Mehrphasenchemie in einem sich wandelnden Klima

Über

Ich bin Wissenschaftler und YESP-Mitglied im Fachbereich für Modellierung am Institute of Climate and Energy System - Troposphere (ICE-3). Meine Forschung konzentriert sich auf die Modellierung der Mehrphasenchemie in einem sich wandelnden Klima auf lokaler, regionaler und globaler Ebene. Dazu entwickle und wende ich atmosphärische Chemiemodelle unterschiedlicher Komplexität an, um den Einfluss natürlicher und anthropogener Emissionen auf die Zusammensetzung der Atmosphäre, die Luftqualität und die damit verbundenen gesundheitlichen Auswirkungen für unsere heutige und zukünftige Gesellschaft zu untersuchen. Ich bin Experte für die Modellierung der Auswirkungen extremer Emissionsereignisse, wie besonders starker Waldbrände.

Die anhaltende Klimakrise führt zu erheblichen sozialen und wirtschaftlichen Belastungen. Die größte Unsicherheit in unserem Verständnis des Klimawandels ergibt sich aus der Wechselwirkung zwischen Wolken und Aerosolen. Aerosole können durch natürliche Phänomene und menschliche Aktivitäten direkt in die Atmosphäre gelangen. Ebenso setzen diese Aktivitäten organische Verbindungen frei, die durch chemische Prozesse zur Bildung sogenannter sekundärer organischer Aerosole führen können. In der Atmosphäre können Aerosole Licht streuen und als Wolkenkeime wirken. Dadurch können sie die Eigenschaften von Wolken verändern, beispielsweise die Größe der Wolkentröpfchen, und so die Reflektivität und Lebensdauer der Wolken beeinflussen. Diese Aspekte stören den Strahlungshaushalt der Erde und beeinflussen dadurch ihr Klima. Darüber hinaus birgt die chronische und akute Exposition gegenüber erhöhten Konzentrationen von Aerosolen in der Umgebungsluft erhebliche Gesundheitsrisiken.

Forschungsthemen

• Modellierung der Mehrphasenchemie
• Waldbrände in einem sich wandelnden Klima
• Luftqualität und Richtlinien

Kontakt

Dr. Simon Rosanka

ICE-3

Gebäude 05.2 / Raum 3009

+49 2461/61-2831

E-Mail

Modellierung der Mehrphasenchemie

In die Atmosphäre ausgestoßene chemische Verbindungen enthalten Elemente in relativ niedrigen Oxidationsstufen. Ihre Oxidation ist entscheidend für ihre Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Atmosphäre und kann in der Gas- und Wasserphase stattfinden. Ich bin Experte für dieDarstellung der mehrphasigen chemischen Kinetik in und zwischen mehreren Phasen, was für ein besseres Verständnis von Oxidationsmitteln in der Atmosphäre und Aerosolvorläufern unerlässlich ist.

Zu diesem Zweck habe ich den Jülich Aqueous-phase Mechanism of Organic Chemistry entwickelt. Meine Studie hat erstmals gezeigt, dass die detaillierte Chemie in wässrigen Phasen in globalen Modellanwendungen in Wolkentröpfchen dargestellt werden kann. Anschließend habe ich die Fähigkeiten unseres hauseigenen Atmosphärenchemie-Modells MESSy erweitert, um die Chemie in wässrigen Phasen in deliqueszenten Aerosolen explizit darzustellen. Im Vergleich zu anderen Atmosphärenchemie-Modellen macht diese Funktion unser Modell einzigartig.

Waldbrände in einem sich wandelnden Klima

Waldbrände sind ein zunehmendes Problem im Zusammenhang mit dem Klimawandel und der Luftqualität. Sie sind bekannt für ihre erheblichen Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Atmosphäre. In Regionen mit reichlich vorhandenen Brennstoffen und heißen, trockenen oder windigen Bedingungen können Flurbrände zu hochintensiven Wipfelfeuern und häufigen Brandherden in Windrichtung führen. Neben erheblichen Kohlendioxid- und Aerosolemissionen sind Biomasseverbrennungsereignisse durch erhebliche Nicht-Kohlendioxid-Emissionen gekennzeichnet, die eine Vielzahl von organischen Stoffen umfassen. Diese Emissionen beeinflussen die Chemie der Atmosphäre auf regionaler bis globaler Ebene erheblich.

Meine Forschung konzentriert sich auf die Modellierung der Auswirkungen extremer Waldbrände auf die Zusammensetzung der Atmosphäre und die Luftqualität in der unteren und oberen Troposphäre/unteren Stratosphäre. Konkret habe ich die Auswirkungen der indonesischen Torfmoorbrände von 2015 untersucht. Ich konnte nachweisen, dass diese Oberflächenbrände die regionale Oxidationskapazität erheblich beeinträchtigten und dass kurzlebige Verbindungen aufgrund des anhaltenden asiatischen Monsuns schnell in höhere Lagen transportiert wurden. Derzeit untersuche ich die Auswirkungen der Williams Flats Fires 2019 in Washington, USA.

Luftqualität und Richtlinien

Weltweit stellt die chronische und akute Exposition gegenüber erhöhten Konzentrationen von Feinstaub in der Umgebungsluft einen bedeutenden Risikofaktor für nicht übertragbare Krankheiten und eine erhöhte vorzeitige Sterblichkeit dar. Typische Erkrankungen sind chronische Rhinosinusitis, Atemwegserkrankungen und eine Verschlechterung der Herz-Kreislauf-Gesundheit aufgrund von oxidativem Stress und systemischen Entzündungen. In meiner Forschung konzentriere ich mich auf die Modellierung der Luftqualität und deren Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. In einer kürzlich im Nature Partner Journal Clean Air veröffentlichten Studie untersuche ich mit einer Kollegin den großen Erfolg des US-amerikanischen Clean Air Act, der 1970 von den USA zur Verringerung der Luftverschmutzung verabschiedet wurde. Wir haben festgestellt, dass durch seine Umsetzung jährlich etwa 300.000 vorzeitige Todesfälle im Zusammenhang mit Luftverschmutzung verhindert werden. Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass die Einhaltung des Pariser Abkommens von 2016 die Zahl der vorzeitigen Todesfälle im Zusammenhang mit Luftverschmutzung um ein Drittel reduzieren würde. Ein Interview zu dieser Studie finden Sie hier.

Atmosphärische Chemie-Modelle, die ich entwickle und anwende

Modular Earth System (MESSy)

Das Modular Earth System (MESSy) ist ein numerisches Chemie- und Klimasimulationssystem, das Teilmodelle umfasst, die Prozesse in der Troposphäre und der mittleren Atmosphäre sowie deren Wechselwirkungen mit Ozeanen, Land und menschlichen Einflüssen beschreiben. Ich verwende MESSy, um chemische Prozesse in der Gasphase und in der wässrigen Phase (Wolken und deliqueszente Aerosole) auf globaler Ebene zu untersuchen. Seit 2023 bin ich Mitglied der MESSy Consortium Steering Group.

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Community Multiscale Air Quality Model (CMAQ)

Das Community Multiscale Air Quality Model (CMAQ) ist ein chemisches Transportmodell, das hauptsächlich von der US-Umweltschutzbehörde entwickelt wurde, um die Luftverschmutzung von lokaler bis hin zu hemisphärischer Ebene zu untersuchen. Ich verwende CMAQ, um den Einfluss von Mehrphasenprozessen auf regionaler Ebene sowie Fragen der Luftqualität und damit verbundene gesundheitliche Auswirkungen zu untersuchen.

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Weather Research & Forecasting Model (WRF)

Das Weather Research & Forecasting Model (WRF) ist ein mesoskaliges numerisches Wettervorhersagesystem, das sowohl für die atmosphärische Forschung als auch für operative Vorhersageanwendungen entwickelt wurde. Ich kombiniere die Funktionen des WRF zur Ausbreitung von Waldbränden und zur Mehrphasenchemie, um die Auswirkungen extremer Waldbrände auf lokaler Ebene mit einer Gitterauflösung von bis zu 100 m (Large Eddy Simulation) zu untersuchen.

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Das Modular Earth System (MESSy) ist ein numerisches Chemie- und Klimasimulationssystem, das Teilmodelle umfasst, die Prozesse in der Troposphäre und der mittleren Atmosphäre sowie deren Wechselwirkungen mit Ozeanen, Land und menschlichen Einflüssen beschreiben. Ich verwende MESSy, um chemische Prozesse in der Gasphase und in der wässrigen Phase (Wolken und deliqueszente Aerosole) auf globaler Ebene zu untersuchen. Seit 2023 bin ich Mitglied der MESSy Consortium Steering Group.

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