungsgebiet der Solar-Terrestrischen Physik. Die multiskalige Dynamik von Mesosphäre, Thermosphäre und Ionosphäre wird von Gezeiten, Schwerewellen und kleinskaligen Wirbeln dominiert. Mit UA-ICON untersuchen wir den Lebenszyklus explizit aufgelöster Wellen, verfolgen sie von ihren Quellen bis zu ihren Senken und untersuchen ihre Wechselwirkungen untereinander, mit der mittleren Strömung sowie der Turbulenz.
Schwerewellen mit großen vertikalen Wellenlängen und schnellen vertikalen Phasengeschwindigkeiten erfahren nur eine geringe Dissipation und können die Thermosphäre mit beträchtlicher Amplitude erreichen, wodurch sie in situ Muster in thermosphärischen Variablen erzeugen, die in direktem Zusammenhang mit den Eigenschaften der thermosphärischen Wellen stehen. Diese wiederum werden durch das anfängliche Wellenspektrum und dessen Veränderung während der Ausbreitung bestimmt. Mit hochauflösenden UA-ICON-Simulationen können wir ein gut aufgelöstes Spektrum der Schwerewellenquelle erzielen, das aus aufgelöster tiefer Konvektion, Orografie und unausgeglichener Dynamik resultiert. Die globale Abdeckung ermöglicht es uns zu untersuchen, wie großräumige Zirkulationsmuster, wie z. B. die Variabilität des Polarwirbels und die quasi-zweijährige Oszillation, die Wellenausbreitung beeinflussen.
Wellen und Turbulenzen stellen zudem seit langem bestehende theoretische Probleme dar. Wellenenergie weist robuste spektale Steigungen auf, aber wir verfügen noch immer nicht über ein vollständiges Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen. Wir untersuchen die spektale Energieübertragung nicht nur auf globaler Ebene, sondern auch auf regionaler Ebene, um Zusammenhänge mit meteorologischen Regimen herzustellen und eine Beobachtungsvalidierung der abgeleiteten Prozesse zu ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt der theoretischen Studien ist die Wechselwirkung von Wellen mit Turbulenzen und die damit verbundenen Schließungsverfahren. Die entsprechenden Simulationen verwenden das nicht-spektrale UA-ICON- und das spektrale KMCM-Modell.
Weitere Informationen:
Atmosphärische Wellen können das Ionosphären-Thermosphären-System in Höhen über 100 km auf verschiedene Weise beeinflussen. Durch elektrodynamische Prozesse können Wellen über den E-Region-Dynamo in einer Höhe von etwa 110 km elektrische Felder und Ströme erzeugen. Solche Prozesse können mit UA-ICON allein nicht modelliert werden, da es keinen elektrodynamischen Solver enthält. Daher untersuchen wir die Auswirkungen der neutralen Dynamik auf die Ionosphäre, indem wir zusätzliche Modelle mit der von UA-ICON berechneten detaillierten neutralen Dynamik forcieren.
Die zusätzlichen Modelle können unterschiedliche Komplexitätsstufen aufweisen. Das umfassendste Modell ist global und hat seine untere Grenze bei etwa 97 km. Es löst die Gleichungen, die die Physik der Thermosphäre und Ionosphäre beschreiben, einschließlich Elektrodynamik und Ionenchemie. Einfachere Konfigurationen können chemische Transportmodelle beinhalten, die keine Elektrodynamik berücksichtigen, uns aber ermöglichen zu untersuchen, wie sich neutrale atmosphärische Variabilität auf Ionisationsraten und Airglow auswirkt. Der Vorteil der Anwendung dieser zusätzlichen Modelle besteht darin, dass wir die UA-ICON-Felder filtern können, bevor wir sie vorschreiben. Auf diese Weise können wir beurteilen, welche Moden für die Ionosphärenvariabilität am relevantesten sind.
Weitere Informationen:
Die mittlere und obere Atmosphäre werden durch den Klimawandel aufgrund des steigenden Kohlendioxidgehalts stark beeinflusst und kühlen sich rapide ab. Während dieser Prozess auf globaler Ebene relativ gut verstanden ist, haben regionale Veränderungen weniger Beachtung gefunden. Wir führen mehrere Jahrzehnte umfassende UA-ICON-Simulationen mit vorgegebenen historischen Antrieben und Nudging unterhalb von 50 km durch. Das Nudging beschränkt die Dynamik der unteren Atmosphäre auf die beobachteten meteorologischen Bedingungen, was zumindest teilweise auch die Dynamik in der Mesosphäre und Thermosphäre einschränken kann, da es realistische Quellen und Ausbreitungsumgebungen für atmosphärische Gezeiten, planetarische Wellen und aufgelöste Schwerewellen erzwingt. Mit diesem Ansatz untersuchen wir regionale Trends in der Dynamik der MLT, ihre Verbindung zur globalen Zirkulation sowie Rückkopplungsmechanismen.
Wir arbeiten außerdem an verbesserten Vorhersagen der atmosphärischen Dichte. Die Kenntnis des Dichtefeldes in der MLT und oberhalb davon ist von besonderer Bedeutung für die Vorhersage von Umlaufbahnen von Satelliten und Wiedereintrittsszenarien von Weltraumobjekten. Die Mesosphäre und die untere Thermosphäre sind die Region, in der wieder eintretende Weltraumobjekte verglühen, was Auswirkungen auf die Chemie der gesamten Atmosphäre haben kann.
Weitere Informationen:
- Projekt IMPAGT