Bild des Monats

Das Bild des Monats gibt einen Einblick in Justus Notholts Physikunterricht auf Yap und bezieht sich ebenfalls auf den Bericht bei "Buten un Binnen":

Physiker, Youtuber, Klimaforscher: Dieser Bremer forscht im Pazifik

Der Bericht wurde am 31.07.2026 gesendet und kann hier angeschaut werden:

https://www.butenunbinnen.de/videos/bremen-physiker-forschung-justus-notholt-100.html

Die Überschrift des Berichts weist auf die Vielseitigkeit dieses Wissenschaftlers hin. So zählt nicht nur die Atmosphärenforschung in der Fernerkundung zu seinem Fachgebiet sondern auch die Vermittlung von Wissen mittels spektakulärer physikalischer Experimente, die Physik für jeden zugänglich macht.
Außerdem wird die Funktionsweise des Spektrometers inkl. Sonnensucher kurz erläutert.
Zusätzlich wird u. a. auf Palau als wichtige Messstation für Klimaforschung und -daten im Pazifik hingewiesen 'aufgrund der besonderen Klimabedingungen und der sauberen Luft'

Simulating the marine carbon cycle in the Arctic Ocean

The remote and harsh conditions of the Arctic Ocean severely limit the feasibility of measurements directly in the region, making it challenging to understand and monitor the precise dynamics of the marine biogeochemistry. Computer simulations are essential tools for qualitatively and quantitatively understanding organic carbon dynamics, filling the gap left by observations. Thus, within the IUP’s Phytooptics group (A. Bracher), we applied a high-resolution numerical model to elucidate the role of particle formation within the Arctic organic carbon cycle, and evaluate their potential feedback mechanisms within the Earth system.

Marine organic carbon forms a continuum ranging from low-molecular weight compounds over humic- and gel-like structures of varying sizes to sinking particles. Out of practicality, this continuum is often operationally divided into particulate and dissolved organic carbon pools based on filtration, where polysaccharides comprise a significant portion of the carbohydrate pool in the ocean. These can form complex networks which are referred to as marine gels, contribute to carbon export to the deep ocean, and can be transported into the atmosphere, where they serve as precursors to biogenic aerosols that influence cloud formation and microphysical processes.

We adapted a state-of-the-art global ocean biogeochemistry model to include the Arctic biogeochemistry in more detail to assess the organic carbon cycle. In the figure above, the Fram Strait is chosen as an exemplary data-rich region to show-case the phytoplankton growth (in terms of Total Chlorophyll a) as soon as the sea ice breaks up, and as long as there are enough nutrients available to sustain the growth. Especially under nutrient-depleted conditions, an excess of organic carbon is exuded into the ocean as polysaccharides.

Reference

Zeising, M., Oziel, L., Thoms, S., Gürses, Ö., Hauck, J., Heinold, B., Losa, S. N., van Pinxteren, M., Völker, C., Zeppenfeld, S., and Bracher, A.: Assessment of transparent exopolymer particles in the Arctic Ocean implemented into the coupled ocean–sea ice–biogeochemistry model FESOM2.1–REcoM3, Geosci. Model Dev., 19, 2077–2109, https://doi.org/10.5194/gmd-19-2077-2026, 2026.

Globale atmosphärische CO2- und CH4-Konzentrationen sowie deren jährlichen Steigerungsraten

Einmal im Jahr erscheint der Bericht „European State of the Climate“ (ESOTC), der vom Copernicus Climate Change Service (C3S) erstellt und seit 2023 gemeinsam vom C3S und der World Meteorological Organization (WMO) veröffentlicht wird. Die Ergebnisse des ESOTC basieren auf dem Fachwissen des C3S, des ECMWF und der WMO sowie anderer Copernicus-Dienste und externer Partner. Der Bericht enthält eine detaillierte Analyse des vergangenen Kalenderjahres mit Beschreibungen der Klimabedingungen und -ereignisse, untersucht die damit verbundenen Schwankungen wichtiger Klimavariablen in allen Teilen des Erdsystems und liefert aktuelle Informationen zu den langfristigen Trends wichtiger Klimaindikatoren.

Die Treibhausgasgruppe des IUP trägt zum ESOTC durch die Bestimmung der globalen atmosphärischen CO2- und CH4-Konzentrationen sowie deren jährlichen Steigerungsraten bei. Hierfür werden Satellitendaten, die für C3S und den Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) erzeugt werden, kombiniert und analysiert. Die jährlichen Steigerungsraten hängen von den anthropogenen Emissionen und den natürlichen Quellen und Senken ab. Im Fall von CO2hat z. B. die El Niño-Southern Oscillation (ENSO) einen großen Einfluss, während bei CH4z. B. die Verfügbarkeit von OH-Radikalen und die mikrobielle Aktivität in Feuchtgebieten eine große Rolle spielen.

https://climate.copernicus.eu/ESOTC
https://climate.copernicus.eu/
https://atmosphere.copernicus.eu/

B. Fuentes Andrade et al.: Improved Ensemble-Based Satellite-Derived XCO2 and XCH4 Climate Data Records Using EMMA v5.1; 2026 (submitted)

S. Noël et al.: Retrieval of greenhouse gases from GOSAT and GOSAT-2 using the FOCAL algorithm; https://doi.org/10.5194/amt-15-3401-2022; 2022 (AMT)

J. Hachmeister et al.: Zonal variability of methane trends derived from satellite data; https://doi.org/10.5194/acp-24-577-2024; 2024 (ACP)

Menschliche Aktivitäten treiben Afrika in Richtung Dürre

Afrika erwärmt sich schneller als je zuvor. Dürren werden häufiger, Ernten scheitern, Wasserquellen versiegen. Aber wie viel davon ist wirklich vom Menschen verursacht? Eine neue Studie gibt Antworten speziell für den afrikanischen Kontinent.

Ein internationales Team unter Mitwirkung von Wissenschaftlern des IUP nutzte Klimabeobachtungen sowie Klimamodelldaten um mit einer spezifischen Methode menschliche von natürlichen Einflüssen zu trennen.

Die Haupttreiber der Erwärmung in Afrika sind Treibhausgase (CO₂, Methan) und Landnutzungsänderungen. Gesamterwärmung durch Menschen liegt bei etwa +0.8°C über vorindustriellem Niveau. Dies geht einher mit starkem Temperaturanstieg und deutlich trockeneren Bedingungen. Eine wichtige Erkenntnis: Landnutzung wird unterschätzt. Unabhängig von den betrachteten Klimaszenarios wird Afrika voraussichtlich mehr Dürren, zunehmende Hitzewellen, und geringere Ernten zu beklagen haben. Dies ist von besonderer Bedeutung, da viele Länder Afrikas stark abhängig von der Landwirtschaft sind und über geringe Wasserressourcen sowie geringere finanzielle Mittel zur Klimaanpassung verfügen.

Referenz:

Swain, B., Vountas, M., Song, R. et al. Human-induced temperature rise is driving Africa towards drought-prone climatic conditions. Sci Rep 16, 630 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34010-6

Das stratosphärische Ozon spielt eine entscheidende Rolle beim Schutz des Lebens auf der Erde vor schädlicher ultravioletter Strahlung, was die Bedeutung einer kontinuierlichen Überwachung des Ozongehalts unterstreicht. Aus diesem Grund sind zuverlässige Trendschätzungen aus mehreren zusammengeführten Langzeit-Ozondatensätzen (a bis f) hilfreich, um diese Veränderungen zu verstehen und zu überprüfen.

Jedes Feld der Abbildung zeigt Ozon-Trends aus einem anderen zusammengeführten Limb-Profil-Datensatz, basierend auf Kombinationen mehrerer Satelliteninstrumente: GOZCARDS (a), SAGE-CCI-OMPS (b), SAGE-OSIRIS-OMPS (c), SAGE-SCIA-OMPS (d), SAGEII-OSIRIS-SAGEIII (e) und SWOOSH (f).

Wir analysieren den Zeitraum von 2000 bis 2024, um die Erholung der Ozonschicht in der Stratosphäre zu untersuchen, und vergleichen dabei die Ergebnisse der einzelnen Datensätze. In der oberen Stratosphäre zeigen die verschiedenen zusammengeführten Datensätze sehr ähnliche positive Trends, was auf eine eindeutige Erholung in diesen Höhen hinweist. Oberhalb der Tropopause (gestrichelte Linie) werden in den Tropen negative Trends beobachtet. Die schraffierten Bereiche kennzeichnen Regionen ohne statistische Signifikanz (2σ) und treten häufiger in den Tropen und in der Nähe der Tropopause auf.

Während die stärksten positiven Trends in der oberen Stratosphäre auftreten, befindet sich ein großer Teil des gesamten atmosphärischen Ozons in der unteren Stratosphäre, wodurch Trends in dieser Region für Veränderungen der gesamten Ozonsäule besonders relevant sind. Unsere Analyse vergleicht die Trends der gesamten Ozonsäule mit den Trends der stratosphärischen Säule und zeigt eine enge Übereinstimmung, was darauf hindeutet, dass langfristige Veränderungen des gesamten Ozons in erster Linie durch die Variabilität des stratosphärischen Ozons bestimmt werden, wobei die Troposphäre nur einen geringen Beitrag leistet.

Literatur

Auffarth, B., Weber, M., Rozanov, A., Arosio, C., Burrows, J. P., Coldewey-Egbers, M., Davis, S. M., Degenstein, D., Dubé, K., Frith, S. M., Froidevaux, L., Loyola, D., Fioletov, V. E., Sofieva, V., van der A, R., and Wild, J. D.: Consistency Between Zonal Mean Stratospheric and Total Column Ozone Trends (2000–2024), EGUsphere [preprint], https://doi.org/10.5194/egusphere-2026-2576, 2026.

Viele Meereismodelle stützen sich auf sehr einfache Darstellungen der Meereisalbedo und nutzen diese als Einstellparameter, wobei sie Genauigkeit oder komplexere physikalische Modelle zugunsten von Einfachheit und geringeren Rechenaufwand opfern. Hier stellen wir einen neuartigen datengesteuerten Rahmen vor, um eine analytische Formulierung für die Albedo des Meereises (Atmojo et al., 2025) mithilfe von PySR, einem Python-Paket für symbolische Regression (Cranmer et al., 2020), zu ermitteln, mit dem Ziel, bestehende Parametrisierungen der Meereis-Albedo zu verbessern. Zum Trainieren unserer Machine-Learning-Modelle verwenden wir Satellitenbeobachtungen und Reanalyseprodukte, die tägliche, mehrjährige panarktische Daten mit einer räumlichen Auflösung von 25 km liefern. Der Kern unserer Methodik, dargestellt in der oberen Abbildung, ist die Parsimonie (Beucler et al., 2025): Wir entwickeln ein Modell, das die beobachtete Albedo des Meereises mit möglichst geringer Komplexität ausreichend gut reproduziert und somit die Einfachheit und Interpretierbarkeit stärkt.
Die untere Abbildung zeigt, dass die in unserer Studie vorgeschlagene Gleichung den beobachteten saisonalen Zyklus im Vergleich zur Parametrisierung von Parkinson und Washington (1979) (PW79) gut wiedergibt. Im September zeigt die Referenzbeobachtung VIIRS einen Rückgang der Meereisalbedo, was im Widerspruch zum erwarteten Einfrierverhalten des arktischen Meereises steht, das durch den zunehmenden Sonnenzenitwinkel bedingt ist, der die Qualität und Genauigkeit des VIIRS-Albedo-Produkts beeinträchtigt. Wahrscheinlich aufgrund der spärlichen Beobachtungsdaten, die für September infolge der geringeren Sonneneinstrahlung verfügbar sind, stützt sich PySR stärker auf die vollständigen Daten aus den vorangegangenen Frühlings- und Sommermonaten. Folglich korrigiert unsere vorgeschlagene Gleichung potenzielle Messartefakte in den Septemberdaten effektiv, indem sie funktionale Beziehungen nutzt, die aus Monaten mit besserer Erfassung gelernt wurden.

Referenzen:

Atmojo, D. W., Weigel, K., Grundner, A., Holland, M. M., Sidorenko, D., and Eyring, V.: Data-driven equation discovery of a sea ice albedo parametrisation, EGUsphere [preprint], https://doi.org/10.5194/egusphere-2025-3556, 2025.

Beucler, T., Grundner, A., Shamekh, S., Ukkonen, P., Chantry, M., Lagerquist, R.: Distilling Machine Learning’s Added Value: Pareto Fronts in Atmospheric Applications, Artificial Intelligence for the Earth Systems, https://doi.org/10.1175/AIES-D-24-0078.1, 2025.

Cranmer, M., Sanchez-Gonzalez, A., Battaglia, P., Xu, R., Cranmer, K., Spergel, D., and Ho, S.: Discovering Symbolic Models from Deep Learning with Inductive Biases, https://doi.org/10.48550/ARXIV.2006.11287, publisher: arXiv Version Number: 2, 2020.

Die IUP-Ozeanographen Oliver Huhn, Jolanda Grimm und Andreas Rogge befinden sich derzeit an Bord des Forschungs-Eisbrechers „Polarstern“, um an der „Summer Weddell Outflow Study“ (SWOS) teilzunehmen. Durch die Entnahme von Wasserproben und die Erfassung von Unterwassersensordaten untersuchen sie die Rolle der Wassermasseumwandlung und -zirkulation für die Kohlenstoffbilanz des westlichen Weddellmeers.

Oben links: Korrelation zwischen der effektiven (Anti-)Zyklonstärke aus ERA5-Daten und der effektiven Ozonänderungsstärke, abgeleitet aus den Messungen der gesamten Ozonsäule durch Sentinel-5P. Es sind alle Zyklone (blau) und Antizyklone (rot) mit vollständiger S5P-Abdeckung zwischen 2019 und 2022 berücksichtigt.

Oben rechts: Beispiel einer Kollokation, das die Methode zur Ableitung der effektiven Zyklon- und Ozonänderungsstärke veranschaulicht. Dargestellt sind ein Zyklon in der oberen Troposphäre, definiert durch die Anomalie der geopotentiellen Höhe bei 250 hPa (untere Fläche) aus ERA5-Daten, und die kollokierte Gesamt-Ozonsäule, gemessen von S5P (obere Fläche). Die effektive Stärke sowohl des Zyklons als auch der damit verbundenen Ozonveränderung wird durch das Volumen quantifiziert, das zwischen der beobachteten Oberfläche und einer Referenzoberfläche eingeschlossen ist, die durch den Mittelwert an der Systemgrenze definiert ist. Dieses Volumen repräsentiert den Nettoanstieg des Ozons und den Nettoabfall des Drucks innerhalb des Zyklons im Verhältnis zu seiner Umgebung.

Unten links: Die geopotenzielle Höhe bei 250 hPa aus ERA5-Daten, die der unteren Fläche in der oben gezeigten Darstellung entspricht. Der Rand des Zyklons ist rot markiert, und der Sentinel-5P-Erfassungsbereich für den entsprechenden Überflug ist violett dargestellt.

Unten rechts: Die von Sentinel-5P gemessene Gesamt-Ozonsäule für denselben Überflug und denselben Zyklon, entsprechend der oberen Fläche in der oben gezeigten Darstellung.


Zyklone und Antizyklone stehen in Zusammenhang mit systematischen Schwankungen der gesamten Ozonsäule – ein Zusammenhang, der bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts erkannt wurde. Hier zeigen wir erstmals, dass satellitengestützte Messungen der gesamten Ozonsäule zur quantitativen Bewertung der Stärke synoptischer Ereignisse herangezogen werden können. Zu diesem Zweck führen wir Methoden ein, um die effektive Stärke der (Anti-)Zyklone aus ERA5-Daten und der aus Sentinel-5P-Messungen abgeleiteten Ozonänderung zu berechnen, die für Nadir-Beobachtungen optimiert sind, wobei die hohe horizontale Auflösung berücksichtigt und die Ozonanomalie aller Pixel innerhalb des (Anti-)Zyklonbereichs einbezogen wird. Die Anwendung dieses Ansatzes auf alle vollständig erfassten Zyklone und Antizyklone zwischen 2019 und 2022 zeigt eine starke Korrelation zwischen der Stärke synoptischer Ereignisse und der Stärke der induzierten Ozonveränderung.

Diese Beziehung zeigt, dass Messungen der gesamten Ozonsäule am Nadir dynamisch relevante Informationen über die Stärke von Systemen auf synoptischer Skala enthalten, und unterstreicht das Potenzial von Satelliten-Ozonbeobachtungen als wertvolle Eingangsgröße für die Datenassimilation sowie für die Verbesserung der Darstellung und der Stärkeeinschätzung von Zyklonen und Antizyklonen in numerischen Wettervorhersagemodellen.

Wissenschaftler am Institut für Umweltphysik sind auf die Entwicklung, den Einsatz und die Anwendung verschiedener Sensortypen spezialisiert, um Emissionen anthropogener Treibhausgase durch die Messung der Verteilung von Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂) in der Atmosphäre zu lokalisieren und zu quantifizieren. Um die Emissionen anhand dieser Verteilungen genau abschätzen zu können, sind präzise Daten zu den Konzentrationen und den lokalen Windfeldern erforderlich. Da viele wichtige Emissionsquellen Treibhausgase in Bodennähe ausstoßen, ist es wichtig, die relevanten Daten in Bodennähe zu erfassen. Dies kann mit einem mobilen Labor erreicht werden. Im Jahr 2025 gelang es dem Team, einen Windsensor, einen In-situ-Spurengasanalysator und ein nach oben gerichtetes Spektrometer zur Messung der Treibhausgas-Säulenkonzentration in den mobilen Labor-Lkw des IUP zu integrieren.

Erste Testfahrten wurden im Nordwesten Deutschlands durchgeführt, in Regionen, in denen Quellen für biogenes (Landwirtschaft) und geogenes (z. B. Gasanlagen) Methan in der Nähe liegen. Ein Beispiel ist in der obigen Abbildung dargestellt. Die gleichzeitige Messung von Methan und Ethan ermöglicht eine klare Unterscheidung zwischen biogenem und geogenem Methan, da nur Letzteres Ethan mitemittiert. Die Messungen der Treibhausgaskonzentrationen und Windfelder durch das mobile Labor ergänzen eine ähnliche Sensoraufstellung an einem Motorsegler (Bild des Monats Juni 2022). Es werden kombinierte Daten aus der Luft und dem mobilen Labor gesammelt, um zu untersuchen, wie der kombinierte Datensatz dazu beitragen kann, die unabhängige Emissionsquantifizierung zu verbessern. Studierende, die daran interessiert sind, mit uns zusammenzuarbeiten, sind jederzeit willkommen, insbesondere wenn sie einen Führerschein für Lkw (C1/C) besitzen.

Kontakt:

Heinrich Bovensmann: heinrich.bovensmann@uni-bremen.de
Jakob Thoböll: jthoboell@iup.physik.uni-bremen.de

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