Und sie erwärmt sich doch! – Anmerkungen zur Klimaforschung: Von den ersten Schritten bis zum Nobelpreis für Physik

<p>Systematische wissenschaftliche Untersuchungen über das Klima der Erde begannen am Anfang des 19. Jahrhunderts. Der erste, der in den 1820er Jahren die These aufstellte, dass die Atmosphäre wie eine Decke wirkt und die Erdoberfläche wärmer hält, als sie sein sollte, war Joseph Fourier. Er beschrieb, was wir heute als Treibhauseffekt bezeichnen. Eine experimentelle Untersuchung der Strahlungsabsorption von CO<sub>2</sub> wurde erstmals von Eunice Foote im Jahr 1856 durchgeführt. Drei Jahre später zeigte John Tyndall die Absorption infraroter Strahlung durch CO<sub>2</sub> und Wasserdampf. 1896 berechnete Svante Arrhenius die Auswirkung einer Verdoppelung des CO<sub>2</sub> auf die Lufttemperatur an der Oberfläche auf 5-6°C. In seinen Berechnungen von 1931 reduzierte Hurlburt diesen Anstieg auf 4 °C.</p> <p>Das erste umfassende Strahlungs-Konvektions-Modell für die Atmosphäre wurde 1967 von Manabe und Wetherald vorgestellt. Sie zeigten, dass eine Erhöhung des CO<sub>2</sub>-Gehalts in der Atmosphäre zu einer Erwärmung in der Troposphäre und einer Abkühlung in der Stratosphäre führt, wie die Beobachtungen zeigen. Manabe war die treibende Kraft bei der Entwicklung umfassender Modelle des Klimas und der Erdsysteme in den kommenden Jahrzehnten. Für seine Beiträge zum Verständnis des Klimasystems, insbesondere der Rolle von CO<sub>2</sub>, wurde er 2021 mit einem Viertel des Nobelpreises für Physik ausgezeichnet.</p> <p>Lange Zeit war nicht klar, wie man das Signal des steigenden atmosphärischen CO<sub>2</sub> in den Temperaturaufzeichnungen in den verrauschten Daten von Wetter- und Klimaschwankungen finden kann. Im Jahr 1976 schlug Hasselmann vor, dass Änderungen der langsamen Klimavariablen durch das weiße Rauschen des atmosphärischen Wetters verursacht werden. In den 1990er Jahren entwickelte er auch Methoden, um die "Fingerabdrücke" menschlicher Einflüsse auf die Klimavariabilität zu finden. Diese Methoden wurden intensiv auf die jüngsten Klimaintegrationen angewandt, die verschiedene Zukünfte des Klimas der Erde beschreiben. Auf der Grundlage dieser Anwendungen können wir nun feststellen, dass sich die Erde erwärmt - und wir daran schuld sind. Für seine Beiträge zum Verständnis der stochastischen Natur des Klimasystems und des menschlichen Fingerabdrucks auf die Klimaerwärmung wurde Klaus Hasselmann ein Viertel des Nobelpreises für Physik 2021 verliehen.</p>

Experimentelle Untersuchung von Staubteufeln in einem Laborexperiment

<p>Durch bodennahe Erwärmung der Luft bei starker Sonneneinstrahlung können sich aufsteigende Luftwirbel mit vertikaler Rotationsachse bilden, sogenannte Staubteufel. Die Struktur eines solchen Staubteufels wird dominiert von einem horizontalen Zufluss nahe der Erdoberfläche und einer vertikalen Aufwärtsströmung des Wirbels. Da die Staubteufel auf trockenem Untergrund entstehen, ist der im Zustrom mitgetragene Staub ursächlich für ihr Erscheinungsbild. Die Mechanismen ihrer Entstehung sowie ihre charakteristischen Eigenschaften sind bis heute kaum im Detail erforscht, da experimentelle Untersuchungen auf in-situ Messungen in der Atmosphäre beschränkt sind. Aufgrund der Nichtvorhersagbarkeit solch seltener Ereignisse sind Felduntersuchungen nur schwer möglich.</p> <p>Mithilfe von Laborexperimenten können Staubteufel jedoch gezielt erzeugt und ihre Entstehungsmechanismen untersucht werden. Hierfür wird die Versuchsanlage „Ilmenauer Fass“ verwendet, die im Wesentlichen aus einem luftgefüllten, zylindrischen Tank mit einem Innendurchmesser von 7,15 m und einer Höhe von 8 m besteht. Am Boden des Behälters befindet sich eine Heizplatte, deren Temperatur zwischen 20°C und 80°C variiert werden kann. Eine zweite freischwebende Kühlplatte kann in einer beliebigen Höhe zwischen 0,2 m und 6,3 m positioniert und in einem Temperaturbereich von 10°C bis 30°C geregelt werden. Die Seitenwand des Zylinders ist adiabatisch. Mithilfe dieses Rayleigh-Bénard-Experiments lassen sich die Randbedingungen in einer konvektiven, atmosphärischen Grenzschicht gut nachbilden und die Entstehung von Wirbelstrukturen unter kontrollierten Bedingungen detailliert untersuchen. Hierfür wurde das optische Messverfahren Particle Tracking Velocimetry (PTV) genutzt, mit dem das dreidimensionale Strömungsfeld innerhalb und außerhalb solcher Wirbel erfasst werden kann. Dabei werden der Strömung dichteneutrale Seifenblasen zugeführt und mit vier Kameras aus unterschiedlichen Positionen zeitaufgelöst detektiert. Über Triangulation werden die 3D-Trajektorien der einzelnen Partikel im Raum berechnet.</p> <p>Während bei der letzten Tagung noch das Messverfahren vorgestellt wurde, können nun die ersten Ergebnisse präsentiert werden. In Messreihen über mehr als insgesamt 20 Stunden wurden große Datenmengen gesammelt und vertikale Wirbelstrukturen identifiziert. Wie in numerischen Simulationen gezeigt werden konnte, nimmt die Häufigkeit solcher Strukturen mit zunehmender Größe stark ab. Deshalb wurde alternativ in der Mitte der Bodenplatte eine Heizmatte installiert, mit der eine lokale Temperaturüberhöhung bis 10 K über der Temperatur der Heizplatte realisiert werden kann. Mit dieser Modifikation des Laborexperiments kann nun auch die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Staubteufeln erhöht werden.</p>

Experimentelle Untersuchung von Einflussgrößen auf das Rasselgeräuschverhalten von Stirnrädern

ZusammenfassungDie Reduzierung von Störgeräuschen spielt eine wesentliche Rolle im Entwicklungsprozess eines Automobils. Neben dem tonalen Getriebeheulen ist das impulsartige Rasselgeräusch in der Fahrerkabine relevant. Das Getrieberasseln entsteht durch eine Drehungleichförmigkeit im Triebstrang, die durch den ungleichförmigen Verbrennungsprozess des Verbrennungsmotors aufgeprägt wird. Die Zahnflanken heben bei Überschreitung einer bestimmten Winkelbeschleunigungsamplitude voneinander ab und bewegen sich innerhalb ihres Verdrehflankenspiels, sodass Schwingungsstöße entstehen. In diesem Bericht wird die experimentelle Untersuchung der Einflüsse Anregungsfrequenz, Schleppmoment und Schmierstoff auf das Rasselgeräuschverhalten von Stirnrädern vorgestellt. Die Rasselgrenze ist durch einen signifikanten Anstieg im Körperschall- und Drehbeschleunigungspegel sowie durch Impulse im Zeitverlauf des Körperschalls und der Drehbeschleunigung zu erkennen. Die Anregungsfrequenz der Drehzahlschwankung beeinflusst die Anzahl an Verdrehflankenstößen pro Umdrehung und führt tendenziell bei einer Zunahme zu einer verringerten Rasselgrenze. Nach Überschreiten der Rasselgrenze erfolgt eine Annäherung der Körperschallpegel von aufgeprägten Drehzahlschwankungen unterschiedlicher Anregungsfrequenzen und ab einer bestimmten Drehzahlschwankungsamplitude sind die Körperschallpegel miteinander vergleichbar. Bei steigendem Schleppmoment nimmt die Drehzahlschwankungsamplitude tendenziell zu, bei welcher die Prüfverzahnung anfängt zu rasseln. Die Rasselgrenze wird durch das Schleppmoment beeinflusst – nach dem Überschreiten der Rasselgrenze weichen jedoch weder die Körperschallpegel noch die Drehbeschleunigungspegel bei unterschiedlich wirkenden Schleppmomenten signifikant voneinander ab. Der Schmierstoff zeigt bei den gewählten Versuchsparametern den höchsten Einfluss auf das Rasselgeräuschverhalten der Prüfverzahnung beim Vergleich der Schmierstoffe SAE 0W-16 und SAE 85W-90. Die Körperschallverläufe weisen im Zeitbereich bei Betrachtung der Abklingkurven bei konstanter Drehzahlschwankungsamplitude auf eine höhere Dämpfung des Schmierstoffs SAE 85W-90 mit höherer Schmierstoffviskosität hin. Der Dämpfungseffekt des Öls nimmt mit zunehmender Anregungsfrequenz bei konstanter Drehzahlschwankungsamplitude ab.