text: Integration von Oberflächen-Atmosphäre-Austauschprozessen über Skalen hinweg - Modellierung und Überwachung (IPAS) | Göckede
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  Biosphärische Theorie und Modellierung | Kleidon
  Biosphärentheorie und Modellierung
  1. Überblick
  Energieumwandlungen zwischen verschiedenen Formen steht im Zentrum von Leben, menschlichen Gesellschaften und des gesamten Erdsystems. Wenn das Sonnenlicht die Erdoberfläche erreicht, kann seine Energie einfach die Temperatur erhöhen und wird dann in Wärmeenergie umgewandelt. Sie kann einen Auftrieb in der Atmosphäre verursachen, der kinetische Energie erzeugt, oder sie kann Wasser verdampfen, eine Form von latenter Wärme. Das Sonnenlicht kann auch von der Vegetation zur Photosynthese genutzt werden, wobei es in chemische Energie in Form von Kohlenhydraten umgewandelt wird. Oder es trifft auf ein Solarmodul und erzeugt Strom für den menschlichen Gebrauch.
  Es gibt strenge physikalische Gesetze, die die Energieumwandlung regeln, die so genannten Gesetze der Thermodynamik. Eines dieser Gesetze ist die Erhaltung der Energie. Wann immer Energie ihre Form ändert, geht insgesamt nichts verloren oder wird gewonnen. Das andere relevante Gesetz befasst sich mit der Entropie, die die Richtung und die relevanten Grenzen für Energieumwandlungen vorgibt. Dennoch wird er in der gegenwärtigen Erdsystemforschung praktisch nicht berücksichtigt.
  Unsere Gruppe nimmt die Thermodynamik als Ausgangspunkt, kombiniert sie aber mit den Wechselwirkungen innerhalb des Erdsystems. Daraus leiten wir ab, wie das System funktionieren sollte. Ein Beispiel ist die atmosphärische Zirkulation, der grundlegende Transportmechanismus, der globale biogeochemische Kreisläufe ermöglicht. Die kinetische Energie der Atmosphäre wird durch Unterschiede in der Erwärmung und Abkühlung erzeugt, und die Gesetze der Thermodynamik begrenzen die Umwandlungsrate. Wie sich herausstellt, arbeitet die Atmosphäre so hart wie möglich, um Bewegung zu erzeugen. Die Energieumwandlung und die Gesetze der Thermodynamik stellen somit eine äußerst wichtige Begrenzung der atmosphärischen Zirkulation dar.
  Dies hat mehrere Auswirkungen: Es deutet darauf hin, dass auch andere Prozesse im Erdsystem so hart arbeiten, wie sie nur können. Dadurch werden sie durch solche thermodynamischen Ansätze in hohem Maße vorhersagbar. Es bietet einen einfachen Ansatz, der tief in der grundlegenden Physik verwurzelt ist, um die Rolle der Bewegung zu beschreiben. So können wir einfache, physikalische Schätzungen des Klimas und seiner Veränderungen vornehmen. Es ist vielleicht nicht so präzise wie ein komplexes Computermodell, aber es liefert Erkenntnisse über die wichtigsten Faktoren. Und dieser Ansatz hat praktische Auswirkungen: Er bestimmt, wie viel erneuerbare Energie die Erde bestenfalls erzeugt. Unsere Gruppe entwickelt diesen Ansatz weiter und wendet ihn auf andere Themen der Erdsystemforschung an.
  Das System Erde wandelt die Energie des Sonnenlichts in verschiedene Formen um, die Klimaprozesse antreiben, das Leben ernähren und menschliche Gesellschaften versorgt. Die Thermodynamik gibt die Richtung vor und setzt dieser Dynamik Grenzen. Source: NASA
  Das System Erde wandelt die Energie des Sonnenlichts in verschiedene Formen um, die Klimaprozesse antreiben, das Leben ernähren
  und menschliche Gesellschaften versorgt. Die Thermodynamik gibt die
  Richtung vor und setzt dieser Dynamik Grenzen.
  Source: NASA
  2. Theorie des Erdsystems
  Wir untersuchen, wie der thermodynamische Erdsystemansatz auf verschiedene Bereiche und Fragen der Erdsystemforschung angewendet werden kann. Einige Arbeiten sind recht theoretisch, z. B. mit dem Ziel, die Intensität der Energieumwandlung mit charakteristischen Häufigkeitsverteilungen oder der räumlichen Organisation von Systemen zu verbinden. Andere Forschungsarbeiten zielen darauf ab, den Wasserkreislauf als thermodynamisches System vollständig zu beschreiben, um seine grundlegenden Eigenschaften abzuleiten und herauszufinden, wie sich diese mit dem Klimawandel verändern sollten. Wir untersuchen auch die Anwendung dieser Konzepte auf die Dynamik von Ökosystemen, auf die Faktoren, die das Leben auf einem Planeten ermöglichen, und auf die potenzielle Dynamik von fortgeschrittenen Zivilisationen auf Exoplaneten.
  Die großräumige atmosphärische Zirkulation zwischen den Tropen und den Polen ist das Ergebnis der Energieumwandlung einer Wärmekraftmaschine, die Strahlungsunterschiede in kinetische Energie umwandelt. Kleidon (2021) doi: 10.1127/metz/2021/1062.
  Die großräumige atmosphärische Zirkulation zwischen den Tropen und den Polen ist das Ergebnis der Energieumwandlung einer Wärmekraftmaschine, die Strahlungsunterschiede in kinetische Energie umwandelt.
  Kleidon (2021) doi: 10.1127/metz/2021/1062.
  Übersichtsarbeit (auf Deutsch)
  Kleidon, A. (2012). Was leistet die Erde? Physik in unserer Zeit. 43(3), 136-144.
  doi: 10.1002/piuz.201201294.
  3. Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre
  Wir wenden unseren Ansatz an, um die grundlegenden Faktoren zu verstehen, die das Klima an Land beeinflussen, und überprüfen diese Schätzungen mit Beobachtungen. Ein Schwerpunkt ist zu verstehen, wie die einfallende Sonnenenergie während des Tages in verschiedene Energieformen aufgeteilt wird. Diese Aufteilung wird hauptsächlich durch die Thermodynamik bestimmt. Anschließend untersuchen wir, wie Vegetation, Wasserverfügbarkeit und die Atmosphäre diese Aufteilung verändern. Vegetation entwickelt tiefreichende Wurzelsysteme, die den Zugang zum Bodenwasser erhöhen. Dies verändert die Wasserverfügbarkeit, die Energieverteilung und die Art und Weise, wie die Atmosphäre den Tagesgang abpuffert. Dieser Ansatz wird angewandt, um die Variationen im Klima und des Wasserkreislaufs in verschiedenen Regionen zu verstehen. Wir wenden unseren Ansatz auch an, um zu bestimmen, wie sich diese Dynamik mit der globalen Erwärmung verändert.
  Beobachteter solarer Energieeintrag ("Rs", rote Linie) in einem tropischen Regenwald im Südosten Brasiliens und seine Aufteilung in Verdunstung ("LE", blau) und fühlbare Wärme ("H", hellrot) in Beobachtungen (Symbole) und wie von der Thermodynamik erwartet (Linien). Conte et al. (2019) doi: 10.1029/2018GL081625.
  Beobachteter solarer Energieeintrag ("Rs", rote Linie) in einem tropischen Regenwald im Südosten Brasiliens und seine Aufteilung in Verdunstung ("LE", blau) und fühlbare Wärme ("H", hellrot) in Beobachtungen (Symbole) und wie von der Thermodynamik erwartet (Linien). Conte et al. (2019) doi: 10.1029/2018GL081625.
  Übersichtsarbeiten (auf Deutsch)
  Kleidon, A., Renner, M. (2015). Geoengineering ist keine Lösung -- Der globale Wasserkreislauf im Klimasystem. Physik in unserer Zeit, 46(1), 27-31.
  doi: 10.1002/piuz.201401381.
  Kleidon, A. (2020). Sonne oder Treibhauseffekt? Globale Erwärmung einfach und physikalisch nachgerechnet. Physik in unserer Zeit, 51(2), 79-85.
  doi: 10.1002/piuz.202001560.
  4. Erneuerbare Energie
  Die Energieumwandlungen des Erdsystems bestimmen die Größenordnung verschiedener Formen erneuerbarer Energie. Je mehr Umwandlungsschritte erforderlich sind, desto geringer ist das Ressourcenpotenzial. So hat die direkte Nutzung der Sonnenstrahlung, zum Beispiel durch Photovoltaik, das mit Abstand größte Ressourcenpotenzial, auch im nicht ganz so sonnigen Deutschland. Die Windenergie involviert mehr Schritte und hat ein geringeres Ressourcenpotenzial. Es wird noch geringer, je mehr Windräder der Atmosphäre Bewegungsenergie entziehen. Die Photosynthese hat einen sehr geringen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie. Daraus ergibt sich ein geringes Ressourcenpotenzial für verschiedene Formen von Biokraftstoffen. Wir entwickeln vereinfachte Modelle, um diese Größenordnungen abzuleiten und Szenarien der Energiewende zu einem nachhaltigen Energiesystem zu bewerten.
  Hypothetische Klimamodellsimulationen (Kreise) zeigen, dass mit zunehmender Windenergienutzung die Windgeschwindigkeiten abnehmen müssen (obere Grafik), wodurch das Windressourcenpotenzial begrenzt wird (untere Grafik). Diese Erkenntnisse lassen sich aus energetischen Prinzipien ableiten (Linien). Kleidon (2021) doi: 10.1002/piuz.201901540.
  Hypothetische Klimamodellsimulationen (Kreise) zeigen, dass mit zunehmender Windenergienutzung die Windgeschwindigkeiten abnehmen müssen (obere Grafik), wodurch das Windressourcenpotenzial begrenzt wird (untere Grafik). Diese Erkenntnisse lassen sich aus energetischen Prinzipien ableiten (Linien).
  Kleidon (2021) doi: 10.1002/piuz.201901540.
  Übersichtsarbeit (auf Deutsch)
  Kleidon, A. (2019). Sonne statt Flaute. Physik in unserer Zeit, 50(3), 120-127.
  doi: 10.1002/piuz.201901540.
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  Arbeitsgruppe
  Dr. PD Axel Kleidon
  Group leader +49 3641 57-6217 akleidon@...
  PhD candidate Jonathan Minz
  Works on wind energy +49 3641 57-6286 jminz@...
  PhD candidate Sarosh Alam Ghausi
  Works on thermodynamics and the water cycle +49 176 7489-2823 sghausi@...
  Blog
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  Institute Colloquium 2019
  "Understanding the Earth:
  A Thermodynamic perspective"
  by Dr. Axel Kleidon
  Folien der Präsentation als PDF-Datei
  Zeitschriftenartikel (141)
  1.
  Zeitschriftenartikel
  Panwar, A.; Kleidon, A.: Evaluating the response of diurnal variations in surface and air temperature to evaporative conditions across vegetation types in FLUXNET and ERA5. Journal of Climate 35 (19), S. 2701 - 2728 (2022)
  MPG.PuRe
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  2.
  Zeitschriftenartikel
  Ghausi, S. A.; Ghosh, S.; Kleidon, A.: Breakdown in precipitation–temperature scaling over India predominantly explained by cloud-driven cooling. Hydrology and Earth System Sciences 26 (16), S. 4431 - 4446 (2022)
  MPG.PuRe
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  3.
  Zeitschriftenartikel
  Schroers, S.; Eiff, O.; Kleidon, A.; Scherer, U.; Wienhöfer, J.; Zehe, E.: Morphological controls on surface runoff: an interpretation of steady-state energy patterns, maximum power states and dissipation regimes within a thermodynamic framework. Hydrology and Earth System Sciences 26 (12), S. 3125 - 3150 (2022)
  MPG.PuRe
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  4.
  Zeitschriftenartikel
  Liu, F.; Wang, X.; Sun, F.; Kleidon, A.: Potential impact of global stilling on wind energy production in China. Energy: the international journal 263 (Part B), 125727 (2022)
  MPG.PuRe
  DOI
  5.
  Zeitschriftenartikel
  Carmona, A. M.; Renner, M.; Kleidon, A.; Poveda, G.: Uncertainty of runoff sensitivity to climate change in the Amazon River basin. Annals of the New York Academy of Sciences 1504 (1), S. 76 - 94 (2021)
  MPG.PuRe
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  External
  6.
  Zeitschriftenartikel
  Kleidon, A.; Binder, K.: Physik-Nobelpreis 2021: Komplexe Systeme. Physik in unserer Zeit 52 (6), S. 272 - 273 (2021)
  MPG.PuRe
  DOI
  7.
  Zeitschriftenartikel
  Savitch, E.; Frank, A.; Carroll-Nellenback, J.; Haqq-Misra, J.; Kleidon, A.; Alberti, M.: Triggering a climate change dominated “Anthropocene”: Is it common among exocivilizations? The Astronomical Journal 162 (5), 196 (2021)