Jan Markus Diezel

Fachlicher Teil zur Tätigkeit während des Praktikums
Mein Praktikum lief unter dem Titel „Improving understanding of how changes in
ozone affect climate“. Zu Beginn hatte ich die Möglichkeit mich anhand einiger Paper
in die Transportprozesse in der Stratosphäre und den Ozonhaushalt einzuarbeiten.
Insbesondere ging es dabei um den Polarwirbel. Der Auf- und Abbau des
Polarwirbels ist der bestimmende dynamische Prozess in der mittleren Atmosphäre
über der Arktis und der Antarktis. Eine Bestimmung der Lage und der Durchlässigkeit
des Polarwirbels ist daher von großer Bedeutung für das Verständnis vieler Prozesse
in der Stratosphäre. Durch verschiedene Paper habe ich einen Einblick bekommen in
die Arbeit mit der potentiellen Vorticity. Mit der potentiellen Vorticity lässt sich sehr
gut feststellen wo genau der Polarwirbel liegt. Durch starke zirkumpolare Winde, die
sich im Herbst bilden, fängt der Wirbel an zu rotieren und die Werte der potentiellen
Vorticity steigen. Der Rand des Polarwirbels ist eine Barriere gegen den Transport
und führt damit zu einer materiellen Trennung zwischen dem Wirbel und der Luft
außerhalb. Diese Trennung entsteht dadurch, dass sich bei einem voll ausgebildeten
Polarwirbel planetare Wellen nicht von den mittleren Breiten aus in Richtung Pol
fortsetzen können, da sie am Rand des Wirbels an der Zone der hohen
Windgeschwindigkeiten gebrochen werden. Die Position des Randes des Wirbels
lässt sich dadurch bestimmen, dass man die Windgeschwindigkeit mit dem Gradient
der potentiellen Vorticity multipliziert. Beide haben über die Erde verteilt mehrere
Maxima, aber am Rand des Polarwirbels treten beide mit einem Maximum auf,
sodass das Produkt dort ebenfalls maximal wird, während das Produkt auf dem Rest
der Erde deutlich geringer bleibt. Durch die trennende Wirkung des Randes des
Wirbels spielt der Polarwirbel eine große Rolle für den Ozongehalt in der polaren
Stratosphäre und damit vor allem für das Ozonloch, denn damit wird verhindert, dass
sich der starke Ozongradient zwischen niedrigen Werten innerhalb des Wirbel und
deutlich höheren Werten außerhalb ausgleicht. Die Stärke des Polarwirbels bestimmt
die Stärke der Barriere gegen den Transport von Ozon und damit auch die Stärke
des Ozonlochs. Da Ozon ein strahlungsaktives Gas ist, führt ein geringerer
Ozongehalt zu einer Abkühlung in der Stratosphäre. Allgemein lassen sich aus der
Ozonverteilung in der Stratosphäre Rückschlüsse auf das Temperaturfeld ziehen.
Was einerseits einen Rückkopplungseffekt mit der Stärke der zirkumpolaren Wirbel
hat und andererseits das weltweite Klima beeinflusst.
Mein Projekt hat damit genau im Kern angesetzt, nämlich an einem besseren
Verständnis des Polarwirbels und der Transport- und Mischungsprozesse in der
polaren Stratosphäre um damit Erkenntnisse über die Auswirkungen auf das Klima
zu bekommen. Diese Einführungsphase war sehr interessant und lehrreich, sowohl
inhaltlich als auch um den Umgang mit wissenschaftlichen Artikeln zu üben. Einmal
pro Woche wurde in unserem Büro auch ein aktuelles Paper besprochen um auf dem
neuesten Stand zu bleiben. Thematisch lagen diese Paper alle im Bereich Klima und
Ozonhaushalt, da das der Forschungsschwerpunkt von Bodeker Scientific ist. Auch
diese Paper-Besprechung war sehr hilfreich um wissenschaftliches Arbeiten zu
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erlernen und die Durchführung von Fachdiskussionen auf Englisch zu üben. Bei
diesen „Wednesday-Postlunch-Meetings“ wurden auch die aktuellen Neuigkeiten
rund um Bodeker Scientific ausgetauscht. Dadurch habe ich einen guten Eindruck in
die verschiedenen Arbeitsbereiche und Projekte bekommen. Des Weiteren habe ich
mir in dieser Einführungszeit die Projektbeschreibung und Bewerbung um
Forschungsgelder für das meinem Praktikum übergeordnete Projekt durchgelesen.
Die Einstiegsphase habe ich außerdem dafür genutzt meine Kenntnisse der
Programmiersprache Python zu vertiefen.
Meine Hauptaufgabe war es dann ein isentropes Trajektorienmodell in Python zu
schreiben. Damit konnte ich zu dem übergeordneten Projekt von Bodeker Scientific
beitragen, in dem Trajektorien dazu verwendet werden um Reanalysedaten mit
Daten aus dem Google [x] Project Loon zu vergleichen. In Project Loon fliegt Google
momentan Hunderte Ballons in die Stratosphäre um Internetverbindung für entlegene
Gegenden bereitzustellen. Später soll das Projekt sogar auf eine Größenordnung
von Tausenden Ballons ausgeweitet werden, womit eine nie dagewesene Menge an
Messdaten und Trajektorien aus der Stratosphäre entsteht, die von Bodeker
Scientific ausgewertet werden.
Globale Ozean-Atmosphären-Modelle liefern fehlerhafte Ergebnisse in Bezug auf die
Durchlässigkeit des Polarwirbels und in Bezug auf kleinskalige turbulente Diffusion.
Die Daten aus Project Loon sollen diese Fehler sichtbar machen und so zu einem
besseren Verständnis dieser Prozesse führen. Dazu werden die Reanalysedaten des
Windes beispielsweise von ECMWF-Läufen (European Centre for Medium-Range
Weather Forecasts) verwendet und daraus Trajektorien berechnet. Diese können
dann mit den tatsächlich von den Ballons zurückgelegten Trajektorien verglichen
werden um so die Fehler aufzudecken. Mein Trajektorienmodell hatte damit die
Aufgabe aus den Windfeldern der Reanalysedaten Trajektorien auszurechnen.
Dadurch können für die weitere Arbeit in dem Projekt der stratosphärische Transport
und die Barrieren gegen den Transport und die Auswirkungen auf das Klima
analysiert werden.
Der erste Schritt zur Vorbereitung des Trajektorienmodells war ein Programm zu
schreiben dem man geographische Koordinaten einer Position und eine Zeit gibt.
Das Programm liest dann die dazu passenden Winddaten ein und gibt den
interpolierten Wert für diesen Ort und diese Zeit an das Trajektorienmodell zurück.
Dazu bietet es sich an mit Klassen zu arbeiten. In meinen bisherigen
Programmiertätigkeiten hatte ich hauptsächlich mit FORTRAN zu tun, weshalb ich
noch keine großen Erfahrungen mit objektorientierter Programmierung hatte und
vorher hauptsächlich theoretisch wusste, was objektorientierte Programmierung
ausmacht und in diesem Praktikum das erste Mal die Möglichkeit hatte selbst diese
Programmiermethodik anzuwenden. Um die gewünschte Funktionalität zu
ermöglichen, habe ich das Modul „TSynopticGlobal“ erstellt, dessen
Hauptkomponente die Klasse mit gleichem Namen ist. Jedes TSynopticGlobal-Objekt
kann Daten eines Zeitschritts und einer Höhe für ein zweidimensionales Gitter über
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die ganze Erde aus NetCDF-files lesen und in einem Array speichern. Aus diesen
Daten kann dann durch den Aufruf einer Funktion ein Wert zwischen den einzelnen
Gitterpunkten vierdimensional, linear interpoliert werden (Raum und Zeit).
Der nächste Schritt war das Modul „DataServer“. Dieses Modul dient der Verwaltung
der erstellten TSynopticGlobal-Objekte. Dazu gibt es wieder eine Klasse mit Namen
„DataServer“. Ein Attribut dieser Klasse speichert die erstellten TSynopticGlobalObjekte in einem Array, sodass sie nicht für jeden Zeitschritt der Trajektorie neu
erstellt werden müssen, sondern für Berechnungen im gleichen Zeitschritt und der
gleichen Höhe wiederverwendet werden können. Der Array hat zwei Dimensionen,
eine ist die Zeit und die andere das Höhenlevel. Bei der Initialisierung kann die
Größe des Arrays eingestellt werden. Das heißt es muss klar sein wie viele Levels es
gibt und man muss sich entscheiden wie viele TSynopticGlobal-Objekte insgesamt
gespeichert werden können bevor die Klasse anfängt die alten Objekte zu
überschreiben. Die Größe des Arrays ist dabei fest und der Index wo ein
TSynopticGlobal-Objekt gespeichert werden soll, wird zyklisch ermittelt. Wenn der
Index zu groß wird, wird wieder vom Anfang mit Zählen angefangen oder wenn er zu
klein wird am Ende. Da das Programm möglichst flexibel sein sollte ist es in jedem
Zeitschritt möglich die Orientierung (vorwärts/rückwärts) zu ändern. Das Programm
dient als Übergang zwischen den Daten und dem Trajektorienmodell. Im
Trajektorienmodell wird an das DataServer-Objekt letztlich nur die gewünschte
Position und Zeit übermittelt und das Objekt lädt dann die vier umgebenden
TSynopticGlobal-Objekte und interpoliert zwischen den eingelesenen Daten, sodass
das Trajektorienmodell direkt mit den passenden Werten weiterrechnen kann und die
unmittelbare Dateneinlese und Vorbereitung ausgelagert ist.
Das Trajektorienmodell verwendet ein 4-stufiges Runge-Kutta-Integrationsverfahren
um eine Trajektorie von einem gegebenen Startpunkt und einer Startzeit aus den
Winddaten zu berechnen. Um die Singularität an den Polen zu vermeiden, wird eine
Koordinatentransformation von Längen- und Breitengraden zu x-y-Koordinaten
durchgeführt. Dazu muss ein Schwellenwert beim Initialisieren angegeben werden.
Polwärts von dieser geographischen Breite wird die Transformation durchgeführt.
Das Modul nutzt die Funktionalität der beiden Module TSynopticGlobalModule und
DataServerModule aber diese Module werden nicht importiert. Zur Verwendung des
Trajektorienmodells müssen die Winddaten extern als DataServer-Objekte erstellt
werden. Dazu können auch noch weitere DataServer-Objekte erstellt werden, die
dann an die Trajektorie „angehängt“ werden, sodass sie für jeden Zeitschritt ebenfalls
ausgewertet und interpoliert werden, auch wenn sie nicht in die Berechnung der
Trajektorie eingehen. So kann zum Beispiel die Temperatur oder die
Ozonkonzentration entlang der Trajektorie ermittelt werden und dann mit eventuell
vorhandenen Messwerten an realen Ballons verglichen werden oder für andere
Analysen verwendet werden.
Alle drei Programme sind außerdem mit weiteren Funktionen und Methoden zur
besseren Verwendung und Steigerung der Benutzerfreundlichkeit ausgestattet
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worden. Außerdem habe ich die Funktionsweise meiner Programme, sowie
Hilfestellung und Beispiele zur Verwendung in einer Dokumentierung festgehalten,
damit meine Arbeit auch im weiteren Projektverlauf von anderen Mitarbeitern von
Bodeker Scientific weiterverwendet werden kann. Die Dokumentierung habe ich am
Ende des Berichts angehängt um einen weiteren Einblick in meine Arbeit zu geben.
Zu Demonstrationszwecken habe ich exemplarisch die Dokumentierung zu dem
Modul TSynopticGlobalModule angehängt.
Allgemeiner Teil zum Auslandsaufenthalt
Die Reisevorbereitung begann für mich direkt nach Erhalt der Stipendiumszusage mit
der Buchung des Flugtickets. Es hat sich als sehr sinnvoll herausgestellt das Ticket
früh zu buchen, da dann die Preise nicht ganz so hoch sind. Die Flugpreise sind seit
meiner Buchung kontinuierlich gestiegen, auch eine spontane Buchung mit
Spekulation auf Last-Minute-Preise ist nicht zu empfehlen, da ich keine Verbilligung
am Ende beobachten konnte. Bezüglich der Visabeschaffung war es leider nicht
offensichtlich um welche Art von Visum ich mich bewerben soll. Nach verschiedenen
widersprüchlichen Angaben bin ich zu dem Schluss gekommen, dass ein
Touristenvisum ausreichen sollte. Allerdings möchte ich für nachfolgende
Praktikanten anmerken, dass sich die Bestimmungen zum Visum immer wieder
ändern und man sich in jedem Fall vorher genau erkundigen sollte, wie die Vorgaben
aktuell sind.
Der letzte Schritt der Reisevorbereitung war eine Unterkunft zu organisieren. Dazu
habe ich Rücksprache mit der Gastinstitution, Bodeker Scientific gehalten. Dort
wurde ich an den Backpackers „Marj’s Place“ in Alexandra verwiesen, wo die DAADStipendiaten üblicherweise gewohnt haben. Die Alternative wäre gewesen für die
Zeit des Aufenthalts eine Wohnung zu mieten, oder bei Privatpersonen
unterzukommen. Aber ich kann Marj’s Place nur sehr empfehlen. Die Unterkunft
besteht aus 3 Gebäuden: einer typischen Backpacker-Unterkunft für Gäste die nur
eine Nacht bis einige Wochen bleiben möchten, einer etwas luxuriöseren Unterkunft
und einem einzeln stehenden Haus, in dem alle wohnen, die für ein paar Monate dort
wohnen möchten. Die DAAD-Stipendiaten werden immer in dem einzelnen Haus
einquartiert. Dort gibt es drei Zweierzimmer, je nach Menge an Gästen wohnt man
also alleine oder mit einer anderen Person im Zimmer. Man hat für das Haus ein
gemeinsames Bad, ein geräumiges Wohnzimmer mit Sesseln, Sofa und Terrasse
und eine Gemeinschaftsküche. Das ist eine ausgezeichnete Möglichkeit dort
Neuseeländer kennenzulernen, aber auch andere internationale Kontakte zu
knüpfen, da die Bewohner meist aus aller Welt kommen. So konnten wir auch
gemeinsame Aktionen planen, wie zum Beispiel einmal pro Woche gemeinsames
Kochen und Abendessen, oder auch Ausflüge am Wochenende zum Skifahren. Es
ist auch sehr angenehm dort mit anderen jungen Leuten zusammenzuleben, da
Alexandra aufgrund der Abwesenheit von Hochschulen nur sehr wenige Einwohner
im Studentenalter hat.
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Der Geldtransfer ist über Kreditkarte gut möglich. Die Kreditkarte meiner Bank
ermöglicht es mir in jedem Land kostenlos Geld abheben zu können und
Geldautomaten („ATM“) gibt es genügend. Wer mit Kreditkarte im Laden zahlt, muss
dafür oft Gebühren zahlen, die allerdings meist nicht sehr hoch sind. Die
Lebenshaltungskosten sind höher als in Deutschland aber nicht übermäßig.
Das Büro von Bodeker Scientific und damit auch mein Arbeitsplatz war in Clyde.
Zwischen meiner Unterkunft in Alexandra und dem Büro in Clyde bin ich jeden
Morgen und Abend mit dem Fahrrad gependelt, was pro Fahrt eine knappe halbe
Stunde gedauert hat und überwiegend über den sehr gut ausgebauten Central Otago
Rail Trail verlief. Allerdings waren bei meiner Abfahrt Planungen im Gange das Büro
nach Alexandra zu verlegen.
Allgemein hat es sich als großer Vorteil herausgestellt, dass ich im August und
September in Neuseeland war, also im dortigen Winter und Frühling. Das Wetter war
in dieser Zeit ausgezeichnet mit kaum Regen und viel Sonne, wenn auch recht kalt.
Allgemein ist Central Otago die kälteste, heißeste und trockenste Region
Neuseelands. Der Winter und der Anfang des Frühlings ist nicht die übliche
Reisezeit, sodass man bei Ausflügen nicht im Massentourismus untergeht, sondern
das Land besser ungestört entdecken kann. Die Unterkünfte sind so wenig
ausgebucht, dass es meist reicht am Tag vorher zu buchen. Ausflüge kann ich nur
sehr empfehlen, da das Land wirklich außergewöhnlich schön ist und viele
Möglichkeiten zu Outdoor-Aktivitäten bietet. Der einzige Nachteil des Winters sind die
niedrigen Temperaturen, vor allem da die meisten Häuser in Neuseeland nur sehr
schlecht isoliert sind und daher die Raumtemperatur besonders nachts recht niedrig
werden kann. In meiner Unterkunft wurden dafür genügend Decken bereitgestellt,
aber beim Packen sollte auf jeden Fall darauf geachtet werden genug warme
Kleidung mitzunehmen.
Über die Gastinstitution, Bodeker Scientific kann ich auch nur positives berichten. Wir
wurden sehr freundlich aufgenommen, der Betreuer und gleichzeitige Leiter Greg
Bodeker war sehr hilfsbereit und hat uns in allem unterstützt. Meine Tätigkeit dort war
sinnvoll und lehrreich und genau auf meine Fähigkeiten und Interessen abgestimmt.
Auch zu den anderen Mitarbeitern konnte ich Kontakte knüpfen und ich habe
Bodeker Scientific und Neuseeland nur schweren Herzens verlassen.
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