Skip to main content
main-content

25.02.2013 | Umwelt | Interview | Onlineartikel

Modellierung von Extremereignissen

Autor:
Günter Knackfuß

Stürme, Überschwemmungen, Erdbeben, Tsunamis oder technisches Versagen haben meist verheerende Folgen für Mensch und Natur. Wann, wo und in welchem Ausmaß solche Extremereignisse auftreten, lässt sich jedoch nur schwer prognostizieren. Dieser Herausforderung widmen sich seit rund einem Jahrzehnt sowohl Mathematiker, Geowissenschaftler und Physiker als auch Informatiker. Sie versuchen, mithilfe von mathematischen Modellen Extremereignisse am Computer nachzubilden und vorherzusagen. Prof. Dr. Jörn Behrens, Universität Hamburg, KlimaCampus, erklärt was sich hinter dem vielschichtigen und interdisziplinären Forschungsfeld verbirgt.

Was verbirgt sich hinter dem Forschungsfeld "Modellierung von Extremereignissen"?

Die Projekte, die dieses Forschungsfeld auf dem Symposium der VW-Stiftung vom 13. bis 15. Februar 2013 in Hannover vertreten haben, stellen diverse Aspekte sowohl der Modellierungsmethoden als auch der untersuchten Extremereignisse dar. So wird mit stochastischen Modellen das Auftreten von extremen Niederschlägen erklärt, mittels Laborexperimenten und Vergleichen mit mathematischen Modellen die Selbstentzündung von Lithium-Batterien studiert oder mit Hilfe gekoppelter deterministischer Computersimulationen die Ausprägung von extremen Tsunami-Ereignissen untersucht. Allen diesen Forschungsprojekten gemeinsam ist die Anwendung von mathematischen Modellen als Erklärungshilfe für extrem seltene Ereignisse mit extremen Auswirkungen.

Wer kann mit den Ergebnissen etwas anfangen und für welche Zwecke?

Der Nutzen dieser Forschungsprojekte ist so vielfältig wie die Projekte selbst. Nehmen wir z.B. das Erdbeben und den anschließenden Tsunami, der vor zwei Jahren in Japan verheerende Schäden angerichtet und sogar zur Atomkatastrophe von Fukushima geführt hat. Hier waren Fachleute überrascht vom Ausmaß des Erdbebens und der Wellenhöhe. Heute verstehen wir schon besser, welche Bruchmechanismen in der Erdkruste zu sehr großen Wellen führen. Das erlaubt uns genauere Projektionen, die wiederum der Gefahrenabschätzung, der Vorbereitung auf und dem Schutz vor solchen Ereignissen dienen.

Wie präzise können Vorhersagen über Katastrophen wie Erdbeben oder Tsunamis auf Grundlage der Computermodelle gemacht werden?

Die Vorhersage von Erdbeben wird auch in absehbarer Zeit nicht möglich sein. Allerdings erlauben uns die neuen Modelle eine deutlich verbesserte Abschätzung des potentiellen Verhaltens. Denn jetzt können mehr relevante Prozesse in der Simulation berücksichtigt werden, beispielsweise die Bruchmechanik in der Erdkruste, die Wellenausbreitung in der Wassersäule und die Auflaufprozesse an Land. Doch kommt es nicht nur darauf an, das einzelne Ereignis genau zu berechnen, sondern auch die Eintrittshäufigkeit abzuschätzen. Auch hier ist die Modellierung hilfreich, da sie uns eine Art virtuelles Labor zur Verfügung stellt, mit dem wir viele solcher Extremereignisse im Modell erzeugen können.

Der KlimaCampus in Hamburg kooperiert mit zahlreichen internationalen Partnern. Welche sind das?

Am KlimaCampus haben wir eine große Zahl an Disziplinen und Institutionen versammelt und die Kooperationspartner reichen geographisch von Australien über China bis nach Hawaii. Natürlich bestehen häufig enge Kooperationen zu unseren Nachbarländern und in die USA. Meine eigene Arbeitsgruppe arbeitet mit Partnern in Deutschland (Alfred-Wegener-Institut, Geoforschungszentrum Potsdam, TU München, Universität Bremen, LMU München, FU Berlin, Universität Mainz), in den USA (National Center for Atmospheric Research in Boulder/CO, Naval Postgraduate School in Monterey/CA, University of Michigan in Ann Arbor/MI), England (University of Cambridge), Frankreich (Ecole Polytechnique Paris) und anderen zusammen. Wissenschaft ist heute in den meisten Teilen sehr spezialisiert. Gleichzeitig sind die Fragestellungen sehr komplex. Daher sind die Erkenntnisse die wir gewinnen in den meisten Fällen nur durch intensiven Austausch und Beiträger verschiedener Wissenschaftler möglich. Das macht unsere Arbeit zu einem wirklich globalen Unterfangen.

Welche neuen Erkenntnisse haben die ausländischen Wissenschaftler vorgestellt?

Wir hatten beispielsweise einen Kollegen aus Indien (Ravindra Amritkar, Physical Research Laboratory, Ahmedabad), der die Simulation von Extremereignissen mit neuartigen Netzwerk-Techniken beschreibt. Damit kann man beispielsweise so unterschiedliche Ereignisse wie Verkehrsstaus, Ausfall von Stromnetzen oder Suchanfragen auf Internet-Suchmaschinen beschreiben. Viel wichtiger noch als diese Anwendungen aber ist es, dass wir diese Methoden als virtuelle Labore verwenden, um die Struktur von sogenannten kaskadierenden Extremereignissen zu studieren. Denken Sie beispielsweise an das Erdbeben und den Tsunami in Japan im März 2011. Da führte ein Erdbeben zu einem Tsunami, der wiederum für die Zerstörung von Notstromaggregaten in einem Atomkraftwerk verantwortlich war mit den daraus resultierenden bekannten Folgen. Eine Kaskade von Extremereignissen, die sich jeweils bedingten, aber nicht unausweichlich gewesen wären, hätte man die Abhängigkeiten in diesem Netzwerk vorher berücksichtigt und entsprechende Abwehrmaßnahmen vorgesehen.

Gibt es Projekte, die bereits in der Praxis nutzbar sind?

Die meisten Projekte sind jetzt in einer Phase, in der die methodischen Grundlagen gelegt sind und nun validiert, das heißt mit realen Daten verglichen werden. Erst danach kann es zur Nutzung dieser Methoden kommen. Daher kann ich Ihnen noch keine Beispiele von direkter Nutzung nennen. Aber wir haben für die Posterpräsentation eines Doktoranden (Roman Schefzik, Universität Heidelberg) einen Preis vergeben, weil diese Arbeit schon mit realen Daten ausgeführt wurde. Herr Schefzik ist Partner in einem Projekt der Universitäten Bonn, Göttingen, Heidelberg und Mannheim, in dem neuartige statistische Verfahren für die Verbesserung der Wettervorhersage von extremen Wetterlagen eingesetzt werden. Die Leistung von Herrn Schefzik besteht nun darin, in die Statistischen Verfahren die Kenntnis über die Physik des Systems so zu integrieren, dass am Ende eine physikalisch konsistente aber auf statistischen Wahrscheinlichkeiten basierte Vorhersage steht. Auch in anderen Projekten sind praktische Nutzungen der Ergebnisse abzusehen, wenn Sie beispielsweise an die Simulation von Erdbeben- und Tsunami-Ereignissen denken, die dann für Planungen verwendet werden können.

Welche Hürden gibt es bei der Modellierung von Extremereignissen?

Die Schwierigkeiten sind immer noch vielfältig. Die statistischen Methoden für extreme Ereignisse sind noch immer nicht so weit entwickelt, dass sie für alle Fälle zuverlässig arbeiten. Für die deterministische Modellierung fehlen uns häufig noch ganz grundlegende Kenntnisse: Viele der Prozess-Wechselwirkungen, beispielsweise der Bruchmechanik und der Wellenanregung bei Tsunamibeben, sind noch nicht verstanden und können auch noch nicht mathematisch in die Modellbildung integriert werden. Darüber hinaus fehlen häufig Daten von Extremereignissen, da sie extrem selten auftreten.

Wir bedanken uns für das Interview.

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

BranchenIndex Online

Die B2B-Firmensuche für Industrie und Wirtschaft: Kostenfrei in Firmenprofilen nach Lieferanten, Herstellern, Dienstleistern und Händlern recherchieren.

Whitepaper

- ANZEIGE -

Systemische Notwendigkeit zur Weiterentwicklung von Hybridnetzen

Die Entwicklung des mitteleuropäischen Energiesystems und insbesondere die Weiterentwicklung der Energieinfrastruktur sind konfrontiert mit einer stetig steigenden Diversität an Herausforderungen, aber auch mit einer zunehmenden Komplexität in den Lösungsoptionen. Vor diesem Hintergrund steht die Weiterentwicklung von Hybridnetzen symbolisch für das ganze sich in einer Umbruchsphase befindliche Energiesystem: denn der Notwendigkeit einer Schaffung und Bildung der Hybridnetze aus systemischer und volkswirtschaftlicher Perspektive steht sozusagen eine Komplexitätsfalle gegenüber, mit der die Branche in der Vergangenheit in dieser Intensität nicht konfrontiert war. Jetzt gratis downloaden!

Bildnachweise