Schwebende Teilchen

Luftverschmutzungen gehören gezwungenermaßen zu unserem Alltag. Die Ursachen dafür sind vielschichtig. Sie reichen von Vulkanausbrüchen bis zu Bränden und Ausstößen aus Industrieanlagen. Um die Auswirkungen zu untersuchen, sind nicht nur Naturwissenschaftler, wie Physiker, sondern auch Mathematiker gefragt. Zu ihnen gehört Prof. Dr. Christine Böckmann, die sich mit mathematischen Verfahren für inverse Probleme und deren Anwendung in der Atmosphärenforschung beschäftigt.

Nach dem Mathematik-Studium war es Christine Böckmanns Wunsch, möglichst anwendungsbezogen zu arbeiten. „Ich wollte nicht bei der Mathematik bleiben, die ich studiert hatte.“ Deshalb wandte sie sich der Numerischen Mathematik zu. Bereits im Rahmen ihrer Promotion entwickelte sie Algorithmen, die in den Naturwissenschaften Anwendung finden können. Heute liegt ihr Schwerpunkt in der interdisziplinären Forschung auf dem hochaktuellen Gebiet der Parameteridentifikation für Aerosolpartikel in der Atmosphäre. Diese spielen eine wesentliche Rolle bei der globalen Erwärmung beziehungsweise Abkühlung. In Fachkreisen wird Christine Böckmanns Fähigkeit geschätzt, mathematische Theorie und Anwendung in gleich hoher Qualität zu betreiben.

Schon in den 1990er Jahren war die Wissenschaftlerin an einem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt beteiligt, in dem es um mathematische Verfahren zur Lösung von konkreten Problemstellungen in Industrie und Wirtschaft ging. In dieser Zeit begann die enge Zusammenarbeit mit der regionalen LIDAR-Gruppe des Alfred-Wegener-Institutes Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Potsdam. Die Gruppe betreibt ihre Technik zur Beobachtung der klimatischen Entwicklung in der Arktis in Ny-Ålesund auf Spitzbergen. Der Name LIDAR leitet sich von „light detection and rangig“, also Erkennen und Sondieren mit Licht, ab. Bei einem LIDAR-System, einem optischen Radar, werden gepulste Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge in die Atmosphäre ausgestrahlt. Dort streuen die Moleküle der Luft sowie kleine Schwebeteilchen, die Aerosolpartikel, die elektromagnetische Strahlung. Die Intensität des rückgestrahlten Lichtes wird zeitabhängig gemessen. Mathematisch betrachtet, „handelt es sich um ein nichtlineares inverses Streuproblem. Invers bedeutet, dass die Aerosolgrößenverteilung durch das an den Teilchen zurückgestreute und auf einem Detektor wieder aufgefangene Laserlicht indirekt bestimmt werden kann“, erläutert Christine Böckmann, deren Team sich zu jener Zeit des Beginns der Kooperation mit „inversen Streuproblemen“ befasste.

Die Anwendung der LIDAR-Technik zur Fernerkundung der Atmosphäre erwies sich als erfolgreich. Aus den optischen Daten und den gemessenen LIDAR-Signalen rechneten die Mathematiker mithilfe eines Modells weitere mikrophysikalische Partikeleigenschaften aus. Da diese Problematik auch mit Blick auf die Klimaerwärmung relevant ist, entwickelte sich aus dem deutschen LIDARNetz eine europaweite Interessengemeinschaft. EARLINET, das Europäische Aerosol Research Lidar Network, später EARLINET-ASOS (European Aerosol Research Lidar Network – Advanced Sustainable Observation System), wurde im Jahre 2000 gegründet. Die darin agierenden Wissenschaftler haben es sich zum Ziel gesetzt, eine möglichst umfassende Datenbasis für die Aerosol-Verteilung auf kontinentaler Ebene zu erstellen.

Christine Böckmanns Doktorand Lukas Osterloh hatte die Chance, im Supercomputerzentrum in Barcelona auf Parallelrechnern eine große Simulationsstudie durchzuführen. Deren Realisierung hätte mit der in Potsdam vorhandenen Technik Jahre gedauert. Das mathematische Modell konnte optimiert und eine entsprechende Software entwickelt werden. In der ersten Stufe bestimmten die Wissenschaftler für kugelförmige, also sphärische Partikel aus den optischen LIDAR-Profilen mikrophysikalische Partikelparameter. Später gelang es ihnen, das eindimensionale auf ein zweidimensionales Modell zu erweitern.

„Die von uns beobachteten Aerosole haben entscheidenden Einfluss auf Wetter und Klima“, sagt Christine Böckmann. Bei der Betrachtung der Klimamodelle werden aber nicht nur Aerosolpartikel, sondern auch Wolken untersucht. Um die Modelle zu verbessern, haben sich Forscher aus den „Aerosol-Gruppen“ mit jenen der „Wolken-Gruppen“ zusammengetan. Und sie wollen junge Leute dafür begeistern, sich mit den neuen Ideen zu beschäftigen. Auf diese Weise konnte ein Marie-Curie-Projekt bei der EU eingeworben werden. Das vier Jahre dauernde Projekt hat das Ziel, junge Doktoranden und Postdocs in der atmosphärischen Fernerkundung auszubilden („Initial Training for Atmospheric Remote Sensing“). Es startete im April 2012 und umfasst zehn Gruppen aus verschiedenen Ländern, eine davon arbeitet an der Universität Potsdam.

Als 2010 der Vulkan Eyjafjallajökull ausbrach, hatte das über Island hinaus große Auswirkungen. Aufgrund der ausgetretenen Vulkanasche musste der Flugverkehr in weiten Teilen Nord- und Mitteleuropas eingestellt werden, was eine bis dahin beispiellose Beeinträchtigung des Luftverkehrs in Europa zur Folge hatte. Das optische Radar LIDAR kann helfen, die Partikel aus der Vulkanasche zu identifizieren. Mit praktischem Nutzen, denn der Aschestaub ist nicht per se ein Problem für den Flugverkehr. Nur bestimmte Partikeltypen sind für die Flugzeugtriebwerke „schädlich“. In jedem Fall treten immer mehr nichtsphärische Partikel auf, also solche, die keine Kugel-, sondern eine beliebige andere Form haben. Die bisher benutzten mathematischen Modelle sind hier nicht verwendbar. Ziel ist es also, neue Modelle für nichtsphärische Partikel, beispielsweise aus Saharastaub und Vulkanwolken, zu entwickeln. Dafür wird eine Datenbank über das Streuverhalten solcher Partikel benötigt.

Zunächst geht es den Wissenschaftlern darum, die Reaktion der mathematischen Modelle auf nichtsphärische Partikel zu untersuchen. Hier stehen die Mathematiker ganz am Anfang. Christine Böckmann bezeichnet das Vorhaben als Generationenprojekt. Die Fragestellung ist auch deshalb für sie so interessant, weil darüber nachgedacht wird, Partikel in die Atmosphäre zu schicken, um das Klima zu beeinflussen, beispielsweise die Temperatur zu senken oder Regen zu produzieren. Im Raum steht dabei die Frage nach den ethischen und rechtlichen Konsequenzen. Auch vor diesem – überaus praktischen – Hintergrund ist es für Christine Böckmann wichtig, an dem Projekt weiterzuarbeiten. „Ich denke, dass wir aus naturwissenschaftlicher Sicht noch gar nicht so weit sind, dass wir die Konsequenzen solcher Eingriffe in die Natur absehen können.“

DAS PROJEKT

Initial Training for Atmospheric Remote Sensing

Beteiligt: Gruppen aus Rumänien, Griechenland, Spanien, Italien Großbritannien, Niederlande und Deutschland sowie fünf klein- und mittelständische Unternehmen aus Griechenland, Italien, Frankreich und Deutschland

Laufzeit: 2012–2016

http://itars.uni-koeln.de

DIE WISSENSCHAFTLERIN

Prof. Dr. Christine Böckmann studierte Mathematik in Dresden. Sie promovierte 1984 an der Technischen Universität Dresden und habilitierte sich 2002 an der Universität Potsdam. Sie bekleidet eine außerplanmäßige Professur am Institut für Mathematik der Universität Potsdam. Zu ihren Forschungsschwerpunkten gehören unter anderem die Numerik inverser Probleme und Anwendungen in der Physik der Atmosphäre.

Kontakt

Universität Potsdam
Institut für Mathematik
Am Neuen Palais 10, 14469 Potsdam
christine.boeckmannuuni-potsdampde

Text: Barbara Eckardt, Online gestellt: Julia Schwaibold