Rieser Daniel
Forum Technik und Gesellschaft Förderpreisträger 2009
Kategorie Master-/Diplomarbeiten
2. Preis
Titel
Vergleich von aus GRACE-Beobachtungen abgeleiteten monatlichen Massenänderungen mit Niederschlagsdaten in Australien
Kurzfassung
Die Satellitenmission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) liefert seit 2002 Erdschwerefeldlösungen. Neben der Bestimmung eines statischen Schwerefeldes sind die zeitlichen Schwerefeldänderungen in monatlicher Auflösung von besonderer Bedeutung. Diese können mit geodynamischen Phänomenen, im Speziellen mit hydrodynamischen Prozessen, auf und unter der Erdoberfläche in Zusammenhang gebracht werden. Im Zuge dieser Masterarbeit werden Veränderungen des Erdschwerefeldes, hervorgerufen durch Wassermassenvariationen, berechnet und als Massenänderungen in äquivalenter Wassersäule dargestellt. Die daraus resultierenden Zeitreihen werden mit verschiedenen Methoden untersucht, um ein mögliches Trendverhalten und periodische Signale zu finden. Zum einen werden diese Parameter über ein Multiples Lineares Regressionsverfahren gelöst. Das dafür verwendete Modell und die daraus abgeleiteten Größen werden auf ihre Signifikanz untersucht. Die Studie zeigt, dass eine signifikante Abnahme der Oberflächenmassen im Süd-Osten Australiens, sowie ein dominierender jährlicher Zyklus für den Großteil Australiens mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% festzustellen sind. Zum anderen wird die Methode der Hauptkomponententransformation verwendet, um die Ergebnisse des Regressionsansatzes zu verifizieren. Weiters werden Regenfalldaten vom Australian Bureau of Meteorology (BOM) und der Satellitenmission Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) auf gleiche Weise analysiert. Die Untersuchungen liefern ähnliche Resultate. Der Vergleich zwischen Massenänderungen an der Oberfläche und Niederschlagsdaten zeigt, dass in weiten Teilen Australiens die Veränderungen in der Massenbilanz mit den Regenfalldaten korreliert sind. Allerdings kann eine direkte Beziehung zwischen den Größen nicht immer nachgewiesen werden.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Wirft man einen Blick auf die Medienlandschaft der letzten Jahre, so ist speziell der Klimawandel das dominante Thema, das offensichtlich andauernde Aktualität besitzt. Übermäßiger Ausstoß von Treibhausgasen führt zu einer überdurchschnittlichen Erderwärmung, was wiederum Ursache für das Abschmelzen der Polkappen und Gletscher, fortschreitende Desertifikation und vermehrte Umweltkatastrophen ist. Die meisten dieser Faktoren hängen insbesondere von einer Substanz ab, die für das Leben und Überleben der Menschen, Tier- und Pflanzenwelt eine Notwendigkeit ist: Wasser. Der hydrologische Zyklus ist aber auch die treibende Kraft des Energie- und somit auch Wärmetransports auf der Erde bzw. in der Erdatmosphäre. Die Wechselwirkung zwischen Wasserkreislauf und Klimaveränderung ist daher offensichtlich. Australien ist ein Kontinent mit einer großen Zahl von verschiedenen Klimazonen. Das Land ist in jüngster Vergangenheit von Überflutungen und Dürreperioden zur gleichen Zeit heimgesucht worden. Wie wichtig das Thema Klimawandel und Variationen im hydrologischen Haushalt in diesem Land ist, beweist unter anderem die Tatsache, dass die Ministerin für Klimawandel und Wasser einen nationalen Plan ‚Wasser für die Zukunft’ ausarbeiten ließ. Um nun die Trinkwasserversorgung sowie die Versorgung der Agrarwirtschaft mit Wasser zu gewährleisten, ist das Wissen über die vorhandenen Wasserressourcen unabdingbar. Allerdings sind die üblichen bodenbasierten Beobachtungsmethoden meist lokal beschränkt, während ein effektives Überwachungssystem Informationen über Wasserveränderungen auf regionaler und auch globaler Ebene benötigt. Im Zuge meiner Arbeit, bei der ich einen Großteil der praktischen Ausarbeitung an der Curtin University of Technology, Perth, durchgeführt habe, wird versucht, Veränderungen im Wasserhaushalt auf dem australischen Festland nachzuweisen. Dies passiert jedoch nicht konventionell, z.B. über Niederschlags- und Grundwasserpegelmessungen, sondern durch Untersuchung der zeitlichen Variation des Erdschwerefeldes. Diese werden von der Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) Satellitenmission aufgezeichnet und haben ihre Ursache vor allem in geophysikalischen Prozessen, speziell in Massenveränderungen, hervorgerufen durch Variationen der Hydrosphäre, auf und unter der Erdoberfläche. Da die hydrologischen Signale im Schwerefeld relativ gering und schwer detektierbar sind, werden die Ergebnisse verifiziert, indem Wassermassenvariationen mit Niederschlagsdaten verschiedener Quellen unter Anwendung unterschiedlicher Methoden verglichen werden. Wie sich zeigt, sind Niederschlag und hydrologische Massenveränderung wie angenommen sehr stark korreliert. Die Wassermassenvariationen geben u.a. Aufschluss über Trends, Verweilzeiten des Niederschlags im Grundwasser oder Abflussrichtungen von Wassermassen. GRACE Schwerefeldlösungen können somit durchaus effektiv für das großflächige Monitoring des Hydrologiehaushalts auf und unter der Erdoberfläche genutzt werden. Der Ansatz kann des Weiteren auch auf andere Gebiete, wie etwa das Abschmelzen von großen Eismassen z.B. auf Grönland oder an den Polkappen, angewendet werden. Erkenntnisse aus Schwerefeldvariationen hervorgerufen durch Wassermassenveränderungen können zukünftig auch in globale Klimamodelle einfließen und ein nützliches Werkzeug in der Klimaforschung darstellen.
Kategorie Master-/Diplomarbeiten
2. Preis
Titel
Vergleich von aus GRACE-Beobachtungen abgeleiteten monatlichen Massenänderungen mit Niederschlagsdaten in Australien
Kurzfassung
Die Satellitenmission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) liefert seit 2002 Erdschwerefeldlösungen. Neben der Bestimmung eines statischen Schwerefeldes sind die zeitlichen Schwerefeldänderungen in monatlicher Auflösung von besonderer Bedeutung. Diese können mit geodynamischen Phänomenen, im Speziellen mit hydrodynamischen Prozessen, auf und unter der Erdoberfläche in Zusammenhang gebracht werden. Im Zuge dieser Masterarbeit werden Veränderungen des Erdschwerefeldes, hervorgerufen durch Wassermassenvariationen, berechnet und als Massenänderungen in äquivalenter Wassersäule dargestellt. Die daraus resultierenden Zeitreihen werden mit verschiedenen Methoden untersucht, um ein mögliches Trendverhalten und periodische Signale zu finden. Zum einen werden diese Parameter über ein Multiples Lineares Regressionsverfahren gelöst. Das dafür verwendete Modell und die daraus abgeleiteten Größen werden auf ihre Signifikanz untersucht. Die Studie zeigt, dass eine signifikante Abnahme der Oberflächenmassen im Süd-Osten Australiens, sowie ein dominierender jährlicher Zyklus für den Großteil Australiens mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% festzustellen sind. Zum anderen wird die Methode der Hauptkomponententransformation verwendet, um die Ergebnisse des Regressionsansatzes zu verifizieren. Weiters werden Regenfalldaten vom Australian Bureau of Meteorology (BOM) und der Satellitenmission Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) auf gleiche Weise analysiert. Die Untersuchungen liefern ähnliche Resultate. Der Vergleich zwischen Massenänderungen an der Oberfläche und Niederschlagsdaten zeigt, dass in weiten Teilen Australiens die Veränderungen in der Massenbilanz mit den Regenfalldaten korreliert sind. Allerdings kann eine direkte Beziehung zwischen den Größen nicht immer nachgewiesen werden.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Wirft man einen Blick auf die Medienlandschaft der letzten Jahre, so ist speziell der Klimawandel das dominante Thema, das offensichtlich andauernde Aktualität besitzt. Übermäßiger Ausstoß von Treibhausgasen führt zu einer überdurchschnittlichen Erderwärmung, was wiederum Ursache für das Abschmelzen der Polkappen und Gletscher, fortschreitende Desertifikation und vermehrte Umweltkatastrophen ist. Die meisten dieser Faktoren hängen insbesondere von einer Substanz ab, die für das Leben und Überleben der Menschen, Tier- und Pflanzenwelt eine Notwendigkeit ist: Wasser. Der hydrologische Zyklus ist aber auch die treibende Kraft des Energie- und somit auch Wärmetransports auf der Erde bzw. in der Erdatmosphäre. Die Wechselwirkung zwischen Wasserkreislauf und Klimaveränderung ist daher offensichtlich. Australien ist ein Kontinent mit einer großen Zahl von verschiedenen Klimazonen. Das Land ist in jüngster Vergangenheit von Überflutungen und Dürreperioden zur gleichen Zeit heimgesucht worden. Wie wichtig das Thema Klimawandel und Variationen im hydrologischen Haushalt in diesem Land ist, beweist unter anderem die Tatsache, dass die Ministerin für Klimawandel und Wasser einen nationalen Plan ‚Wasser für die Zukunft’ ausarbeiten ließ. Um nun die Trinkwasserversorgung sowie die Versorgung der Agrarwirtschaft mit Wasser zu gewährleisten, ist das Wissen über die vorhandenen Wasserressourcen unabdingbar. Allerdings sind die üblichen bodenbasierten Beobachtungsmethoden meist lokal beschränkt, während ein effektives Überwachungssystem Informationen über Wasserveränderungen auf regionaler und auch globaler Ebene benötigt. Im Zuge meiner Arbeit, bei der ich einen Großteil der praktischen Ausarbeitung an der Curtin University of Technology, Perth, durchgeführt habe, wird versucht, Veränderungen im Wasserhaushalt auf dem australischen Festland nachzuweisen. Dies passiert jedoch nicht konventionell, z.B. über Niederschlags- und Grundwasserpegelmessungen, sondern durch Untersuchung der zeitlichen Variation des Erdschwerefeldes. Diese werden von der Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) Satellitenmission aufgezeichnet und haben ihre Ursache vor allem in geophysikalischen Prozessen, speziell in Massenveränderungen, hervorgerufen durch Variationen der Hydrosphäre, auf und unter der Erdoberfläche. Da die hydrologischen Signale im Schwerefeld relativ gering und schwer detektierbar sind, werden die Ergebnisse verifiziert, indem Wassermassenvariationen mit Niederschlagsdaten verschiedener Quellen unter Anwendung unterschiedlicher Methoden verglichen werden. Wie sich zeigt, sind Niederschlag und hydrologische Massenveränderung wie angenommen sehr stark korreliert. Die Wassermassenvariationen geben u.a. Aufschluss über Trends, Verweilzeiten des Niederschlags im Grundwasser oder Abflussrichtungen von Wassermassen. GRACE Schwerefeldlösungen können somit durchaus effektiv für das großflächige Monitoring des Hydrologiehaushalts auf und unter der Erdoberfläche genutzt werden. Der Ansatz kann des Weiteren auch auf andere Gebiete, wie etwa das Abschmelzen von großen Eismassen z.B. auf Grönland oder an den Polkappen, angewendet werden. Erkenntnisse aus Schwerefeldvariationen hervorgerufen durch Wassermassenveränderungen können zukünftig auch in globale Klimamodelle einfließen und ein nützliches Werkzeug in der Klimaforschung darstellen.