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Weltmodelle – Von der Arbeit des Graduiertenkollegs GeoSim zwischen Mathematik sowie Erd- und Umweltwissenschaften

Viele kleine Weltmodelle

Foto: fotalia.com/gumpapa.

Die Erde ist eine komplexe Angelegenheit. Was auf und in ihr geschieht, lässt sich schwer erklären und kaum bzw. nur zum Teil vorhersagen. Dabei wäre genau das angesichts der im Zuge des Klimawandels weltweit zunehmenden Naturrisiken erstrebenswert. Verheerende Erdbeben, gewaltige Überschwemmungen und zehrende Dürreperioden oder auch durch Schneeschmelze entstehende Hochwasser – Phänomene, die Erd- und Umweltwissenschaftler gern noch besser verstehen würden. Doch nur zu oft fehlen wichtige Daten, weil sie aus verschiedenen Gründen nicht erhoben werden können, oder ihr Zusammenspiel lässt sich nur mangelhaft rekonstruieren. Deshalb greifen immer mehr Geowissenschaftler für ihre Arbeit auf Computersimulationen zurück. Mit deren Hilfe lassen sich Daten überprüfen, Entwicklungen abbilden, Zusammenhänge verstehen, rekonstruieren und nachweisen. Zugleich wird dabei immer häufiger deutlich, dass wissenschaftliche Untersuchungen auch bestehende Unsicherheiten berücksichtigen müssen, wenn sie der „unsicheren Realität“ auf die Spur kommen wollen – von ungenauen und fehlenden Daten über nur mittelbar bestimmbare Parameter, etwa die Bodeneigenschaften in einem untersuchten Gebiet, bis hin zu möglichen Ungenauigkeiten in den mathematischen Gleichungen eines Computermodells selbst. Genau das ist das Ziel des Helmholtz-Graduiertenkollegs GeoSim, in dem Nachwuchswissenschaftler mit ihren Projekten den Spagat zwischen Mathematik auf der einen sowie Erd- und Umweltwissenschaften auf der anderen Seite vollziehen.

Modelle helfen, erdbebensicher zu bauen

Wie Sanjay Bora. Der junge indische Wissenschaftler hat ein Modell entwickelt, mit dem die Bodenbewegungen bei Erdbeben rekonstruiert und simuliert werden können. Auf dieser Grundlage lässt sich festlegen, welchen Sicherheitsnormen Gebäude entsprechen müssen, um möglichen Beben standhalten zu können.

Gerade bei sensiblen Bauten wie Staudämmen oder Kraftwerken kann das im Ernstfall eine Katastrophe verhindern. Doch für viele Regionen gibt es derlei Simulationen bislang nicht. „Oft fehlen schlicht die entsprechenden Daten“, erklärt Bora. „Da kann mein Modell helfen. Einfach gesagt übertragen wir ein Modell von einer Region, für die wir ausreichend Informationen haben, auf eine andere, wo die Lage lückenhaft ist.“ Dies wird möglich, weil es sich dabei um ein sogenanntes Filtermodell handelt. Während das Grundgerüst gleich bleibt und so die Lücken „füllt“, fügt der Forscher in bestimmten Teilbereichen regionsspezifische Daten ein – „etwa die Dämpfungsverhältnisse in Kalifornien oder die entfernungsabhängige Amplitudenabnahme seismischer Wellen in der Niederrheinischen Bucht“, erklärt Bora. Und das überaus erfolgreich: Die Arbeit des Wissenschaftlers wurde nicht nur bereits mehrfach ausgezeichnet, sie ist auch in der Praxis „angekommen“.

Mittlerweile werden in einer Erdbebenregion Frankreichs die dortigen Erdbebengefährdungsabschätzungen mithilfe seines Modells überprüft. Für Sanjay Bora ist dies Ansporn und Ausgangspunkt, seine Forschung fortzuführen: „Jetzt nutzen andere mein Modell – und geben mir Rückmeldung, was funktioniert und was nicht. Das hilft mir wiederum, es weiterzuentwickeln. Bislang wurde es hauptsächlich in Europa angewendet. In Zukunft soll es aber global zum Einsatz kommen, etwa in Japan oder der USA.“

Mit Bodenbewegungen beschäftigt sich auch Annabel Händel, die wie Bora in der Arbeitsgruppe von Frank Scherbaum, Professor für Geophysik und Seismologie vom Institut für Erd- und Umweltwissenschaften der Universität Potsdam betreut wird. Die Geowissenschaftlerin widmet sich dem Phänomen der sogenannten bodennahen Dämpfung, also der Frage, wie seismische Energie durch die oberen Bodenschichten absorbiert wird – und wie viel. Mithilfe des sogenannten Dämpfungsparameters lässt sich feststellen, wie viel hochfrequente Energie etwa bei einem Erdbeben die Oberfläche erreicht. Dadurch kann der Parameter Aufschlüsse darüber geben, wie dick die Betonmauern von Stauseen sein müssen oder welche Sicherheitsstandards Rohrleitungssysteme in Chemiefabriken zu erfüllen haben.

„Der Dämpfungsparameter ist aber auch besonders wichtig, wenn man ein allgemeineres Bodenbewegungsmodell auf eine bestimmte Region anpassen will“, erklärt Annabel Händel. Leider fehlen häufig die Daten, um die Dämpfung in einer Region bestimmen zu können. Händel versucht daher den gewünschten Parameter aus der sogenannten Bodenunruhe zu extrahieren, die an jedem Seismometer neben den Erdbebensignalen gewissermaßen als „Datenmüll“ aufgezeichnet wird.

Auch Bodenunruhe besteht aus seismischen Wellen, die durch den Untergrund laufen und die daher Informationen über die Dämpfung enthalten müssen – es fehlt nur ein geeignetes Verfahren, um an sie zu gelangen. Das versucht die Wissenschaftlerin gerade zu entwickeln. Momentan arbeitet sie mit den Aufzeichnungen mehrerer Sensoren in Griechenland, einem Gebiet, dessen Dämpfungseigenschaften gut bekannt sind. Ihr Ziel ist es, eine Methode zu finden, die sich weltweit einfach anwenden lässt, sodass die Information über die hochfrequente Dämpfung problemloser bei der Anpassung von Bodenbewegungsmodellen verwendet werden kann.

Simulationen überbrücken Datenlücken

Für Frank Scherbaum ist dies Teil der Erfolgsgeschichte, die das Kolleg seit seiner Gründung „schreibt“ – und das ebenso „angekommen“ ist wie das Instrument der Simulation insgesamt: „In den angewandten Naturwissenschaften hat sich die Computersimulation längst neben dem Experiment und der Theorie etabliert. Dem trägt das Kolleg Rechnung. Es bildet eine neue Generation von Forschern aus, die sich in der Mathematik ebenso bewegen wie in den Geo- und Umweltwissenschaften.“

Es habe sich gezeigt, dass Simulationen gerade bei besonders schwierigen und komplexen Problemen helfen können. „Oftmals sind Daten ungenau oder fehlerhaft. Dann braucht es andere Wege“, sagt Scherbaum. Bei Erdbeben etwa. Diese ließen sich zwar nach wie vor nicht vorhersagen. „Aber mit näherungsweisen Modellen kann man sich an das Problem herantasten – Parameter oder Bodenbewegungen bestimmen – und die zugrundeliegenden Muster genauer verstehen. Dann lassen sich beispielsweise die Bauvorschriften für Gebäude in gefährdeten Gebieten verbessern.“

Dafür haben sich vor einigen Jahren Forscher der Freien Universität Berlin, des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) und der Universität Potsdam zusammengetan, um Mathematik und Geowissenschaften näher zusammenzubringen. Und zwar in Form eines Graduiertenkollegs, bei dem jeder Doktorand von einem Geowissenschaftler und einem Mathematiker betreut wird. Mit dabei war auch der Potsdamer Professor für Hydrologie und Klimatologie Axel Bronstert. „Die explorative Simulation hilft, offene Fragen in unserem Systemverständnis zu beantworten, Vorgänge zu simulieren, für die man keine Daten hat – weil die Orte, wo sie genommen werden müssten, unzugänglich sind, oder es schlicht zu teuer wäre.“ Gleichwohl ersetze das Computermodell die Arbeit im Feld keineswegs: „Wer nun glaubt, man könne alles simulieren, irrt“, so Bronstert. „Die Modelle geben eigentlich das wieder, was Stand des Wissens ist. Bei uns etwa geht es darum, zu den einzelnen Prozessen die bestmöglichen empirischen Daten zusammenzutragen, um sie dann im Modell mathematisch zu verbinden. Die Simulation bildet also im Idealfall die Fragestellung ab – und kann davon ausgehend wahrscheinliche Szenarien berechnen. Je besser die empirischen Daten, desto besser auch das Modell.“

Wasserkreisläufe im großen Maßstab

Die von Axel Bronstert betreuten Doktoranden arbeiten wie er an hydrologischen Themen. Während sich Klaus Vormoor mit der Frage beschäftigt, welche Auswirkungen der Klimawandel auf durch Schneeschmelze entstehende Hochwasser in Norwegen hat, untersuchte die aus den Philippinen stammende Catherine Abon, ob und wie sich extrem kurzfristige Hochwasser, sogenannte „Flash Floods“, mithilfe von Regenradardaten in tropischen Regionen vorhersagen lassen.

Tobias Pilz wiederum nimmt regionale Wasserkreisläufe in den Blick. Ein überaus komplexes Thema, das empirisch nur schwer zu erfassen ist, da sich die Faktoren, die beispielsweise bestimmen, wie Wasser im Boden versickert, im Abstand von nur wenigen Metern gravierend unterscheiden. Entsprechend kompliziert werden regionale Wasserkreislaufmodelle, gerade wenn es um sehr große Gebiete geht – wie im Promotionsprojekt von Tobias Pilz. Er betrachtet die Jaguaribe-Region im Nordosten Brasiliens, ein Gebiet, das mehr als doppelt so groß ist wie Brandenburg.

Bronstert forscht dort schon seit Jahrzehnten in Kooperation mit brasilianischen Partnern. Das dortige Klima ist durch lange Trockenphasen und eine kurze und meist intensive Regenzeit geprägt, die jedoch auch ausbleiben kann, mitunter jahrelang. Daher wurden in der Region insgesamt etliche Tausend Wasserreservoirs angelegt, von denen einige wie die zur Versorgung der Millionenmetropole Fortaleza sehr groß sind, die Mehrzahl indes eher klein. In „feuchten“ Jahren wiederum kommt es zu Hochwassern und ausgedehnten Überschwemmungen, was gerade durch den unkontrollierten informellen Siedlungsbau auch in Überflutungsflächen verheerende Folgen haben kann. Ein System zur Vorhersage von Hochwassern gibt es bislang nicht. „Wir wollen mithelfen, das zu ändern“, sagt Tobias Pilz. „Darum arbeiten wir eng mit dem dortigen hydro-meteorologischen Institut zusammen.“

Das hydrologische Modell, das Tobias Pilz entwickelt, soll Prognosen dafür ermöglichen, wie und wohin das Wasser abfließt – vor allem dann, wenn es in der Regenzeit im gefährlichen Überfluss vorhanden ist. Die Schwierigkeit: So genau, dass sie den Wasserkreislauf vollständig erfassen, lassen sich die Prozesse nicht empirisch ermitteln, schon gar nicht für das gesamte Gebiet. An dieser Stelle kommt die mathematische Modellierung ins Spiel. „Wie das Wasser im Boden versickert, wo es zurückgehalten wird und wo nicht, all das kann man mithilfe von Gleichungen berechnen“, erklärt Axel Bronstert. „Diese bringen wir dann mit zusätzlichen Informationen, etwa über die Bodenbeschaffenheit, das Grundwasser oder den Niederschlag, im Modell zusammen.“

Unsicherheiten nicht ausblenden, sondern berücksichtigen

Dass mathematische Simulationen die komplexen Vorgänge vereinfachten, sei letztlich aus zwei Gründen sogar von Vorteil: „Modelle sind nicht so exakt wie Messwerte, bilden die Realität nie genau ab. Aber nur so können wir uns ihr in ihrer Gesamtheit nähern und sie beschreiben, denn exakt könnten wir die Prozesse nie erfassen. Das wäre viel zu kompliziert.“ Zum anderen ließen sich in den Modellen vorhandene Lücken, Fehler oder Ungenauigkeiten berücksichtigen und erfassen: „Man kann natürlich versuchen, die Ungenauigkeiten durch bessere Daten zu minimieren“, so Bronstert. „Man kann sie aber auch ‚anerkennen‘, ins Modell aufnehmen und – statistisch – bewerten. Bei der Wettervorhersage ist das schon lange üblich.“Genau das macht Tobias Pilz. „Wir speisen alle Daten über die Wasserkreisläufe in der Jaguaribe-Region in das Modell ein“, sagt er. „Zu manchen Parametern haben wir keine empirischen Daten, etwa wie viel Wasser sich in den Reservoirs tatsächlich befindet.“ Die Simulation berechne zwar, wie viel Wasser zufließt, doch aufgrund der vielen Faktoren sei dies nur mit einer gewissen Ungenauigkeit möglich. „Diese Lücke versuchen wir mit anderen Daten zu schließen, etwa durch die Auswertung von Satellitenbildern. Aber auch das birgt Unsicherheiten – und die soll mein Modell berücksichtigen, vergleichen und gewichten.“Je mehr Unsicherheiten er berücksichtigen kann, desto näher kommt er der Realität, auch wenn es nur eine wahrscheinliche ist. Immerhin lässt sich das Modell anpassen – „nachführen“ wie es in der Fachsprache heißt –, sobald zu einzelnen Parametern genauere Daten vorliegen. Und so findet „Forschung“ für Tobias Pilz, aber auch die meisten anderen Doktoranden von GeoSim, zumeist vor einem Computerbildschirm statt. Für ihn kein Problem. „Es ist ein super Mix aus Theorie und Anwendung.“ Außerdem braucht er auf das „Feld“ nicht gänzlich zu verzichten; zu Beginn seines Projekts war er gemeinsam mit Axel Bronstert in Brasilien, um sein „Forschungsgebiet“ aus erster Hand kennenzulernen. Und es wird nicht seine letzte Reise nach Brasilien gewesen sein, ist er sich sicher. Derzeit lernt er in seiner Freizeit Portugiesisch. „Mit Englisch kommt man dort nicht weit.“Eine gemeinsame Sprache zu finden, war auch die besondere Herausforderung von GeoSim, wie Axel Bronstert mit einem Lachen feststellt. „Alle Betreuer sind begeistert vom GeoSim-Projekt, weil sich durch die methodische Verbindung von Mathematik und Erd- und Umweltwissenschaften ganz neue Forschungswege ergeben haben. Aber die Verständigung zwischen den Disziplinen war mitunter anfangs nicht einfach. Es hat durchaus ein halbes Jahr gedauert, bis der eine wusste, was der andere dachte oder wo das Problem liegt.“ Aber mittlerweile versteht man sich.Auch Frank Scherbaum sieht GeoSim als „absoluten Erfolg. Ich würde mir wünschen, dass man dieses Modell ins Studium überträgt: Wenn wir eine neue Generation von Wissenschaftlern ausbilden, die sich im Grenzgebiet von Mathematik und Geowissenschaften bewegen, dann sollte das nicht erst bei Doktoranden beginnen.“


Die „Helmholtz Research School for Explorative Simulation in Earth-Sciences“, kurz GeoSim, ist ein Zusammenschluss von Erd- und Umweltwissenschaftlern sowie Mathematikern, um Forschung und Lehre auf dem Gebiet der explorativen Simulationen in den Geowissenschaften auszubauen. GeoSim wird von der Helmholtz-Gemeinschaft und durch Zuschüsse der beteiligten Institutionen – GFZ Potsdam, Freie Universität Berlin und Universität Potsdam – finanziert. Derzeit forschen im Graduiertenkolleg 39 Nachwuchswissenschaftler aus zehn Ländern.

Die Wissenschaftler

Prof. Dr. Axel Bronstert studierte Bauingenieurwesen mit Schwerpunkt Hydrologie und Wasserwesen in Karlsruhe, wo er auch promovierte. Er war von 1995 bis 1999 am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) in der Wasserforschung tätig. Seit 2000 ist er Professor für Hydrologie und Klimatologie an der Universität Potsdam.

Kontakt

Universität Potsdam
Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam
E-Mail: axel.bronstertuni-potsdamde

Prof. Dr. Frank Scherbaum studierte Physik, Geologie (und Musikwissenschaften) an der Universität Tübingen. Nach der Promotion und Habilitation in Geophysik  an der Universität Stuttgart und mehrjährigen Aufenthalten in den USA und Japan wurde er 1989 als Professur für Seismologie an die Ludwig-Maximilians Universität in München berufen. Seit 1997 ist er Professor für Allgemeine Geophysik an der Universität Potsdam.

Kontakt

Universität Potsdam
Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam
E-Mail: fsgeo.uni-potsdamde

Sanjay Bora studierte Physik an der Kumaun Universität (Indien) und Computational Seismology an dem Indian Institute of Technology Kharagpur. Anfang 2016 hat er seine Doktorarbeit erfolgreich an der Universität Potsdam verteidigt. Derzeit arbeitet Sanjay Bora als Postdoc am GFZ Potsdam.

Kontakt

Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum
Helmholtzstraße 6, 14467 Potsdam
E-Mail: boragfz-potsdamde

Annabel Händel studierte Geowissenschaften mit der Vertiefung Geophysik an den Universitäten Tübingen und Potsdam. Seit 2012 promoviert sie an der Universität Potsdam.

Kontakt

Universität Potsdam
Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam
E-Mail: ahaendeluni-potsdamde

Tobias Pilz studierte an der Universität Potsdam und hat einen Masterabschluss in Geoökologie. Seit 2014 promoviert er dort im Bereich Hydrologie.

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Universität Potsdam
Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam
E-Mail: tpilzuni-potsdamde

Text: Matthias Zimmermann
Online gestellt: Agnetha Lang
Kontakt zur Online-Redaktion: onlineredaktionuni-potsdamde