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Netzwerke im Klimasystem: Forschungslücke geschlossen

24.2.2014 - Im Klimasystem der Erde gibt es Netzwerke: Veränderungen an einem Punkt können Veränderungen an einem anderen und weit entfernten Punkt auslösen – ein El Niño in Südamerika kann Störungen des asiatischen Monsuns bedeuten. Bislang ließen sich diese Zusammenhänge rein statistisch dingfest machen, durch den Vergleich von Beobachtungsdaten und Zeitreihen. Jetzt zeigt erstmals eine Studie die physikalischen Mechanismen hinter der Statistik. Es geht um Strömungen, so die in der Fachzeitschrift Scientific Reports, einem neuen open access-Journal der renommierten Nature-Gruppe, veröffentlichte Arbeit von Forschern des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung.
Netzwerke im Klimasystem: Forschungslücke geschlossen

Netzwerke im Klimasystem über dem Pazifik. Grafik: Molkenthin et al (2014)

„Man kann sich das vorstellen wie bei einem Eimer Wasser, in dem nichts passiert, bis an einer Stelle zum Beispiel Wärme ins Wasser kommt“, sagt Nora Molkenthin, Leit-Autorin der Studie. „Die Wärme breitet sich mit der Zeit aus, an ihrem Ursprungsort nimmt sie ab; wie stark und wie schnell, das hängt von Strömungen ab.“ Die Wissenschaftler haben also Änderungen von Größen über Zeit und Raum betrachtet. Dies taten sie zunächst modellhaft in einem einfachen physikalischen System, und haben dies dann in eine Formel gefasst, die man mit fast beliebigen Daten füllen kann. „Ich war selbst überrascht, dass das bislang noch niemand in dieser Art und Weise getan hatte“, erklärt Molkenthin.

Anwenden lässt sich dies etwa auf Ozeanströmungen. Ein Vergleich der Ergebnisse der Formel mit Beobachtungsdaten bestätigt die neue Methode. Weil in der Natur aber eine ungeheure Zahl von Faktoren Einfluss haben, bedeutet die Anwendung der jetzt vorgelegten Forschungsergebnisse nochmal eine zusätzliche Schicht von Komplexität. In der Wirklichkeit ist der Wassereimer sehr groß, und es passiert sehr vieles gleichzeitig. Daher bedeute die Anwendung des neuen Ansatzes noch sehr viel Aufwand, so die Forscher.

Der Forschungsansatz mit komplexen Netzwerken sei anfangs vielfach auf Skepsis gestoßen, erklärt Jürgen Kurths, Leiter des PIK-Forschungbereichs Transdisziplinäre Methoden und Konzept und Ko-Autor der Studie – er ist einer der Pioniere der Erforschung komplexer nicht-linearer Systeme. „Es ist ein junges Gebiet, das unsere Gruppe maßgeblich mit entwickelt hat.“ Mit Arbeiten etwa zum Monsun habe dieser Ansatz aber inzwischen Anerkennung gefunden. „Die neue Studie zeigt nun die Verbindung zwischen den Knotenpunkten in den Netzwerken und den Strömungssystemen auf – damit ist sie der letzte, bislang fehlende konzeptionelle Baustein in diesem Geistesgebäude.“

 

Artikel: Molkenthin, N., Rehfeld, K., Marwan, N., Kurths, J. (2014): Networks from Flows - From Dynamics to Topology. Scientific Reports 4, 4119 [doi: 10.1038/srep04119]

Weblink zum Artikel: http://www.nature.com/srep/2014/140218/srep04119/full/srep04119.html

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