Research Blogging - Geosciences - German

Die komplizierte Geschichte des Großen Sterbens

2011-09-25T09:30:29Z

Die rätselhaftesten Episoden in der Geschichte des Lebens sind die Massensterben, die den Planeten in regelmäßigen Abständen heimgesucht haben. Das größte derartige Ereignis fand vor 251 Millionen Jahren statt, und seine Ausmaße waren kataklysmisch: Über 90 Prozent allen Meereslebens starb aus und mit ihm ein kaum geringerer Anteil aller Lebewesen an Land. Paläontologen nennen diese Episode das Große Sterben. Doch es gibt keine geologisch einzigartige Katastrophe, die diesen globalen Untergang zu jener Zeit schlüssig erklären könnte - die fossilen Hinterlassenschaften zeigen eine erstaunlich komplexe ökologische Krise am Übergang vom Perm zur Trias. Mit Hilfe der geologischen Spuren können wir nun ein ungefähres Bild dessen zeichnen, was damals auf der Erde geschah. Wir wissen zum Beispiel, dass sich die Chemie der Ozeane drastisch verändert haben muss - wie sonst könnten die Lebensgemeinschaften in einem so diversen Lebensraum so gründlich ausgelöscht worden sein? Und vor allem, warum hat es geschlagene fünf Millionen Jahre gedauert, bis sich im Meer wieder etwas gerührt hat? Grenze zwischen permischen und trisaaischen Gesteinen in der Bletterbachschlucht. Quelle: Bosellini 1998 via Uni Bremen 2011 ist das Jahr, in dem wir schließlich einige Antworten bekommen, zuerst einmal aus den Sedimenten aus jener Zeit, die unter anderem in den Alpen und Südchina aufgeschlossen sind. In der Ära der Krise waren große Teile der Weltmeere praktisch frei von Sauerstoff, vergleichbar den Todeszonen, die in modernen Küstengewässern zeitweilig durch Überdüngung entstehen. Die chinesischen Gesteine zeigen, dass die Ursache zur Zeit des Massensterbens eine sehr ähnliche war, denn die biologische Produktivität der Meere war eben nicht reduziert. Ozeane: Tot aber produktiv Die Überreste des Mereresbodens aus der Zeit der Permischen Katastrophe zeigen nämlich eine sehr charakteristische Signatur, sie enthalten deutlich mehr Kohlenstoff-12 im Vergleich zu Kohlenstoff-13 als moderne Sedimente. Und es gibt vor allem einen bedeutenden Prozess, der das erreichen kann: Leben. Bei der Photosynthese bauen grüne Pflanzen Kohlendioxid in organische Materie um, und zwar solchen mit leichtem Kohlenstoff schneller als solchen mit schwerem. Deswegen enthält biologisches Material immer einen deutlichen Überschuss an leichtem Kohlenstoff[1]. Das Bild, dass die fossilen Überreste für die Meere des Massensterbens zeichnen ist auf den ersten Blick ein wenig paradox: Wir haben einen Weltozean, der weitgehend frei von Sauerstoff und entsprechend biologisch tot ist, dessen Produktivität die modernen Ozeane jedoch bei weitem übertraf. Statt also auf breiter Front zu veröden, wie sich das für ein anständiges Massensterben gehört, hat die biologische Aktivität im Meer in den fünf Millionen Jahren nach dem Untergang enorm zugenommen - aber wiederum ohne dass man eine Rückkehr klassischer mariner Ökosysteme sehen könnte. Auch an Land spielte sich Dramatisches ab: Die Koniferenwälder des Perm und ihre Synapsiden verschwanden, dafür übernahmen nach einer kurzen Unterbrechung Farne und die Vorfahren der Dinosaurier die Regie. Es gab aber keinen globalen Feuerbrand, der da allem, was da kreucht und fleucht aufs Haupt gefallen wäre. Tot sind sie trotzdem. Pilz-Apokalypse in den Koniferenwäldern Nun gehört es zu den goldenen Regeln der Fossilkunde, dass Dinge an Land nur äußerst selten versteinern, man braucht dazu Wasser, in dem sich Schicht um Schicht Schlick ablagern kann. Zum Glück landet bekanntlich alles, was so von der Plastiktüte bis zum Castor-Behälter an Land rumliegt, früher oder später im Meer. Das war auch vor 250 Millionen Jahren nicht anders, nur dass es damals noch keine Plastiktüten waren, sondern seltsame fadenartige Strukturen, die sich weltweit in diesen Gesteinen erhalten haben, unter anderem in den Alpen. Man nennt diese Strukturen Reduviasporoniten, sie sind fädige, verzweigte Strukturen, offensichtlich aus Zellen aufgebaut. Melanin färbt sie dunkel, und sie kommen in Gesteinen am Übergang vom Perm zur Trias erstaunlich häufig vor, sie machen teilweise bis zu 90 Prozent der Biomasse aus. Reduviasporoniten. Quelle: Image courtesy of Imperial College London Was diese Dinger genau sind weiß niemand. Es können Algen oder Pilze gewesen sein, aber ihre schiere Masse zeigt, dass an der Grenze zwischen Perm und Trias etwas sehr seltsames passiert ist. Meine Lieblingshypothese stammt aus einem neueren Geology-Paper, dessen Autoren feststellen, dass die Mikrofossilien in einigen Punkten den modernen Rhizoctonien ähneln. Die sehen den Fossilien ziemlich ähnlich, bis hin zur Gestalt der Zellen, und sie bilden spezifische Sklerotien, eine Dauerform zum Überstehen widriger Umstände, die man fast genau so auch zwischen den Fossilien entdeckt. Das Interessante daran ist, dass Rhizoctonien bekannte Pflanzenpathogene sind, und zwar oft ziemlich aggressive. Es gibt eine direkte Beziehung zwischen der Anzahl-Rhizoctonia-Sklerotien in einem Boden und der lokalen Prävalenz von Pflanzenkrankheiten. Aus diesen Indizien zeichnen die beteiligten Forscher das Bild einer wahren Pilzapokalypse, die Koniferen des späten Perm hereingebrochen ist. Man muss sich das wahrscheinlich nicht so vorstellen, dass die Pilze plötzlich aus einer dunklen Höhle hervorgebrochen sind und alle Bäume vernichtet haben. Es ist viel plausibler, dass sie auch vorher schon da waren. Auch heute leben ähnliche Arten mit und an gesunden Bäumen, deren Immunsystem sie in Schach hält wie unsere eigene Bakterienflora, zu der auch unter normalen Umständen so unerfreuliche Vertreter wie Staphylococcus Aureus gehören. Sie warten. Und das, worauf sie gewartet haben, ist vor 250 Millionen Jahren dann passiert, weltweit und in ganz großem Stil. Lavastrom der Sibirischen Trapps. Quelle: Nature Natürlich haben Wissenschaftler längst den wahrscheinlichen Auslöser dieses ökologischen Weltkollaps auf dem Schirm. Die Ursache war, da zeichnet sich ein Konsens ab, ein gigantischer Vulkanausbruch, der über eine Million Jahre hinweg Lava über das heutige Zentralsibirien ergoss. Vulkane stoßen aber, und das ist der entscheidende Punkt, auch Gase aus, und derart extreme Mengen, wie sie bei der Entstehung solcher Trapps freiwerden, verändern die Atmosphäre nachhaltig und letal. Bis heute bedecken dort mehrere hundert Meter dicke Lavaströme ein Gebiet so groß wie Europa, aber zur Zeit ihrer Entstehung dürften die Sibirischen Trapps, wie die Überreste der Eruptionsmassen heute genannt werden, mehr als die vierfache Fläche überdeckt haben. Der Täter: Ein Vulkan wie kein anderer Das ist schon ziemlich beeindruckend, aber in der Erdgeschichte bei weitem nicht einzigartig. Weltweit sind über ein Dutzend dieser Lavaprovinzen bekannt, sie liegen in Indien, dem Ostpazifik, Afrika und anderswo. Viele dieser Mega-Vulkanausbrüche treffen zeitlich mit globalen Massensterben zusammen, das Ausmaß der Apokalypse ist im Fall der Sibirischen Trapps allerdings einzigartig. Einzigartig ist auch der Ablauf der Ereignisse, denn es hat sich erwiesen, dass es keineswegs der eigentliche Lavaschub war, der das Unglück über die Welt gebracht hat. Das große Sterben war kein Einzelereignis, sondern eine Abfolge von mindestens drei kleineren Massenaussterben, von denen nur das letzte mit den Flutbasalten zusammenfiel. Die anderen beiden fanden - zumindest nach einigen Analysen - 10 und 20 Millionen Jahre früher statt. Für so einen Mantelhotspot sind ein paar Millionen Jahre natürlich keine allzu lange Zeitspanne, schließlich gibt es den Jan-Mayen-Hotspot, der das Massensterben ausgelöst hat, bis heute. Wieso allerdings das Massen...

Sobolev, S., Sobolev, A., Kuzmin, D., Krivolutskaya, N., Petrunin, A., Arndt, N., Radko, V., & Vasiliev, Y. (2011) Linking mantle plumes, large igneous provinces and environmental catastrophes. Nature, 477(7364), 312-316. DOI: 10.1038/nature10385

Visscher, H., Sephton, M., & Looy, C. (2011) Fungal virulence at the time of the end-Permian biosphere crisis?. Geology, 39(9), 883-886. DOI: 10.1130/G32178.1

Meyer, K., Yu, M., Jost, A., Kelley, B., & Payne, J. (2011) δ13C evidence that high primary productivity delayed recovery from end-Permian mass extinction. Earth and Planetary Science Letters, 302(3-4), 378-384. DOI: 10.1016/j.epsl.2010.12.033

Wo sind die radioaktiven Stoffe aus Fukushima gelandet?

2011-08-28T17:09:14Z

Beim Reaktorunglück von Fukushima sind beträchtliche Mengen radioaktives Material in Form von Staub und Dampf die Atmosphäre gelangt - doch wo sind sie gelandet? Radioaktiver Staub, Gase und Aerosole driften mit dem Wind, lagern sich mit der Zeit ab oder werden vom Regen ausgewaschen. Prinzipiell kann man berechnen wie die Luftströmungen und das Wetter während des Unglücks den Fallout verteilt haben, indem man ein kleinräumiges Klimamodell mit dem Ausstoß radioaktiver Stoffe füttert. Deswegen haben japanische Forscher nach dem Unglück ein Transportmodell entworfen, das die betroffene Landfläche samt Tokio komplett erfasst und beschreibt, wie sich die gesundheitlich bedeutendsten Radionuklide - Cäsium-137 und Jod-131 - nach dem Unglück verteilt haben. Demnach sind 13 Prozent des insgesamt ausgestoßenen Iods und 22 Prozent des Cäsiums in Japan auf dem Land niedergegangen, davon je etwa zwei Drittel in der Präfektur Fukushima. Weitere 10-20 Prozent landeten im Pazifik, etwa 60 Prozent verließen den Simulationsbereich, überwiegend Richtung Osten. Zerstörter Reaktor in Fukushima Solche Modelle, die berechnen, was die Atmosphäre mit bestimmten Stoffen macht, gibt es natürlich schon länger. Diese dreidimensionalen chemischen Transportmodelle basieren auf gängigen Klimamodellen, allerdings liegt der Fokus auf der Interaktion der gewünschten Stoffe mit Luftströmungen und Wasserdampf. Dafür braucht man nicht nur klassische Wetterparameter wie Druck, Verdunstung und Niederschläge, sondern auch Daten darüber, wie sich die untersuchten Spezies bei den jeweiligen Prozessen verhalten. Das betrifft horizontalen und vertikalen Transport durch Diffusion und mit dem Wind, Ablagerung mit und ohne Niederschläge und natürlich den radioaktiven Zerfall, der die Konzentration der Isotope mit der Zeit reduziert. Der Vorgänger - SPEEDI Glücklicherweise, wenn man so will, gibt es für Iod und Cäsium entsprechende Daten reichlich aus den Untersuchungen der Tschernobyl-Folgen. Ende der 80er Jahre entstanden diverse numerische Simulationen, dank denen man heute recht gut darüber Bescheid weiß, wie die wichtigsten Radionuklide in der Atmosphäre verschleppt werden und wo sie dann landen. Die japanische Atomenergiebehörde hat 2008 auf Basis dieser Daten das System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information (SPEEDI) bereitgestellt, das die Verbreitung dieser Radioisotope nach einem Unfall in einem japanischen Kernkraftwerk simuliert. Dank SPEEDI wusste man relativ bald nach dem Fukushima-Unfall (bzw nachdem Tepco zugegeben hat, dass tatsächlich Iod und Cäsium austreten), wo die radioaktiven Stoffe landen würden. Ihr erinnert euch sicher an die Meldungen, dass die Strahlung aufs Meer getrieben würde oder ein Wetterumschwung Tokio bedrohte - das waren alles SPEEDI-Daten. Das Problem mit SPEEDI ist, dass der Simulationsbereich maximal 100 mal 100 Kilometer groß ist, und damit im konkreten Fall von Fukushima wichtige Bereiche gar nicht abdeckt, unter anderem den Großraum Tokio. Wir wissen aber nun, dass Radionuklide aus Fukushima mehrere hundert Kilometer von der Quelle entfernt aufgetaucht sind und auch in Tokio selbst die Radioaktivität von Cäsium und Iod die Grenzwerte überschritten hat - entsprechend stellen die Radionuklide von Fukushima weit über den Gültigkeitsbereich von SPEEDI hinaus eine potentielle Gesundheitsgefahr für die Bewohner Nordjapans dar. Dem trägt das Modell von Ohara und Kollegen Rechnung, es hat insgesamt eine Kantenlänge von 700 Kilometern und erfasst damit auch den Großraum Tokio. Die Region um das Atomkraftwerk hat natürlich die volle Breitseite abgekriegt, insgesamt sind bis zum 29. März auf beträchtliche Teile der Präfektur Fukushima mehr als 500.000 Becquerel Iod-131 pro Quadratmeter niedergegangen, dazu mehr als 50.000 Becquerel Cäsium-137. Die Messstationen in der Regionen registrierten nach dem 31. März in der gesamten Region weniger als 1000 Becquerel pro Tag und Quadratmeter. Kumulativer Fallout von 131I und 137Cs bis zum 29. März 2011. Quelle: Ohara et al. Tokio dagegen ist, das zeigen die Karten, im Vergleich dazu noch einigermaßen glimpflich davongekommen - hauptsächlich weil der Wind meist günstig stand. Ein paar Tausend Becquerel pro Quadratmeter liegen da trotzdem noch rum - als Äquivalentdosis betrachtet ist das zwar einigermaßen harmlos, aber das Cäsium kann eben auch in Nahrung und Wasser gelangen oder als Staub eingeatmet werden. Wenn die Radioisotope erst einmal im Körper sind, ist ihr Schadpotential um ein vielfaches höher, siehe auch das Thema Iod und Schilddrüsenkrebs, und die Studie sagt naturgemäß nicht, ob und wie sie dort hin gelangen. Es ist aber sicher nicht abwegig anzunehmen, dass mehr Cäsium in einer Region auch mehr Radionuklide im Trinkwasser und in der Nahrung bedeuten. Große Ungenauigkeiten Je nach vorherrschender Wetterlage landeten mal mehr, mal weniger Radioisotope auf dem japanischen Festland - auflandiger Wind um den 15. und den 21. März sorgte an jenen Tagen laut Modell für einen beträchtlichen Teil des gesamten Fallouts. Diese Unwägbarkeiten sind natürlich auch für die beträchtlichen Ungenauigkeiten in den Modelldaten verantwortlich - schon eine oder zwei Stunden Unterschied beim Ausstoß des radioaktiven Materials können den Unterschied zwischen Ost und West bedeuten, wenn der Wind in jener Zeit dreht. Das Iod hat eine Halbwertzeit von 8 Tagen, deswegen ist davon, wenn ich mich nicht verrechnet habe, nur noch ein Zweihundertsechzigtausendstel der Aktivität von Ende März vorhanden. Deswegen würde ich mir um das Cäsium mehr Sorgen machen, weil das Zeug eine Halbwertzeit von 30 Jahren hat und deswegen noch mehr oder weniger komplett vor Ort ist - plus das, was später noch dazu gekommen ist, versteht sich. Wenn man von einer Cs-Aktivität von 50.000 Bq ausgeht, dann ist das (wenn ich mich nicht verrechnet habe) eine Äquivalentdosis von 0,65 Millisievert, die zum natürlichen Hintergrund hinzukommt. Das entspricht etwa der natürlichen Hintergrundstrahlung in Hamburg. Allerdings entsprechen diese 50.000 Bq dem oberen Rand der Skala in der Abbildung, man kann also getrost davon ausgehen, dass die Werte in Fukushima beträchtlich darüber liegen. Der Gradient am Rand der "roten Zone" in der Abbildung spricht Bände. Radionuklid-Konzentrationen an verschiedenen Messpunkten in Japan, berechnete Konzentration gegen gemessene Konzentration. Die Diagonale Gerade entspricht exakter Übereinstimmung. Quelle: Ohara et al. Die Forscher haben ihr Modell natürlich mit den tatsächlich gemessenen Ablagerungen an den Messstationen abgeglichen, um zu sehen, ob es die tatsächlichen Daten brauchbar reproduziert. Der große Vorteil der Simulation ist, dass sie die erwartete Radioaktivität auf großen Flächen zeigt statt nur einzelner lokaler Werte, die die fest installierten Stationen liefern. DemVernehmen nach liefert die Simulation für die Orte dieser Stationen Werte, die im Rahmen etwa einer Größenordnung mit den tatsächlich gemessenen Zahlen übereinstimmen. Das klingt natürlich nach einer ganzen Menge, aber es lässt sich kaum vermeiden, dass diese Modelle mit erheblichen Unsicherheiten behaftet sind. Man weiß zu wenig über den zeitlichen Ablauf beim Austritt der Radionuklide und über die Größe der Teilchen in der Dampf- und Rauchwolke, entsprechend ungenau sind die dem Modell zugrunde liegenden Annahmen. Auch über chemische Reaktionen dieser Elemente - vor allem des überwiegend gasförmigen Iods - mit anderen Bestandteilen der Atmosphäre wenig bekannt ist, ebenso über Prozesse an und mit Aerosolen. Damit vernachlässigen diese Modelle die komplette Atmosphärenchemie, was natürlich die Aussagekraft dieser Modelle erheblich schmälert. (via Ex-SKF) - ...

Morino, Y., Ohara, T., & Nishizawa, M. (2011) Atmospheric behavior, deposition, and budget of radioactive materials from the Fukushima Daiichi nuclear power plant in March 2011. Geophysical Research Letters. DOI: 10.1029/2011GL048689

Die Erde hat einen Gürtel aus Antimaterie

2011-08-10T15:30:00Z

Von PAMELA hatten wir es schon mehrere Male, das ist der Satellit ("Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics") der das Verhältnis von Teilchen zu Antiteilchen misst. Also wieviele Elektronen und wieviele Positronen man dort draußen im All auffangen kann. Und wieviele Protonen/Antiprotonen. Die findet man vor allem in der kosmischen Strahlung, und kann dann Rückschlüsse auf die Quellen der Strahlung. Wie z.B. Dunkle Materie. Oder vielleicht auch doch nicht. Aber natürlich kann der Satellit auch Protonen einfangen die im Magnetfeld der Erde gefangen sind. Und konnte so auch nachweisen, dass es auch einen Gürtel an Antiprotonen um die Erde gibt!Die Erde ist von einem Magnetfeld umgeben, glücklicherweise, denn es schützt uns vor kosmischer Strahlung, vor allem vor Sonnenstürmen. In der inneren Region des Magnetfeldes, wenige hundert Kilometer über der Erdoberfläche, befinden sich die van Allen-Strahlungsgürtel, die sich um die Erde legen und elektrisch geladene Teilchene insperren können. Außen sind Elektronen gefangen, etwas weiter innen Protonen. Bildquelle: NASA Die Teilchen stammen vor allem aus der Sonnenaktivität, können aber auch aus kosmischer Strahlung von außerhalb des Sonnensystems kommen. Sie müssen nur, zufällig, die richtige Richtung einschlagen, sodass sie in den Gürteln gefangen werden. Und da dort draußen wenig Betrieb ist, sitzen sie dann auch halbwegs ungestört in der Falle - was uns zu den Antiprotonen bringt. Ja wo kommt ihr denn her? Schließlich reagieren Protonen mit Antiprotonen in gegenseitiger Zerstörung - daher sind nur draußen im All und nur da wo Magnetfeld-Fallen sind die Chancen gegeben, Antimaterie gelagert zu finden. Dieser neue van Allen-Gürtel aus Antiprotonen wurde theoretisch vorhergesagt und konnte jetzt von der PAMELA-Kollaboration bestätigt werden (hier im arXiv). Antiprotonen können direkt aus Paarbildung mit einem Protn entstehen. Um viele Größenordnungen häufiger ist allerdings der sogenannte CRANbarD-Prozess. Er geht aus dem CRAND (Cosmic Ray Albedo Neutron Decay)-Prozess hervor, bei dem Neutronen die in der oberen Atmosphäre aus Kollisionen mit kosmischen Strahlen entstanden sind, aus der Atmosphäre entkommen. Freie Neutronen aber zerfallen zu Protonen, die eingefangen werden können und dann ihrerseits wieder in Stoßprozessen Neutron-Antineutron-Paare erzeugen. Die Antineutronen wiederum zerfallen zu elektrisch negativ geladenen Antiprotonen, die bei passender Flugrichtung in einem Magnetgürtel gefangen werden. Kosmischer Surfer Wie konnte man diesen nun finden? Nun, PAMELA kreist dort draußen um die Erde und sieht sich vor allem nach Antiteilchen um. Auf dem Weg surft der Satellit aber auch manchmal ein Stück durch die vorhergesagte Position des Antimaterie-Gürtels - in der Southern Atlantic Anomaly (SAA), in der die Gürtel der Erde am nächsten sind. Und da schaute man eben einmal hin, ob man mehr Antiprotonen messen konnte: Bildquelle: Adriani et al. 2011 Die roten Kreise (mit dem roten Fehlerbalkenkreuz) geben die gemessenen Antiprotonen in der gesuchten Region an. Insgesamt hat man 28 Antiprotonen gefangen, vergleichsweise wenig aber immer noch deutlich mehr als nur aus der kosmischen Strahlung stammend (die schwarzen Quadrate) oder aus atmosphärischer Produktion (offene blaue Kreise). Außerdem sieht man noch zwei Linien, das sind zwei theoretische Vorhersagen für die Antiprotonen-Dichte. Man sieht, Selesnick et al. lagen deutlich näher dran, aber immer noch einen Faktor 10 daneben. Aus diesen Messungen kann man ermitteln, dass dort draußen Milliarden Antiprotonen gelagert sind, sagte Francesco Cafagna dem "New Scientist". Da wird dann schon gerechnet, wie man damit Weltraummissionen antreiben könnte. Aber da würde ich jetzt mal die Science Fiction im Hut lassen...aber ein paar interessante Experimente lassen sich sicherlich damit anstellen. Adriani, O., Barbarino, G., Bazilevskaya, G., Bellotti, R., Boezio, M., Bogomolov, E., Bongi, M., Bonvicini, V., Borisov, S., Bottai, S., Bruno, A., Cafagna, F., Campana, D., Carbone, R., Carlson, P., Casolino, M., Castellini, G., Consiglio, L., De Pascale, M., De Santis, C., De Simone, N., Di Felice, V., Galper, A., Gillard, W., Grishantseva, L., Jerse, G., Karelin, A., Kheymits, M., Koldashov, S., Krutkov, S., Kvashnin, A., Leonov, A., Malakhov, V., Marcelli, L., Mayorov, A., Menn, W., Mikhailov, V., Mocchiutti, E., Monaco, A., Mori, N., Nikonov, N., Osteria, G., Palma, F., Papini, P., Pearce, M., Picozza, P., Pizzolotto, C., Ricci, M., Ricciarini, S., Rossetto, L., Sarkar, R., Simon, M., Sparvoli, R., Spillantini, P., Stozhkov, Y., Vacchi, A., Vannuccini, E., Vasilyev, G., Voronov, S., Yurkin, Y., Wu, J., Zampa, G., Zampa, N., & Zverev, V. (2011). THE DISCOVERY OF GEOMAGNETICALLY TRAPPED COSMIC-RAY ANTIPROTONS The Astrophysical Journal, 737 (2) DOI: 10.1088/2041-8205/737/2/L29...

Adriani, O., Barbarino, G., Bazilevskaya, G., Bellotti, R., Boezio, M., Bogomolov, E., Bongi, M., Bonvicini, V., Borisov, S., Bottai, S.... (2011) THE DISCOVERY OF GEOMAGNETICALLY TRAPPED COSMIC-RAY ANTIPROTONS. The Astrophysical Journal, 737(2). DOI: 10.1088/2041-8205/737/2/L29

Nix mit Nemesis? Asteroideneinschläge sind nicht periodisch

2011-08-04T03:19:20Z

So kanns gehen. Erst vor wenigen Wochen habe ich ausführlich über die Nemesis-Hypothese berichtet. Also darüber, dass die Sonne eventuell einen noch unentdeckten Begleitstern hat der sich ihr in regelmäßigen Abständen nähert und dabei etwa alle 26 Millionen Jahre die Bahnen der Kometen aus den äußersten Bereichen des Sonnensystems so verändert, dass sie auch der Erde nahe kommen bzw. mit ihr kollidieren können. Eine neue Untersuchung des Problems scheint nun aber zu zeigen, das gar kein Bedarf für Nemesis besteht.Die Sache mit dem unbekannten Begleitsstern hat man sich in den 1980ern natürlich nicht einfach so ausgedacht. Das die Sonne kein Einzelstern sondern Teil eines Doppelsternsystems sein soll, ist ja doch eine sehr starke Behauptung und dafür gab es gute Gründe. Die Paläontologen David Raup und John Sepkoski untersuchten damals die großen Massensterben in der Vergangenheit (z.B. die Zeit vor 65 Millionen Jahren als die Dinosaurier ausstarben). Dabei stellten sie fest, dass diese Massensterben anscheinend periodisch auftraten, in etwa alle 26 Millionen Jahre. Aber was könnte die Ursache so einer langen Periodizität sein, was könnte alle paar Millionen Jahre fast alles Leben auf der Erde auslöschen? Asteroideneinschläge! lautete die plausibelste Antwort - immerhin wissen wir ja, dass die Dinosaurier durch genau so einen Einschlag ausstarben. Aber es war schwierig, einen plausiblen Mechanismus zu finden, der alle 26 Millionen Jahre für häufigere Asteroideneinschläge sorgt. Der Astronom David Muller schlug Nemesis vor: den Begleitstern der Sonne, der ihr alle 26 Millionen nahe kommt. Zumindest so nahe, um die Bahn der Kometen in der weit entfernte Oortschen Wolke zu stören und sie auf einen Kollisionskurs mit der Erde zu schicken. Weitere Untersuchungen passten gut zur Nemesis-Hypothese. Zum Beispiel schien auch die Verteilung des Alters der Einschlagskrater auf der Erde der 26-Millionen-Jahre-Periode zu folgen. Hier hat es vor 212 Millionen Jahren ordentlich gerummst: Der Manicouagan-Krater in Kanada (100 km), gesehen vom Space-Shuttle (Bild: NASA) Genau das aber bestreitet nun Coryn Bailer-Jones vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. In seiner Arbeit mit dem Titel "Bayesian time series analysis of terrestrial impact cratering" hat er sich dem Problem mit einem neuen statistischen Ansatz genähert ("neu" in Bezug auf die Nemesis-Hypothese; die verwendete statistische Methode existierte schon länger). Es handelt sich dabei um die Bayessche Statistik. Christian hat die Grundlagen in seinem Blog schön zusammengefasst. Kurz gesagt geht es darum, dass man nicht mehr wie üblich eine bestimmte These mit der Nullhypothese vergleicht. Also in unserem Beispiel die These "Asteroidenkrater entstehen mit einer Periode von 26 Millionen Jahren" gegen die Nullhypothese "Asteroidenkrater entstehen völlig zufällig" testet. Wenn die beiden Möglichkeiten - Periode von 26 Millionen Jahre und völliger Zufall - tatsächlich die einzig möglichen Szenarien wären, dann wäre das ja in Ordnung. Aber das ist ja nicht so, es gibt viele verschiedene Alternativen. Die Periode könnte anders sein. Die Einschläge könnten weder zufällig noch periodisch sein sondern im Lauf der Zeit stetig zu- oder abnehmen. Oder es ist eine Mischung aus allem. Solange man nicht mehr über das Problem weiß, ist das alles gleich wahrscheinlich. Beim Bayesschen Ansatz vergleicht man nun alle möglichen Alternativen miteinander und schaut, wie sich die Wahrscheinlichkeit ändert, wenn man die Beobachtungsdaten mit einbezieht. Das kann im konkreten Fall natürlich ziemlich knifflig sein und wer mehr über die Details wissen will, der liest am besten den Artikel von Bailer-Jones; da ist das alles ausführlich erklärt. Uns interessieren hier vor allem die Ergebnisse. Immerhin haben ja jede Menge wissenschaftliche Arbeiten der letzten Jahrzehnte (Bailer-Jones listet sie alle in seinem Artikel auf) Periodizitäten in der Altersverteilung der Krater gefunden. Haben die sich alle Unsinn geredet? Nicht unbedingt, mein Bailer-Jones - aber mit der Standardstatistik sei es einfach, dort Perioden zu sehen, wo eigentlich keine sind bzw. sei es schwierig, die Signifikanz gefundener Perioden einzuschätzen. Außerdem sind Kraterdaten schwierige Daten. Sie sind nicht komplett - wir haben ja mit Sicherheit nicht alle Krater gefunden die jemals auf der Erde geschlagen wurden. Sie lassen sich oft schlecht datieren und es ist schwierig, Fehlergrenzen anzugeben. Krater verschwinden durch die Erosion im Laufe der Zeit wieder und umso schneller, je kleiner sie sind. Das alles führt dazu, dass es schwierig ist, die richtigen Daten für seine Untersuchungen auszuwählen und es ist leicht, dabei bewusst oder unbewusst Fehler zu machen die am Ende genau zu den Ergebnissen führen die man gerne hätte. Bailer-Jones selbst hat für seine Untersuchung alle Krater der Earth Impact Database berücksichtigt, deren Alter bekannt war (und für das Fehlergrenzen angegeben wurden). Außerdem wurden nur Krater verwendet, die jünger als 250 Millionen Jahre waren und deren Durchmesser mehr als 5 Kilometer beträgt. Davon gibt es 59 Stück und wenn man ihren Durchmesser gegen ihr Alter aufträgt, dann sieht das so aus: Bild: Bailer-Jones (2011) Gibt es hier eine Periode? Schwer zu sagen. Auf den ersten Blick könnte man sagen: ja, das sieht schon irgendwie mehr nach Periode und weniger nach Zufall aus. Aber wir Menschen sind immer gut darin, irgendwo Muster zu erkennen, selbst wenn da gar keine sind. Klarheit kann nur eine objektive Statistik schaffen. Die Bayessche Statistik, meint Bailer-Jones und seine Ergebnisse sind überraschend. Es gibt keine Periode in den Daten! Auch Bailer-Jones findet zwar ein paar mögliche Perioden - aber die stellen sich als nicht signifikant heraus. Die Hypothese das Krater periodisch entstehen ist nicht wahrscheinlicher als die Alternativmodelle. Es zeigt sich allerdings, dass die Zahl der Krater in den letzten 250 Millionen Jahren leicht ansteigt! Bevor jetzt hier Panik ausbricht: das muss nicht bedeuten, dass Asteroideneinschläge immer wahrscheinlicher werden. Viel wahrscheinlicher ist es, dass einfach weniger alte Krater bekannt sind - immerhin ist es umso schwieriger sie zu finden, je älter sie sind. Bailer-Jones hat sich auch die Daten aller Krater angesehen die größer als 35 km und jünger als 400 Millionen Jahre alt sind und hier keinen Anstieg gefunden. Wo steht also jetzt die Nemesis-Hypothese? Natürlich kann es immer noch sein, dass die Sonne Teil eines Doppelsternsystems ist. Eben ein netterer Stern, der keine Kometen auf uns schmeißt ;) Aber mit Nemesis als Grund für die periodischen Massensterben sieht es momentan schlecht aus. Aber als komplett widerlegt würde ich die These trotzdem noch nicht betrachten. Statistik mit so wenig Daten ist immer schwierig, egal ob normale oder Bayessche Statistik. Und dann gibt es da ja auch noch die Periodizitäten in den fossilen Daten der Paläontologen. Sollten die real sein, dann braucht man immer noch eine Erklärung für die periodischen Massensterben. Ich denke, wir müssen noch ein paar Jahre warten, bis wir definitiv Bescheid wissen. Wenn erstmal der Vermessungssatellit Gaia in zwei Jahren ins All gestartet ist und den Himmel mit bisher noch nicht gekannter Genauigkeit vermessen hat, dann werden wir auch wissen, ob da draussen noch ein Stern ist, der zur Sonne gehört oder nicht. Und wir werden wissen, ob dieser Stern für periodische Kraterbildung sorgen kann oder nicht. Bis da alle Daten ausgewertet sind, wird es wohl noch ein paar Jahre dauern. Aber so gegen 2020 sollten wir definitiv sagen können, ob Nemesis existiert oder wir sei...

C. A. L. Bailer-Jones. (2011) Bayesian time series analysis of terrestrial impact cratering. MNRAS. arXiv: 1105.4100v2

Pack die Alge in den Tank

2011-05-01T23:15:00Z

Die erste Generation an "Biokraftstoffen" sind zurecht umstritten, stehen sie doch in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln. Neuere Energiepflanzen, die ausschliesslich fuer Kraftstoffproduktion entwickelt wurden, versprechen da schon mehr. Manche Arten an Mikroalgen bestehen aus bis zu 50% Trockengewicht aus Lipiden und koennten somit ein echter Star in der Oelproduktion werden, uebertraefen sie damit doch selbst die Sonnenblumen um einen Faktor 10. Auch klar ist, dass solche Algenbecken viel Wasser brauchen. Zwar koennte dies durchaus Brauchwasser sein, aber ein Tradeoff zwischen Energieproduktion, Landbedarf und Wasserverbrauch ist klar vorhanden. Aber auch oder gerade in den USA ist die Motivation gross, alternative, unabhaengige Kraftstoffquellen aufzutun; und ein Gesetz von 2007 (Energy Independence and Security Act) hilft da auch mit einem verordnendem Arschtritt nach, indem es vorschreibt, dass 2022 136 Gigaliter Kraftstoff aus erneuerbaren Quellen stammen muessen (etwa ein Zehntel des momentanen Jahresverbrauchs), davon etwa die Haelfte Biokraftstoffe die nicht aus Mais gewonnen werden. Irgendwo wenig beeindruckende Zahlen, aber auch da muss man erst mal hinkommen.Wie weit man mit dem Platz und dem Wasser fuer Mikroalgen kommen koennte, haben sich jetzt Mark Wigmosta, Andre Coleman, Richard Skaggs, Michael Huesemann und Leonard Lane in einer gross angelegten und fein aufgeloesten Studie angesehen, die gerade in Water Resources Research veroeffentlicht wurde. Grundlage ist also die verlockende Aussicht, dass Mikroalgen sehr viel Oel produzieren koennten; dass sie dabei Brauchwasser verarbeiten und gar filtern koennen und CO2 verbrauchen. Die Autoren haben sich zum Ziel gesetzt, sehr fein aufgeloest fuer die USA die Standorte fuer die "Biophotoreaktoren", wie die offenen Becken fuer die Algen auf Wissenschaftssprech genannt werden, auszumachen und aufgrund der klimatischen Randbedingungen wie Temperatur, Sonneneinstrahlung, Wind und Niederschlag zu bewerten. Ihre Untersuchung beschraenkt sich dabei auf die nicht abgedeckten Raceway Ponds (wie auch immer die auf deutsch heissen, 'Rennbahn-Teich' jedenfalls nicht). Diese sind beliebter, weil sie schlicht billiger anzulegen sind und leichter auf groessere Flaechen ausgedehnt werden koennen. Schlechter Boden - so what? Der Knackpunkt an der Algenproduktion ist, dass die Qualitaet des Bodens egal ist. Oder andersrum - dass man die Algenteiche auf schlechten Boeden anlegen sollte, da sie keine Naehrstoffe aus dem Boden aufnehmen koennen/muessen und daher leicht ausser Konkurrenz zu Nahrungsmitteln produzieren kann. Daher bestand der erste Schritt der Studie darin, die moeglichen Standorte USA-weit zu identifizieren. Dazu wurde eine nationale Datenbank auf der hoechsten Aufloesungsstufe (30 m) angezapft und passende Standorte ausgewaehlt, die ohne Gefaelle sind und sich ausserhalb von anderweitig nutzbarem oder geschuetztem Land befinden. Immerhin 5.5% der US-Landflaeche wuerde so fuer die Algenproduktion bereit stehen. Dann wurden fuer alle diese Standorte die meteorologischen Randbedingungen in Modelle gesteckt, um zu ermitteln, wieviele Algen man denn dort so produzieren koenne, vor allem abhaengig von Temperatur und Sonneneinstrahlung. Schliesslich war dann noch die begrenzende Komponente zur Bewertung der Standorte, wieviel Wasser man benoetigt - als Bilanz des Niederschlags in Konfrontation mit der Verdunstungsmenge aus den Teichen. Wasser! Im Ergebnis stellt sich heraus, dass mit dem momentan verfuegbaren Stand der Technik (da sind die Algen dann nur noch etwa 4-5 mal produktiver als Sonnenblumen) bei Nutzung aller dieser Standorte 50% der US-Kraftstoffimporte ersetzt werden koennten. Leider wuerde die dafuer benoetigte Wassermenge die momentan zur Bewaesserung eingesetzte um einen Faktor von fast 3 uebertreffen! Und dabei ist schon jetzt die Wassermenge zur Bewaesserung alles andere als gering, einfach zu gewinnen oder nachhaltig. Daher haben die Forscher sich angesehen, wieviel Kraftstoff realistisch zu gewinnen ist, indem sie auf die Standorte mit dem geringsten Wassereinsatz gesetzt haben. Um das Ziel fuer 2022 zu erreichen, waere dabei ein Einsatz von 25% des zur Bewaesserung eingesetzten Volumens noetig - wohlgemerkt um weniger als 10% des Kraftstoffbedarfs zu decken. Man sieht also mal wieder, dass der Kraftstoffhunger der USA gewaltig ist (was man auch daran sieht, dass das kleine lauschige Davis bereits Fahrradmetropole der USA ist!) und ums Energie sparen weiterhin kein Weg vorbei fuehren sollte. Aber man sieht auch durchaus das Potential der Mikroalgen, und dass man Biokraftstoffe ohne Konkurrenz zu Nahrungsmitteln erzeugen koennte. Die besten identifizierten Standorte wuerden sich an der Golfkueste befinden, an der Suedostkueste und an den Grossen Seen. Die Forscher weisen aber auch darauf hin, dass weitere Studien das Fortschreiten der Technologie beachten muessen, geschlossene Produktionsbecken zu untersuchen seien und weitere begrenzende Faktoren durch Naehrstoffverfuegbarkeit, Landkosten und Logistik das wahre Potential der Technologie modifizieren werden. Und natuerlich, dass jede Art der Energieproduktion immer ein Tauschhandel zwischen Ressourcen sein wird. Die benoetigte Wassermenge hier ist sicherlich gewaltig, und ist doch ein gewaltiger Daempfer fuer jeden Enthusiasmus, den man ob des Potentials der Algen entwickeln kann. Wigmosta, M., Coleman, A., Skaggs, R., Huesemann, M., & Lane, L. (2011). National microalgae biofuel production potential and resource demand Water Resources Research, 47 DOI: 10.1029/2010WR009966...

Wigmosta, M., Coleman, A., Skaggs, R., Huesemann, M., & Lane, L. (2011) National microalgae biofuel production potential and resource demand. Water Resources Research. DOI: 10.1029/2010WR009966

Mehr Regenextreme durch den Klimawandel

2011-02-21T00:30:00Z

Es ist interessant, manchmal auf aktuelle Paper in der Klimaforschung zu schauen, einerseits weil man den inkrementellen Fortschritt sieht, wie Fragen die vor 2-3 Jahren noch als unsicher galten nach und nach immer besser beantwortet werden; aber auch wie die Paper auf fortgeschrittene Methoden der Datenanalyse setzen und ausnutzen, dass große Datenmengen aus Modellläufen und Beobachtungen international zur Verfügung gestellt werden. Klimatologie funktioniert längst nur noch durch Zusammenarbeit und Austausch von Daten, und das ist es wert von (uns) anderen Umweltdisziplinen aufmerksam verfolgt zu werden. Ein gerade in Nature erschienenes Paper behauptet jetzt zum ersten Mal den Einfluss des Menschen auf den Klimawandel in der Zunahme an extremen Regenereignissen festgestellt zu haben.Dass der Klimawandel existiert und global im Mittel die Temperaturen steigen ist unumstritten, dass der Mensch durch kräftiges Auspusten klimarelevanter Gase daran Schuld ist auch. Die Klimaforschung befasst sich aktuell unter anderem damit, zu besseren Vorhersagen (bzw. Projektionen, den Unterschied erspare ich mir jetzt aber mal) zu kommen. Interessant ist z.B., den Einfluss des Klimawandels auf Extremwetterereignisse zu untersuchen. Der Einfluss des Menschen schlägt ja nun schon gute 60 Jahre durch, man kann also aus historischen Daten die Erwartung für die Zukunft formulieren. Was die Forscher und die Forscherin um Erstautor Seung-Ki Min sich herausgepickt haben, sind die extremen Regenereignisse. Und zwar aus einer globalen Sicht: Sie zeigen dass in den meisten Regionen (zwei Dritteln) Starkregenereignisse wahrscheinlicher werden und weisen anthropogene (vom Mensch gemachte) Einflüsse als Ursache aus. Ein Maß Die Untersuchung bezieht sich auf jeweils Fünfjahrespakete zwischen 1951 und 1999. Dazu stehen Läufe aus mehreren verschiedenen Klimamodellen zur Verfügung. Die Verwendung gleich mehrerer, unterschiedlicher Modelle ist wichtig, da kein Modell jemals perfekt sein wird. Wenn aber mehrere Modelle mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen das gleiche vorhersagen, erhält man Vertrauen in die Aussagen. Wichtig zur Bewertung ist es überhaupt erstmal, eine Messgröße zu haben. In diesem Fall sind es zwei Indizes, die für einen Zeitraum von einem Jahr oder von fünf Jahren die maximale Niederschlagsmenge an einem Tag angeben. Diese Indizes wären ein gutes Maß für die Häufigkeit und Stärke von Niederschlägen, die den Menschen betreffen. Jetzt sind aber die Niederschläge regional stark unterschiedlich, und auch die Messnetzwerke sind nur punktuell und nicht unbedingt gleichmäßig verteilt; aber man will doch zu einem Vergleich kommen können. Daher hat Seung-Ki Min und seine Mitautoren und -autorin einen weiteren Index eingeführt, den wahrscheinlichkeitsbasierten Index. Zunächst werden dafür die Niederschläge an jedem Ort normiert, also auf eine Skala zwischen Null und Eins umgerechnet. Dann fittet man eine Wahrscheinlichkeitsverteilung daran, die besonders für extreme Werte geeignet ist. Im Endeffekt wird man so eine Zunahme der Wahrscheinlichkeit für extreme Werte finden, wenn denn starke Regenereignisse auch tatsächlich zunehmen. Der menschliche Fingerabdruck Ein weiterer Trick ist die Wahl der Modelle: Da gibt es Modelle die nur durch den anthropogenen Anteil angetrieben werden, Kontrollläufe die nur den natürlichen Antrieb verwenden und komplette Läufe, die beide Antriebe summieren. In der Darstellung zeigt sich dann, dass für zwei Drittel aller Regionen auch tatsächlich der Index zunimmt, also Starkregenereignisse wahrscheinlicher werden. Die Hauptleistung des Papers aber ist, den Fingerabdruck des menschlichen Einflusses (den man ja durch die verschiedenen Modellarten von natürlichen Einflüssen getrennt hat) in den Beobachtungen zu sehen. Die Methode, die dazu verwendet wurde, ist die "optimal detection"-Methode. Hierbei erzeugt man quasi aus den Modellläufen einen Fingerabdruck, den man in den Messdaten sehen müsste, wäre denn die Annahme richtig dass es mehr Regenereignisse gibt. In diesem Fall ist der entscheidende Zug, dass man in den Modellläufen die alle Antriebe enthalten einen kleineren Fingerabdruck sieht als in denen, die nur menschliche Einflüsse als Antrieb haben. Der Mensch hat seinen Fingerabdruck am Tatort hinterlassen, und im Rahmen der Genauigkeit der Methode, Messung und verfügbaren Datenmenge hat man den Durchbruch im Fall geschafft. Die Unsicherheiten, die sich im Laufe der Jahre also vermutlich noch verringern werden, stammen aus den "üblichen" Unsicherheiten der Modellläufe und der Antriebe der Modelle, aber auch daraus dass nur eine begrenzte Zahl Messdaten vorhanden war. Das ist aber eher eine Stärke des Papers: Dass die Forscher und die Forscherin so ehrlich waren, die eh verstreut vorhandenen Messreihen noch auszudünnen, und nur Daten zu verwenden die den kompletten Zeitrahmen abdecken und nur an solchen Orten zu vergleichen, an denen die innere Variabilität der Modelle stabil genug war - ansonsten hätte man nämlich im Rauschen des Modells fälschlicherweise den Fingerabdruck finden können. Die Chance dazu hat man minimiert, nur an Stellen zu vergleichen, an denen die Variabilität der modellierten Werte ordentlich simuliert wurde. Min, S., Zhang, X., Zwiers, F., & Hegerl, G. (2011). Human contribution to more-intense precipitation extremes Nature, 470 (7334), 378-381 DOI: 10.1038/nature09763...

Min, S., Zhang, X., Zwiers, F., & Hegerl, G. (2011) Human contribution to more-intense precipitation extremes. Nature, 470(7334), 378-381. DOI: 10.1038/nature09763

Kultivierte Pinguine

2011-02-04T06:07:48Z

Seit Jahrzehnten markieren Naturforscher Tiere in der freien Wildbahn, um sie wiedererkennen und somit über lange Zeit beobachten zu können. Sie glauben, indem sie markierte Tiere beobachten, finden sie etwas über die Natur heraus, aber sie erfahren natürlich nur etwas … Weiterlesen →...

Saraux C, Le Bohec C, Durant JM, Viblanc VA, Gauthier-Clerc M, Beaune D, Park YH, Yoccoz NG, Stenseth NC, & Le Maho Y. (2011) Reliability of flipper-banded penguins as indicators of climate change. Nature, 469(7329), 203-6. PMID: 21228875

Der Einfluss von Klimawandel und Bodenfeuchte auf Hitzewellen in Europa

2011-01-04T07:00:00Z

Ein aktuelles Paper in Nature Geoscience zeigt einen schönen Ausschnitt aus den aktuellen Herausforderungen der Klimamodellierung, und wie neu verfügbare Messungen helfen können, die Vorhersagen zu verbessern.Die Herausforderung ist die Prognose regionaler Veränderungen durch den Klimawandel, in diesem Fall der Länge und Intensität von Hitzewellen in Mittel- und Süd(ost)europa. Bewegt man sich von den großen globalen Modellen in regionalere Vorhersagen, will man feiner aufgelöst (z.B. auf Landesebene) die Veränderungen vorhersagen, und muss dazu auch andere Randgrößen korrekt(er) einbeziehen. In diesem Paper wird untersucht, wie die Verfügbarkeit von Wasser im Boden die Entwicklung von Hitzewellen beeinflusst. Dazu wurden Daten ausgewählt, die aus dem EU-Projekt CECILIA neu verfügbar wurden. Hieraus hat man jetzt Messdaten über ein Maß für Trockenheit (der Standardized Precipitation Index - SPI). In der Studie haben sich die Forscher um Erstautor Martin Hirschi von der ETH Zürich einmal für zwei Regionen angesehen, ob sich bei unterschiedlicher Trockenheit die Hitzewellen auch anders entwickeln. Die Regionen unterscheiden sich darin, was die Verdunstung von Wasser aus dem Boden beschränkt. Dabei ist in der einen Region, Mitteleuropa, eigentlich genug Wasser vorhanden und die Verdunstung durch die verfügbare Energie (Sonneneinstrahlung) begrenzt, in Südosteuropa jedoch ist die Verdunstung durch das verfügbare Wasser im Boden beschränkt. Die Hitzewellen werden durch die durchschnittliche Anzahl an heißen Tagen im Jahr und die mittlere Dauer einer Hitzewelle in Zahlen ausdrückbar gemacht. Beobachtungen Zunächst erlauben also die neuen Daten, darzustellen was wirklich passiert. Das ist dann der Maßstab, an dem sich (regionale) Klimamodelle messen lassen müssen; bzw. die Marschrichtung für Verbesserungen. Die Messungen von zahlreichen Stationen trägt man in einem Plot von SPI gegen die Messgrößen für die Hitzewellen auf. Dort streuen sie natürlich ordentlich, sodass man erstmal Kurven daran fitten muss. In diesem Paper wurde eine Methode gewählt, die sich zunehmender Beliebtheit erfreut. Es wurde nicht einfach nur eine mittlere Kurve mit Least-Squares angepasst, nein die Gaussverteilungen dürfen schlafen gehen und stattdessen kommt die Quantilregression zum Einsatz. Das ist eigentlich recht einfach: die mittlere Kurve wird so angepasst, dass die Hälfte der Punkte drüber und die Hälfte drunter liegt - eine schnelle Methode für beliebige Verteilungen, bei denen man zusätzlich noch das Quantil anders wählen kann (z.B. liegen beim 90 %-Quantil 90 % aller Punkte unter der Kurve) und somit die Verteilung berücksichtigen kann. Man erhält also eine ganze Schar von Kurven, die aber eines ganz klar zeigen: Bei trockeneren Verhältnissen ist die Tendenz eine Verstärkung und Häufung von Hitzewellen. Außerdem nimmt auch die Streubreite wesentlich zu (und im Endeffekt die Unsicherheit über das Ausmaß der Verstärkung, unstrittig ist dass es eine Verstärkung ist). Die Folgerung ist also: In den südeuropäischen Regionen, in denen die verfügbare Bodenfeuchte die Verdunstung begrenzt, und außerdem durch den Klimawandel mehr Trockenheit zu erwarten ist, werden die Hitzewellen länger und häufiger werden. Man erhält z.B. einen Anstieg der heißen Tage im Mittel (Median) von 1 % auf 19 %, am oberen Rand (90 %-Quantil) sogar von 4.5 % auf 43 %. Diesen Effekt im trockenen Bereich ermittelt man auch dank der Quantilregression: Die Zunahme ist am oberen Rand des Streubereiches noch stärker als in der Mitte. Leider lässt sich diese Wahrheit nicht auf ein einzelnes kurzes Statement zusammenkochen, weswegen ich mich auch echt ärgere, dass genau dies in der Pressemeldung der ETH geschehen ist. Da wird nur von der Zunahme am 90 %-Rand berichtet als sei es die einzige ermittelte Zahl. Das ist nicht nur unehrlich, sondern auch schlechte Kommunikation dessen, was wir berechnen können und wie wir es tun, liebe ETH! In den mitteleuropäischen Regionen hingegen, wo ausreichend Bodenfeuchte zur Verfügung steht, lässt sich kein einheitliches Bild einer Verstärkung der Hitzewellen ermitteln, höchstens leichte Tendenzen dazu. Simulation Diese Erkenntnisse können wir dann nutzen, um die Klimamodelle zu bewerten. Wenn wir abschätzen wollen, wie gut die Prognosen sein werden, schauen wir uns an wie gut vergangene Zeiträume simuliert worden wären. Dabei stellten die Autoren fest, dass die Verhältnisse in Südeuropa gut wiedergegeben werden. Die Tendenz in Mitteleuropa wird hingegen überschätzt, es könnte also die kommende Stärke von Hitzewellen überschätzt werden. Um die Modelle zu verbessern, müssten die Erkenntnisse aus (fortgeführten) Messungen verwendet werden, um die Regime, in denen Bodenfeuchte die Verdunstung begrenzt (oder eben nicht), besser geographisch repräsentieren zu können. Hirschi, M., Seneviratne, S., Alexandrov, V., Boberg, F., Boroneant, C., Christensen, O., Formayer, H., Orlowsky, B., & Stepanek, P. (2010). Observational evidence for soil-moisture impact on hot extremes in southeastern Europe Nature Geoscience, 4 (1), 17-21 DOI: 10.1038/ngeo1032 Jetzt die besten wissenschaftlichen Blogposts des Jahres nominieren......

Hirschi, M., Seneviratne, S., Alexandrov, V., Boberg, F., Boroneant, C., Christensen, O., Formayer, H., Orlowsky, B., & Stepanek, P. (2010) Observational evidence for soil-moisture impact on hot extremes in southeastern Europe. Nature Geoscience, 4(1), 17-21. DOI: 10.1038/ngeo1032

Was Bodenfeuchte und Schnee über den Wasserabfluss vorhersagen

2010-09-21T12:45:00Z

Es passiert nicht so besonders häufig, dass in einem Nature-Journal Artikel erscheinen die nahe an meiner Arbeit sind. Aber ein Paper in Nature Geoscience von Ende August befasst sich gleich mit zwei Themen, die ich auch (etwas entfernt) schon behandelt habe: Bodenfeuchte und Hydrologie. Dabei geht es besonders darum, wie gut man saisonal die Abflussmenge eines Flusses vorhersagen kann, wenn man nur die Schneedecke und/oder die Bodenfeuchte im Fluss-Einzugsgebiet kennt.Um die Abflussmenge eines Flusses vorherzusagen, muss man das gesamte Einzugsgebiet modellieren. Eine Möglichkeit stellen Landoberflächen-Modelle dar, die das Geschehen im Boden mit der Atmosphäre koppeln. Das Einzugsgebiet wird dafür in Kästchen aufgeteilt (hier in ein Gitter von 0.5 Grad Kantenlänge), innerhalb derer die Größen jeweils als konstant angenommen werden; und in denen die physikalischen Gleichungen gelöst werden. Der Boden kann Wasser und Energie speichern, die Atmosphäre stellt den Antrieb für Veränderungen bereit als (u.a.) Niederschlag und Temperatur. Wasser aus dem Boden kann verdunsten. Zwei Einflüsse, die sich diese Studie von Randal Koster vom Global Modeling and Assimilation Office bei der NASA und seine Ko-Autoren genauer ansieht sind die Bodenfeuchte und die Schneedecke. Sie überprüfen dabei, wie genau man die fünf Monate von März bis Juli vorhersagen kann, wenn man (nur) die Bodenfeuchte oder die Schneedecke Anfang Januar kennt. Wie die Kenntnis der Schneehöhe dazu beiträgt, besser sagen zu können wieviel Wasser abfließen wird, ist einfach zu sehen: Der Schnee schmilzt weg und fließt ab. Die Bodenfeuchte aber, also wieviel Wasser der Boden gespeichert hat, beeinflusst wieviel Niederschlag oberflächlich abfließt oder aber versickert. Die beiden Größen beeinflussen sich auch gegenseitig: ist z.B. der Boden unter der Schneedecke trocken, kann schmelzender Schnee zunächst im Boden versickern und später verdunsten. Alles eine Frage des Skills Es war also eine Aufgabe des Studienkonzepts, ein Maß zu finden das als Zahl ausdrückt wieviel Wert für die Vorhersage die Kenntnis der Größe Bodenfeuchte oder Schneehöhe für die Abflussmenge mitbringt. Und zwar am besten so, dass die Zahl frei von anderen Einflüssen ist. Bei Kennzahlen zur Bewertung des Ergebnisses von Simulationen spricht man allgemein von "Skill". Also - wie fähig ist meine Simulation? Die Studie war groß angelegt - 84 Jahre Daten von 17 Flusseinzugsgebieten berechnet mit vier verschiedenen Modellen. Der Skill hier war so angelegt, dass er angab wie gut die Vorhersage der Modelle die Variationen der Abflussmenge innerhalb der einzelnen Jahre wiedergeben konnte - und wie die Kenntnis der verschiedenen Größen dazu unabhängig beiträgt. Der Skill läuft hier einfach zwischen 0 und 1 - 1 bedeutet eine perfekte Reproduktion der Messungen (man hat auch zu allen Flüssen gemessene Abflussdaten, die es zu reproduzieren gilt) und 0 einen völligen Fehlschlag. Drei Szenarien plus ein Kontrolllauf wurden durchgerechnet. Der Kontrollauf war dabei der beste Versuch, die Messungen zu reproduzieren. Dabei wurden nicht nur Schneehöhe und Bodenfeuchte als bekannt in das Modell gesteckt, sondern auch die meteorologischen Randbedingungen. Schauen wir uns doch gleich das Ergebnis an: aus: Koster et al. 2010, Nature Geoscience, doi:10.1038/NGEO944 Das Kontrollszenario ist oben links. Man sieht, es hat ziemlich gute, aber nicht perfekte Vorhersagen. Für jeden Fluss gibt die Farbe den Skill an, und er liegt hier so zwischen 0.7 und 0.9. Perfekt soll er auch nicht sein, den trotz der Kenntnis der Randbedingungen sind diese nicht perfekt gemessen, das Modell ist nicht perfekt, es gibt Fehler durch die Einteilung in Gitterzellen usw. In Realität könnte man aber nicht im Januar bereits die meteorologischen Randbedingungen kennen - man weiß eben nicht, wie viel es drei oder sieben Monate später regnen wird. Daher werden die eigentlichen Szenarien nicht durch meteorologische Randbedingungen, sondern nur durch langfristige klimatologische Randgrößen angetrieben, die aus Beobachtungsdaten abgeleitet sind. So kann man sich auch sicher sein, dass der beobachtete Skill dann tatsächlich nur aus der Kenntnis um Schneehöhe und/oder Bodenfeuchte stammt. Oben rechts sieht man dann das Szenario, bei dem diese beiden Größen bekannt sind - und sieht dass doch ein gutes Stück Information über die Abflussmengen zwischen März und Juli gewonnen werden kann, alleine wenn man Bodenfeuchte und Schneedecke am 1. Januar kennt. Etwas schlechter wird die Vorhersage, wenn man nur die Schneehöhe kennt (unten links); deutlich schlechter wenn man nur die Bodenfeuchte kennt. In manchen Regionen bringt die Kenntnis der Bodenfeuchte gar nichts - aber vor allem im Norden und Nordwesten, also in bergigeren Regionen in denen man sich leicht vorstellen kann, dass der Schnee eine größere Rolle spielt. Aber für manche Flusseinzugsgebiete erkennt man doch einen deutlichen Einfluss der Bodenfeuchte auf die Langzeitvorhersage; für manche Einzugsgebiete kann die Beobachtung der Bodenfeuchte also durchaus wichtig für die hydrologische Modellierung sein. Koster, R., Mahanama, S., Livneh, B., Lettenmaier, D., & Reichle, R. (2010). Skill in streamflow forecasts derived from large-scale estimates of soil moisture and snow Nature Geoscience, 3 (9), 613-616 DOI: 10.1038/ngeo944...

Koster, R., Mahanama, S., Livneh, B., Lettenmaier, D., & Reichle, R. (2010) Skill in streamflow forecasts derived from large-scale estimates of soil moisture and snow. Nature Geoscience, 3(9), 613-616. DOI: 10.1038/ngeo944

Männer in Rot - der Traum aller Frauen?

2010-08-04T09:03:00Z

Dass Frauen in Rot für Männer als ungemein attraktiv gelten, dass ist hinlänglich in unsere Kultur eingegangen. Man denke nicht zuletzt an den Song "Lady in Red" von Chris de Burgh. Einer jüngst im Journal of Experimental Psychology veröffentlichten Studie zu Folge geht es aber wohl auch umgekehrt. Dabei wurden 288 Frauen und 265 Männern in sieben verschiedenen Experimenten Bilder von Männern vorgelegt. Die Teilnehmer hatten sich selber als entweder hetero- oder bisexuell dargestellt. Der Gentleman in Rot ist für Frauen also mindestens ebenso interessant wie für Männer die Dame im roten Kleid. Und dies ist den Frauen offenbar noch nicht einmal bewusst. Alleine die Farbe gibt den Männern in den Augen der betrachtenden Frauen einen höheren gesellschaftlichen Rang und damit verbunden eine höhere Attraktivität für das andere Geschlecht. Dabei reichte in einem Experiment alleine ein roter Rahmen um das Foto des Mannes aus. Dieser unbewusste Vorgang scheint neben einem kulturellem auch einen biologischen Hintergrund zu besitzen. Denn in verschiedenen Kulturen wie in Japan, China und bei afrikanischen Völkern wird die Farbe Rot mit Macht und hohem Status in Verbindung gebracht. Auch im alten Rom trugen die mächtigsten Männer gerne Rot. Diese Farbe war ausschließlich ihnen vorbehalten. Und auch heute noch wird beispielsweise der rote Teppich für hochgestellte Persönlichkeiten ausgerollt. Neben diesem erlernten Zusammenhang muss es aber noch einen tieferen geben, der tief in unsere eigene Stammesgeschichte hineinreicht. Bei Affen wie den Blutbrustpavianen demonstriert Rot männliche Dominanz. Ihre rote Brust leuchtet besonders während der Brunftzeit bei den dominanten Alpha-Männchen. Und Weibchen fühlen sich von diesen angezogen und paaren sich mit ihnen bevorzugt. Die Autoren der Studie vermuten beim Menschen ähnliches. Interessanterweise scheint die rote Farbe sich alleine auf den sozialen Status und die Attraktivität bei den Frauen auszuwirken. Die Männer auf den Bildern in Verbindung mit roter Farbe erschienen ihnen sexuell attraktiver, aber nicht unbedingt liebenswürdiger oder netter. Auch die Herkunft der Frauen machte keinen Unterschied. Frauen aus Großbritannien, Deutschland, den USA oder Japan und China fanden Männer in Verbindung mit roter Farbe attraktiver als ohne Rot. Betrachteten Männer die Bilder, so konnte kein Effekt festgestellt werden.Ich werde also wohl noch einmal den Inhalt meines Kleiderschranks überdenken müssen...Elliot AJ, Niesta Kayser D, Greitemeyer T, Lichtenfeld S, Gramzow RH, Maier MA, & Liu H (2010). Red, rank, and romance in women viewing men. Journal of experimental psychology. General, 139 (3), 399-417 PMID: 20677892...

Elliot AJ, Niesta Kayser D, Greitemeyer T, Lichtenfeld S, Gramzow RH, Maier MA, & Liu H. (2010) Red, rank, and romance in women viewing men. Journal of experimental psychology. General, 139(3), 399-417. PMID: 20677892