Ozon, Luftchemie, Erdsystemforschung, Umweltmodellierung - Forscherportrait Guy Brasseur

Das kürzlich erschienene Buch „The Ozone Layer, From Discovery to Recovery“ ist eine spannende Lektüre von der Entdeckung des Ozons im 19. Jahrhundert bis zu den internationalen Vereinbarungen des späten 20. Jahrhunderts zum Schutz der Menschheit vor der Zerstörung des Ozons in der Stratosphäre. Der Autor zeichnet die Entwicklung der wissenschaftlichen Erkenntnisse zu Fragen der Luftqualität und der Chemie und Dynamik der Stratosphäre nach (Brasseur, 2020a). Das Buch liest sich leicht und verständlich wie ein Wissenschaftsgeschichtsroman. Autor ist unser ehemaliger Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), der bekannte belgische Wissenschaftler Guy Brasseur, ein ausgewiesener Experte in der Ozonforschung und der Entwicklung von Luftchemiemodellen. Wie kam es zu seinem Interesse am Ozon und seiner Leidenschaft fürs Bücherschreiben? 

 

Schule und Studium in Belgien
Guy Brasseurs Interesse an der Atmosphärenwissenschaft und seine Leidenschaft, Erkenntnisse und Zusammenhänge in Büchern niederzuschreiben, begann bereits in der Schule, wo er sich sehr für Meteorologie interessierte und eine Wetterstation betrieb, die seine Schule angeschafft hatte. Damit sollte im Rahmen des Physikunterrichts das Durchführen von Messungen gelehrt und gelernt werden. Schon im Alter von 15 Jahren schrieb Guy Brasseur ein erstes Buch über seine Erkenntnisse zur Meteorologie, welches aber zunächst nicht veröffentlicht wurde. Während seines Studiums der Angewandten Physik und Telekommunikation an der Freien Universität Brüssel, reichte er dieses Buch auf Anraten seines Mentors bei einem Wettbewerb ein und gewann damit 1973 den Scientific Prize for Young Scientists, der von der Pharmafirma Glaxo ausgelobt worden war und ihm im Beisein des belgischen Forschungsministers überreicht wurde. Damit war bereits sein erstes Buch erfolgreich, und es sollten noch einige weitere folgen.

In Brüssel konnte Guy Brasseur zwar Meteorologie nicht als Fachgebiet studieren, aber er wollte zumindest die Abschlussarbeit seines Physikstudiums über ein Thema schreiben, welches mit der Atmosphäre zu tun hat. Bei Prof. Marcel Nicolet, der auch Direktor des Belgian Institute for Space Aeronomy war, schrieb er schließlich eine Arbeit über die Venusatmosphäre. Nach seinem Abschluss hat ihn Prof. Nicolet animiert, auch eine Doktorarbeit zu verfassen, obwohl Guy Brasseur dies zunächst nicht vorhatte. Im Rahmen seiner Doktorarbeit wandte er sich der Luftchemie und Erforschung der Ozonschicht zu, einem damals stark diskutierten Themenfeld in der wissenschaftlichen Gemeinschaft.

 

Ein neues Forschungsfeld entwickelt sich
Denn am Anfang der 1970er Jahre stellte sich die wissenschaftliche Gemeinschaft die Frage, ob die Emissionen einer Flotte von Überschallflugzeugen, die in den nächsten Jahren in Betrieb genommen werden sollten, die Ozonschicht zerstören, die die Biosphäre der Erde vor der schädlichen Wirkung der ultravioletten Strahlung der Sonne schützt. Bereits in den 1960er Jahren wurde darauf hingewiesen, dass der von den Triebwerken dieser Überschallflugzeuge emittierte Wasserdampf die Ozonschicht verändern und damit das Auftreten von Hautkrebs beim Menschen erhöhen würde. Harold Johnston zeigte 1971, dass die Gefahr weniger vom Wasserdampf als von den Stickoxiden ausging, und dass der projizierte Anstieg der stratosphärischen Stickoxide den Ozonschild um etwa einen Faktor 2 reduzieren könnte. Ein Jahr zuvor hatte Paul Crutzen gezeigt, dass der wichtigste natürliche Prozess, der für die Zerstörung von Ozon in der Stratosphäre verantwortlich ist, ein katalytischer Zyklus ist, an dem Stickoxide beteiligt sind, wenn diese auch nur in sehr geringer Menge in dieser Schicht der Atmosphäre vorhanden sind. Zu diesem Zeitpunkt waren Stickoxide noch nie in der Stratosphäre nachgewiesen worden. Das grundlegende Verständnis der photochemischen Prozesse in der Stratosphäre war damals noch sehr begrenzt. Ein neues Forschungsgebiet eröffnete sich hier (Brasseur, 2020b). Guy Brasseur wollte daher seine Dissertation über ein Thema auf diesem Gebiet schreiben. Er kontaktierte Marcel Nicolet, der ihm vorschlug, ein mathematisches Modell zu entwickeln und anzuwenden, um die Auswirkungen einer hypothetischen Flotte von Überschallflugzeugen auf das stratosphärische Ozon abzuschätzen.

Nach seiner Promotion erhielt Guy Brasseur eine Anstellung am Belgian Institute for Space Aeronomy. Neben seinen wissenschaftlichen Interessen war Guy Brasseur zeitweilig auch in der belgischen Politik engagiert. Bereits als Student saß er im Stadtrat von Uccle, einer Gemeinde im südlichen Brüssel, wo er auch lebte. Zwischen 1977 und 1981 war er gewähltes Mitglied der belgischen Abgeordnetenkammer und Delegierter in den parlamentarischen Versammlungen des Europarats in Straßburg und der Westeuropäischen Union in Paris. Die Forschung ruhte offiziell, da er für seine politischen Aktivitäten freigestellt war, aber er betreute weiterhin seine Doktoranden; manchmal wurden in weniger spannenden Parlamentssitzungen Arbeiten korrigiert.

 

MPI für Chemie und NCAR: Ozon- und Erdsystemforschung
Die Zeit in der Politik ging durch Neuwahlen zu Ende, und zurück in der Wissenschaft kam der Wunsch auf, für ein Jahr in die USA zu gehen. Zuvor jedoch verbrachte Guy Brasseur im Jahr 1984 fünf Monate am Max-Planck-Institut für Chemie (MPI-C), wo er mit Prof. Paul Crutzen arbeitete, dessen Forschung ihm bereits zu Zeiten seiner Promotion begegnet war. Paul Crutzen erhielt 1995 den Nobelpreis für Chemie gemeinsam mit Mario J. Molina und F. Sherwood Rowland für die Erklärung, wie Stickoxide die Ozonschicht zerstören und durch welche chemischen Prozesse das Ozonloch entsteht. Prof. Crutzen verstarb kürzlich am 21. Januar 2021. Guy Brasseur: „Paul Crutzen war ein außergewöhnlicher Mensch. Er brachte ständig neue Konzepte ein, die zur Quelle neuer Forschungsentwicklungen wurden und einen großen Einfluss auf die Forschungsagenda und die internationale Ozon- und Klimapolitik hatten.“

An diesen Aufenthalt in Mainz schloss sich ein Jahr als Gast am National Center for Atmopheric Research (NCAR) in Boulder, Colorado, USA an. Ein Stellenangebot des NCAR nahm Guy Brasseur zunächst nicht an, da er seine feste Position in Belgien nicht aufgeben wollte. Nach seiner Rückkehr nach Belgien und etwas Bedenkzeit ließ er sich dann aber doch für zwei weitere Jahre beurlauben, um am NCAR zu arbeiten und blieb dann dort. Zwei Jahre später, 1990, wurde Guy Brasseur am NCAR Direktor der Abteilung für Atmosphärenchemie. Zu dieser Zeit war die wissenschaftliche Gemeinschaft aktiv an dem Problem des troposphärischen Ozons interessiert. Messungen in verschiedenen Regionen der Welt hatten einen signifikanten Anstieg der Ozonkonzentration aufgezeigt, nicht nur an der Oberfläche in städtischen Gebieten wie in Los Angeles während des Sommers, sondern auch in der hohen freien Atmosphäre. Da das Vorhandensein von Ozon, einem starken die Atemwege reizenden Oxidationsmittel, die Häufigkeit von Asthmaanfällen erhöhen und chronische Lungenobstruktionen verursachen kann, war es wichtig, die chemischen Prozesse zu verstehen, die zu seiner photochemischen Bildung und Zerstörung führen. Troposphärisches Ozon wurde daher zu einem wichtigen Forschungsthema für die NCAR-Abteilung, und die Erforschung des Globalen Wandels bekam in dieser Abteilung eine hohe Priorität (Brasseur, 2020b).

Insbesondere die Frage der globalen Luftverschmutzung wurde als wesentlich erkannt und die USA, hier die National Science Foundation (NSF), setzten ein umfangreiches Forschungsprogramm unter dem Namen „Global Tropospheric Chemistry Program (GTCP)“ auf. Eine internationale Erweiterung, das "International Global Atmospheric Chemistry (IGAC) Project", wurde gegründet und mit dem "International Geosphere-Biosphere Program (IGBP)" verbunden. Guy Brasseur hatte zwischen 2002 und 2005 den Vorsitz im Steering Committee des IGBP und arbeitete eng mit dem IGBP-Direktor Will Steffen zusammen. Gemeinsam förderten sie das Konzept der „Erdsystemforschung“ und die damit verbundene Notwendigkeit, globale und regionale Klimamodelle integrativer zu machen, und gekoppelte chemische und biologische Prozesse sowie deren Wechselwirkungen mit den Aktivitäten des Menschen einzubeziehen. In dieser Zeit am NCAR entwickelte Guy Brasseur mit Kolleg*innen und Softwareingenieuren ein globales chemisches Transportmodell, das sich auf das Problem des troposphärischen Ozons konzentrierte (Brasseur et al., 1998). Dieses Modell MOZART (Model for Ozone and Related Tracers) wurde bald von mehreren Gruppen auf der ganzen Welt übernommen (Brasseur, 2020b).

 

Direktor am MPI-M: Grundsteinlegung für ICON
Nach etwas mehr als 10 Jahren am NCAR interessierte sich Guy Brasseur für neue Aufgaben. Es gab mehrere Angebote aus aller Welt; am Ende siegte die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) mit ihrem Ruf, Guy Brasseur als Direktor an das MPI-M nach Hamburg zu holen. Anfang der 2000er Jahre hatte die wissenschaftliche Gemeinschaft die Bedeutung der komplexen nichtlinearen Wechselwirkungen und Rückkopplungen in der multi-skaligen Entwicklung des Klimasystems erkannt. Daher widmete er sich am MPI-M der Aufgabe traditionelle Klimamodelle zu umfassenderen Erdsystemmodellen zu erweitern, indem das biogeochemische System mit dem physikalischen Klimasystem gekoppelt wird, und dabei insbesondere die Atmosphärenchemie und im Ozean biogeochemische Prozesse berücksichtigt werden (Brasseur, 2020b).

 

 

Unter der Leitung von Guy Brasseur gab es neben einigen Umstrukturierungen am MPI-M und der Einführung des Konzeptes der Erdsystemforschung und der Erdsystemmodellierung auch erste Ideen für ein ganz neues Erdsystemmodell: ICON (Icosahedral Non-Hydrostatic). Der dynamische Kern des hochentwickelten MPI-Erdsystemmodells ECHAM-MPIOM erschien veraltet, und es sollte zunächst geprüft werden, ob es sinnvoll sein könnte, ein neuartiges Modell mit einem neuen dynamischen Kern zu entwickeln. Eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern war damit beauftragt dies abzuschätzen. Es zeigte sich bald, dass die Entwicklung neuer Atmosphären- und Ozeanmodelle mit dynamischen Kernen und der Fähigkeit, mit extrem hoher räumlicher Auflösung in verschiedene Regionen der Welt zu zoomen, neue Möglichkeiten bieten würde: die Behandlung globaler und regionaler Klimaveränderungen in einem einzigen mathematischen Rahmen, die Beantwortung multi-skaliger dynamischer Fragen und die Verbesserung der Wettervorhersage. Da Guy Brasseur Anfang 2006 das MPI-M wieder verließ, erlebte er die positive Entwicklung des neuen ICON-Modells nur aus der Ferne. ICON ist heute ein Vorreiter in der modernen Erdsystemmodellentwicklung und wird zum Beispiel von der amerikanischen NSF als sehr innovativ gepriesen.

 

Climate Service Center Hamburg: Klimadienstleistungen für Entscheidungsträger*innen
Guy Brasseurs Weg führte ihn im Januar 2006 zurück an das NCAR als Associate Director und Leiter des „Earth and Sun Systems Laboratory“, wo er bis Juli 2009 blieb. Seine bereits während seiner Zeit am MPI-M entstandene Idee, einen sogenannten Erdsystemservice zu entwickeln, setzte er nach seiner Rückkehr aus den USA als Gründungsdirektor des „Climate Service Center Germany“ (heute GERICS, damals CSC) um. Mit einer kleinen Gruppe von hochrangigen Forschenden hatte er in seiner MPI-M-Zeit eine Ideenskizze dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) vorgelegt. Aber erst im Jahr 2010 konnte das deutsche „Climate Service Center“ in Hamburg mit einer Finanzierung durch das BMBF aufgebaut werden. Der Zweck dieses Climate Service Centers ist es, wissenschaftlich glaubwürdige und umsetzbare Klimainformationen für Entscheidungsträger*innen bereitzustellen. Die Aufgabe war für Guy Brasseur faszinierend, aber gleichzeitig auch nicht einfach, weil sie eine angemessene wechselseitige Interaktion mit Nutzer*innen verlangte. Sie bot aber eine einzigartige Gelegenheit, eine transdisziplinäre Vision unter Beteiligung von Natur- und Sozialwissenschaftlern sowie Vertreter*innen aus Industrie, Regierung und Kommunen zu entwickeln. Nach Guy Brasseurs Auffassung sind hier noch viele grundlegende Fragen zu beantworten, insbesondere über die Art des Geschäftsmodells, das erforderlich ist, um Klimadienstleistungen erfolgreich zu machen, und über neue Ansätze zur Kommunikation und zu Partnerschaften mit verschiedenen Arten von Akteuren in der Gesellschaft (Brasseur & Gallardo, 2016; Brasseur, 2020b).

 

Gruppe Umweltmodellierung: Vorhersage der regionalen Luftqualität verbessern
Nach der Übergabe der Leitung des GERICS an die ehemalige MPI-M-Wissenschaftlerin Daniela Jacob fand Guy Brasseur seine wissenschaftliche Heimat wieder am MPI-M und leitet hier die Gruppe „Umweltmodellierung“. Die Gruppe entwickelt integrierte Modellierungsansätze, die gesellschaftlich wichtige Umweltfragen im Zusammenhang mit der menschlichen Entwicklung behandeln. Hierbei geht es um Fragen, die sich durch den Klimawandel, das Bevölkerungswachstum, die Verstädterung, die Industrialisierung und intensive landwirtschaftliche Praktiken stellen. Als Schwerpunkt werden die Auswirkungen der Urbanisierung auf die regionale und globale Umwelt bewertet.

Dabei ist eine Aufgabe, die Vorhersage der regionalen Luftverschmutzung, insbesondere in Asien (China), Südamerika (Brasilien) und Afrika zu verbessern. Werkzeuge für die Analyse und Vorhersage der Luftqualität können Entscheidungsträger*innen helfen, wissenschaftlich fundierte Maßnahmen zur Reduzierung der chemischen Emissionen in industrialisierten und urbanisierten Regionen zu ergreifen. Die Gruppe trägt zur Entwicklung integrierter Modellierungssysteme bei, mit denen Vorhersagen gemacht werden können, die sich auf assimilierte Satellitenbeobachtungen, aktuelle Emissionsinventare, chemische und mikrophysikalische Umwandlungen, multi-skalige Transportprozesse und Oberflächenablagerungen stützen.

 

 

Zum Beispiel ist aufgrund des starken Wirtschaftswachstums in China im letzten Jahrzehnt die Luftverschmutzung in vielen Teilen des Landes zu einem ernsten Problem geworden. Aus diesem Grund werden aktuelle regionale Luftverschmutzungsinformationen und Mittel zur Emissionskontrolle der Hauptschadstoffe immer wichtiger. Im Rahmen des FP7-Programms der EU gab es zwei gemeinschaftliche Forschungsprojekte, in denen chinesische und europäische Partner zusammenarbeiten, um die Luftqualität in China mit Hilfe von Weltraumbeobachtungen zu untersuchen. An einem dieser beiden Projekte, PANDA, ist die Gruppe Umweltmodellierung als Koordinator beteiligt.

 

Ist Grundlagenforschung noch wichtig? Persönliche Betrachtungen von Guy Brasseur
Rückblickend ist festzustellen, dass im letzten Jahrzehnt die Förderorganisationen in den meisten Ländern zunehmend die Bedeutung der angewandten Forschung zur Lösung wichtiger gesellschaftlicher Probleme betont haben, manchmal auf Kosten der Grundlagenforschung. Es ist klar, dass die Rolle der Wissenschaftler*innen darin besteht, mit verschiedenen Interessengruppen zusammenzuarbeiten, um gesellschaftlich wichtige Fragen anzugehen und auf dringende Herausforderungen wie den Ozonabbau oder den Klimawandel zu reagieren. Gleichzeitig gibt es keine nachhaltige angewandte Wissenschaft ohne vorgelagertes Wissen aus der Grundlagenforschung. Heute ist es dringend notwendig, langfristige Forschungsinitiativen zu unterstützen und eine starke intellektuelle Kapazität aufrechtzuerhalten, die in der Lage ist, auf Überraschungen zu reagieren, denen unser Planet gegenübersteht. Vielleicht sollte die wissenschaftliche Gemeinschaft deutlicher zeigen wie uneigennützige Forschung eine Voraussetzung für die Entwicklung von Innovationen und daher wesentlich für unsere wirtschaftliche, soziale und kulturelle Entwicklung ist. (Brasseur, 2020b)

Ein Beispiel dafür, wie sich die Wissenschaft seit fast zwei Jahrhunderten entwickelt und sich mit einem Problem von höchster Bedeutung für die Zukunft der Menschheit beschäftigt hat, ist die Forschung zum Ozonproblem (Brasseur, 2020a). Die Entdeckung eines eigentümlichen Geruchs im Labor, der durch die Bildung einer unbekannten chemischen Spezies entstand, die erst mehr als 20 Jahre später identifiziert wurde, resultierte nicht aus einer geplanten Forschungsinitiative. Der Fortschritt, der darauffolgte, war das Werk einiger weniger unabhängiger Gelehrter, die miteinander kommunizierten und die ihre Ergebnisse in von ihren nationalen Akademien herausgegebenen Zeitschriften präsentierten. Nicht alle der vorgebrachten Ideen wurden sofort akzeptiert; einige wurden nach vielen Diskussionen und Debatten verworfen. Doch alle diese Pioniere der Ozonforschung waren Freidenker und motivierte Köpfe, die sich durch große intellektuelle Unabhängigkeit und Selbstlosigkeit auszeichneten. Wahrscheinlich ahnte keiner von ihnen, während sie ihre Forschungen durchführten, dass die stratosphärische Ozonfrage eines Tages zu einem quasi-politischen Thema werden würde (Brasseur, 2020b).

Guy Brasseur: „Lösungen für aktuelle Probleme können nicht ohne weitere Grundlagenforschung gefunden werden. Eine Institution wie die MPG steht vorbildhaft für die Freiheit der Grundlagenforschung. Freie Forschung an ganz neuen Themen erzeugt neues Wissen, welches zur Lösung heute vielleicht noch unbekannter Probleme beitragen kann. Wie schon Max Planck sagte: ‘Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen‘.“

 

Mehr Information:

Persönliche Webseite von Guy Brasseur:
https://mpimet.mpg.de/en/staff/externalmembers/guy-brasseur

Gruppenseite Umweltmodellierung:
https://mpimet.mpg.de/en/science/independent-research-groups/environmental-modeling

Projektseite MarcoPolo / PANDA:
http://www.marcopolo-panda.eu/sample-page/

 

Bücher:

Brasseur, G. P., & Solomon, S. (2005). Aeronomy of the middle atmosphere (p. 644). Dordrecht, The Netherlands: Springer.

Brasseur, G. P., & Jacob, D. J. (2017). Modeling of atmospheric chemistry (p. 606). Cambridge, UK: Cambridge University Press.

Brasseur, G. (2020a). The ozone layer, from discovery to recovery (pp. 264). Boston, MA: American Meteorological Society.

 

Publikationen:

Brasseur, G., & Nicolet, M. (1973). Chemospheric processes of nitric oxide in the mesosphere and stratosphere. Planetary and Space Science, 21(6), 939–961. https://doi.org/10.1016/0032‐0633(73)90141‐4

Brasseur, G. (1984). Coupling between the thermosphere and the stratosphere: The role of nitric oxide. In J. Taubenheim (Ed.), Handbook for MAP (Vol. 10, pp. 116–121). Urbana, IL: Scientific Committee on Solar‐Terrestrial Physics (SCOSTEP), University of Illinois.

Brasseur, G. P., & Granier, C. (1992). Mount Pinatubo aerosols, chlorofluorocarbons, and ozone depletion. Science, 257(5074), 1239–1242. https://doi.org/10.1126/science.257.5074.1239

Brasseur, G. P., Hauglustaine, D. A., Walters, S., Rasch, P. J., Müller, J.‐F., Granier, C., & Tie, X. X. (1998). MOZART, a global chemical transport model for ozone and related tracers: 1. Model description. Journal of Geophysical Research, 103(D21), 28,265–28,289. https://doi.org/10.1029/98JD02397

Brasseur, G., & Gallardo, L. (2016). Climate services: Lessons learned and future prospects. Earth's Future, 4(3), 79–89. https://doi.org/10.1002/2015EF000338

Brasseur, G. P., Xie, Y., Petersen, K., Bouarar, I., Flemming, J., Gauss, M., et al. (2019). Ensemble forecasts of air quality in eastern China—Part 1: Model description and implementation of the MarcoPolo‐panda prediction system, version 1. Geoscientific Model Development, 12(1), 33–67. https://doi.org/10.5194/gmd‐12‐33‐2019

Brasseur, G.P. (2020b) The importance of fundamental science for society: The success story of ozone research. Perspectives of Earth and Space Scientists. AGU, https://doi.org/10.1029/2020CN000136.

 

Kontakt:

Prof. Dr. Guy Brasseur
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 301 (Assistentin Ina Döge)
E-Mail: guy.brasseur@we dont want spammpimet.mpg.de