Strömungsphysik, Turbulenz und Vegetationsmodellierung: Martin Claußen und seine Forschungsinteressen

Nach 16 Jahren als Professor für Allgemeine Meteorologie an der Universität Hamburg und als Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) geht Prof. Dr. Martin Claußen Ende September 2021 offiziell in den Ruhestand. Er bleibt jedoch dem MPI-M in den kommenden beiden Jahren als Emeritus erhalten und wird seinen Forschungsinteressen weiter nachgehen. Wie verlief sein wissenschaftlicher Werdegang, und was hat Martin Claußen in seinen Forscherjahren bewegt?

 

 

Schule, Studium und Dissertation — Strömungsphysik und Turbulenz

Martin Claußen ist ein waschechter Norddeutscher. Er wurde in Fockbek bei Rendsburg in Schleswig-Holstein geboren und wuchs in Flensburg auf, wo er auch sein Abitur ablegte. Schon in der Schulzeit war ihm klar, dass er später „etwas mit Physik“ machen wollte. Zunächst ging sein Interesse jedoch in Richtung Schiffbauingenieur, naheliegend, wenn man in der Nähe des Meeres aufwächst. Ein Onkel riet ihm wegen mangelnder Berufsaussichten davon ab, was sich später allerdings als Fehleinschätzung erwies. Aber schnell war eine neue Leidenschaft entdeckt: die Meteorologie, denn sein Interesse galt und gilt der Strömungsphysik. Da lag ein Studium der Meteorologie nahe. Dieses absolvierte er an der Universität Hamburg, wo er 1981 bei Prof. Hans Hinzpeter seine Diplomarbeit über „Strahlungstransport in dreidimensionalen Wolkenfeldern“ schrieb. In Vorlesungen zu Klimageschichte und Thermodynamik von Prof. Hartmut Graßl, der damals Habilitant an der Universität Hamburg war, wurde sein Interesse am Klimathema geweckt.

 

Neben der Strömungsphysik interessierte er sich auch sehr für die Turbulenzforschung. Dieses Thema konnte er nach dem Diplom in seiner Promotion vertiefen — mit einem Doktoranden-Stipendium der Max-Planck-Gesellschaft. Seine Arbeit, wieder unter Hans Hinzpeter, befasste sich mit „Turbulenzspektren in der bodennahen Atmosphäre“. Damals, vor der Zeit der Großrechner, führte er seine Berechnungen noch mit Papier und Bleistift aus und nutzte den mit BASIC programmierbaren Taschenrechner. Während der Doktorarbeit ermöglichte ihm der Deutsche Akademische Austauschdienst (DAAD) einen ganzjährigen Aufenthalt als Gastwissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA. Dort arbeitete er mit Willem Malkus, der die Professur für Angewandte Mathematik innehatte und sich mit Problemen der thermischen Konvektion, der Magnetohydrodynamik und der geophysikalischen Strömungsdynamik befasste. Martin Claußen erlangte in dieser Zeit wertvolle Erkenntnisse zur Strömungsdynamik und befasste sich mit rotierenden Strömungen, die auch zu seiner ersten Veröffentlichung im Bereich Turbulenz führten. Nebenbei arbeitete er am MIT weiter an seiner Doktorarbeit. Nach seiner Rückkehr aus den USA schloss sich ein weiteres Jahr Promotion in Hamburg an, die er 1984 abschloss und für die er den Förderpreis der Deutschen Meteorologischen Gesellschaft (DMG) erhielt.

 

GKSS - Strömungsmodellierung

Nach seiner Promotion schloss sich eine Zeit als Postdoktorand am GKSS-Forschungszentrum in Geesthacht an (GKSS - Gesellschaft für Kernenergieverwertung in Schiffbau und Schifffahrt, heute Helmholtz-Zentrum Hereon). Hier begann Martin Claußen seine Arbeit mit Atmosphärenmodellen, insbesondere mit dem Modell GESIMA (Geesthacht Simulation Model of the Atmosphere), für das er die untere Randbedingung der Atmosphäre (Grenzschicht) programmierte. Während des ersten halben Jahres in Geesthacht bot ihm Prof. Klaus Hasselmann, Gründungsdirektor des MPI-M, eine Postdoktorandenstelle am MPI-M an, die er auch zunächst annahm, weil ihn die Arbeit mit Klaus Hasselmann reizte. Nach einem halben Jahr jedoch konnte Martin Claußen in Geesthacht eine Festanstellung am Institut für Physik der GKSS, das inzwischen von Hartmut Graßl geleitet wurde, bekommen, was für ihn als jungen Postdoktoranden sehr attraktiv war. So wechselte er zurück zur GKSS und blieb dort sechs Jahre lang in der Gruppe von Dieter Eppel. Dort fing er an, ein eigenes numerisches Strömungsmodell über komplexem Gelände unter Berücksichtigung von Rauigkeits-, Feuchte- und Temperatursprüngen in der internen Grenzschicht zu entwickeln und zu programmieren, nachdem er vorher eher analytisch gearbeitet hatte. Mit dieser Thematik habilitierte Martin Claußen 1991 zu „Bodennahen Luftströmungen über inhomogenen Oberflächen“ an der Universität Hamburg.

 

MPI-M — Vegetationsmodellierung

Inzwischen war am MPI-M eine neue Abteilung „Klimamodellierung“ mit Prof. Lennart Bengtsson als Direktor gegründet worden. Nach einem Treffen mit Lennart Bengstsson war Martin Claußens Interesse an Klimamodellierung geweckt. Er bewarb sich als Grenzschichtmeteorologe beim MPI-M und erhielt nach einem Mittagessen mit Lennart Bengtsson sogleich eine Anstellung. Nach ungefähr einem Jahr am MPI-M bekam sein wissenschaftliches Interesse einen entscheidenden Anstoß durch einen Vortrag von Colin Prentice, der damals Wissenschaftler in Uppsala, Schweden, war. Er begeisterte Martin Claußen mit seinem Biom-Modell, also mit der Möglichkeit, Biome (Makroökosysteme) bzw. globale Vegetationsmuster zu berechnen und zu modellieren. Martin Claußen „entkernte“ das Prenticesche Biom-Modell bis auf den FORTRAN-Code, mit dem man die Klimabedingungen für Biome berechnen kann. Dieses Modell koppelte er mit dem damaligen Atmosphärenmodell am MPI-M, ECHAM3, mit Unterstützung von Monika Esch und Uwe Schulzweida. Das war die Initialzündung für Martin Claußen, sich mit Vegetation im Klima zu beschäftigen. Er war damit einer der ersten, der Modelle der atmosphärischen Dynamik und der globalen Vegetationsmuster miteinander verknüpfte. Er stellte sich die Frage: Was passiert mit dem Klima, wenn man Biome mit dem Biom-Modell berechnet und dann dem Klimamodell die Änderung, nämlich die berechnete neue Rauigkeit, Blattfläche und Albedo, wieder mitteilt („asynchrone Kopplung“)? Die Ergebnisse von ECHAM3 waren stabil und bewiesen die Güte des Modells. Interessant wurde es aber beim „Spielen“ mit den Anfangsbedingungen, zum Beispiel der Abholzung oder Aufforstung von Wäldern in bestimmten Regionen der Erde. Martin Claußen experimentierte beispielsweise mit dem Aufforsten von Wüsten und war damit auch der erste, der die Wüsten/Vegetation-Albedo-Rückkopplung in einem interaktiv gekoppelten Atmosphäre-Biom-Modell explizit simulierte. Er wies nach, dass die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Vegetation einer der wichtigsten Prozesse ist, um paläoklimatische Veränderungen in Nordafrika zu erklären, insbesondere die Ausdehnung und den Rückzug der Sahara im Laufe der eiszeitlichen Zyklen.

 

Martin Claußen war auch der erste, der erfolgreich eine „grüne Sahara“ im frühen Holozän simulierte. Zusammen mit seinen Mitarbeiter*innen analysierte er die internen Rückkopplungs- und Synergiefaktoren, die zu dieser Begrünung beitragen. Diese Arbeit hat viele Paläoklimamodellierer*innen und Paläoklimatolog*innen nicht nur im Hinblick auf die afrikanische Klimadynamik inspiriert, sondern auch die Suche nach „Hot Spots“ der Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Biosphäre in anderen Teilen der Welt angeregt. Insbesondere stellte Martin Claußen fest, dass das System Atmosphäre-Vegetation mehrere Gleichgewichte aufweisen kann. Diese Entdeckung ist von großer Bedeutung und hat die allgemeine Auffassung vom System Erde als einem nichtlinearen dynamischen System sehr gefördert.

 

Potsdam und Berlin — EMICs

Das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) zeigte Interesse an Martin Claußens Arbeiten zur Wechselwirkung zwischen Klima und dem globalen Ökosystem und fragte ihn 1993, ob er Leiter der Abteilung „Klimasystem“ werden wolle. Diese Herausforderung nahm Martin Claußen gern an, zumal die Position in Potsdam mit einer von ihm angestrebten Professur verknüpft war; er wurde 1996 schließlich zum Professor für Theoretische Klimatologie an der Freien Universität Berlin berufen und lehrte dort Klimaphysik und Klimageschichte.

 

Martin Claußen hat am PIK eine international hoch angesehene Gruppe zur Modellierung des Klimasystems aufgebaut und förderte dort aktiv die Modellierung des Erdsystems unter Verwendung von Erdsystemmodellen mittlerer Komplexität (EMICs — ein von Martin Claußen vorgeschlagenes Akronym). Zu seiner Abteilung gehörten einige aus Russland stammende Wissenschaftler wie Victor Brovkin, Andrey Ganopolski und Vladimir Petoukhov, die zuvor am IIASA (International Institute for Applied Systems Analysis) in Laxenburg, Österreich, gearbeitet hatten. Brovkin und seine Kollegen hatten begonnen, das Modell CLIMBER (CLIMate and BiosphERe Model) zu entwickeln, genau das richtige Modell mit Vegetationsdynamik für Martin Claußens Vorhaben: ein Modell mittlerer Komplexität zum Koppeln von Atmosphäre, Ozean und Vegetationsentwicklung, um damit auch mehrere tausend Jahre zu rechnen, was mit dem Hamburger Modell ECHAM3 nicht möglich war.

Von wenigen Ausnahmen abgesehen, beschränkten sich die meisten Paläoklimamodelle auf vereinfachte Modelle, die die Plausibilität von Prozessen demonstrieren sollten, oder auf extrem komplexe Modelle, die große Rechenressourcen erforderten. Martin Claußen erkannte, dass Fortschritte im physikalischen Verständnis der Dynamik des Paläoklimas nur durch die explizite Simulation der Interaktion zwischen allen relevanten Komponenten des natürlichen Erdsystems und durch die Beschreibung der relevanten Dynamik dieser Komponenten in einer geographisch expliziten Weise erzielt werden können. Prof. André Berger und seine Ideen zur Paläomodellierung, insbesondere zur Milanković-Theorie und zur Modellierung mit EMICs, haben Martin Claußen immer inspiriert. André Berger war einer der ersten, der mit einem EMIC gearbeitet hatte, und beide haben sich gut ergänzt und unterstützt.

Während seiner Zeit am PIK in Potsdam erhielt Martin Claußen 2002 eine C4-Professur für Klimaphysik an der Universität Potsdam; in Potsdam konnte er die Lehrtätigkeit mit seinen Forschungsinteressen am PIK gut vereinbaren. Am PIK wurde er im gleichen Jahr Stellvertretender Direktor, nachdem Direktor Prof. Hans-Joachim Schellnhuber für drei Jahre ans Tyndall Centre for Climate Change Research nach England wechselte.

 

Zurück nach Hamburg ans MPI-M — Erdsystemmodellierung mit JSBACH

Das PIK war ein Partner in der ‚Partnerschaft für Erdsystemforschung‘ (ESRP — Earth System Research Partnership) der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), welcher zu der Zeit neben dem MPI-M die Max-Planck-Institute für Chemie in Mainz und für Biogeochemie in Jena angehörten. Martin Claußen nahm an den jährlichen ESRP-Treffen teil, in denen auch über die Nachfolge von MPI-M-Direktor Prof. Hartmut Graßl beraten wurde, der nach seiner Zeit an der GKSS 1988 nach Hamburg an die Universität und ans MPI-M gewechselt war. Auf einem Treffen des Internationalen Geosphären-Biosphären-Programms (IGBP), in dem Martin Claußen aktives Mitglied mehrerer wissenschaftlicher Ausschüsse war, und welches von Prof. Guy Brasseur, damals Direktor am MPI-M, geleitet wurde, fragte Guy Brassseur Martin Claußen ob er eine Abteilung „Land im Erdsystem“ in Ergänzung zu den Abteilungen Atmosphäre und Ozean im Erdsystem aufbauen wolle. Guy Brasseur hatte am MPI-M den Gedanken der Erdsystemforschung etabliert und die Erweiterung der Klimamodelle auf sogenannte Erdsystemmodelle vorangetrieben. 2005 nahm Martin Claußen den Ruf als Professor für Allgemeine Meteorologie an der Universität Hamburg und zum MPI-M-Direktor an und wurde damit Nachfolger von Hartmut Graßl in diesen Funktionen.

 

Der Wechsel von Potsdam nach Hamburg fiel Martin Claußen leicht, da diese Ämterkombination verbunden mit der Möglichkeit, am MPI-M, eine neue Abteilung aufzubauen sehr attraktiv war. Wissenschaftlich gesehen reizte ihn die Entwicklung von komplexen Land- und Vegetationsmodellen, um diese mit den Atmosphären- und Ozeanmodellen des MPI-M zu einem umfassenden Erdsystemmodell zu koppeln. Victor Brovkin, sein Mitarbeiter und Weggefährte am PIK, wechselte ebenfalls nach Hamburg in seine neue Abteilung, um mit Martin Claußen weiter zusammenzuarbeiten.

 

Meilensteine in Hamburg

Als Führungsperson in den beiden Ämtern in der Universität und am MPI-M gelang es Martin Claußen, 2007 gemeinsam mit seinen Professoren-Kollegen Hans von Storch, Klaus Fraedrich, Detlef Stammer und Jochem Marotzke in der neu ausgerufenen Exzellenzinitiative der Bundesregierung mit einem erfolgreichen Antrag den damals ersten und einzigen Exzellenzcluster nach Hamburg zu holen, den er sieben Jahre lang leitete: CliSAP (Integrated Climate System Analysis and Prediction). Auch der Folgeantrag für eine zweite Phase von 2012 bis 2018 konnte von Martin Claußen in Zusammenarbeit von Universität und Partnern erfolgreich verteidigt werden.

 

Wissenschaftlich gesehen entwickelte Martin Claußen mit seinen Mitarbeiter*innen, zunächst mit Christian Reick, Karl-Georg ‚Kalle‘ Schnitzler und Thomas Raddatz — die damals noch am MPI in Jena angestellt waren — und später Victor Brovkin, Veronika Gayler und Reiner Schnur und vielen anderen das Land-Modell JSBACH (Jena Scheme for Biosphere-Atmosphere Coupling in Hamburg), mit dem die Abteilung „Land im Erdsystem“ um Martin Claußen weltweit führend in der Kopplung von Biogeochemie und Biogeophysik wurde. Die meisten bestehenden Modelle hatten zwar einen Kohlenstoffkreislauf, aber keinen Kohlenstoffkreislauf, der mit der Vegetationsdynamik gekoppelt ist. Die Modellierung der letzten tausend Jahre („millennium run“) war nur mit dem Erdsystemmodell des MPI-M mit der Landkomponente JSBACH möglich. Das MPI-M war damit eines der ersten, welches ein Erdsystemmodell erstellt hatte, welches nur durch externe Antriebe wie Vulkane und die Einstrahlungsparameter der Sonne (nach Milanković) angetrieben wurde und voll gekoppelt mit Land, Vegetationsdynamik und Landnutzung den Kohlenstoffkreislauf berechnen konnte. Der Durchbruch war das vollgekoppelte Erdsystemmodell mit terrestrischem Kohlenstoffkreislauf.
 

Prof. Julia Pongratz, jetzt LMU München, war eine seiner ersten Doktorandinnen, die mit dem neuen Modell untersuchte, wie die Landnutzung physikalisch, also über Energieflüsse, wirkte und wie sich dies auf den Kohlenstoffkreislauf bzw. auf den Treibhauseffekt auswirkte. Später wies Sabine Egerer als erste in ihrer Doktorarbeit nach, dass der Staubeintrag, der in Sedimentbohrkernen des Nordatlantik gefunden wurde direkt mit der Landschaftsänderung in der Sahara während der letzten Jahrtausende zusammenhängt, und Anne Dallmeyer lieferte eine meteorologische Erklärung für die räumlich heterogene Dynamik des rapiden Rückganges der letzten sogenannten feuchten Klimaphase in Afrika vor etwa 5000 Jahren  – um nur einige wichtige Beiträge zu nennen..

 

Martin Claußen selbst arbeitete weiter an der Sahara, und ging unter anderem den Fragen nach: Warum war die Sahara während wärmerer Phasen der letzten Jahrhunderttausende deutlich grüner und das Klima der Sahara deutlich feuchter als heute? Warum hat sich die Sahara vor einigen tausend Jahren in einigen Regionen sehr rasch - geologisch gesehen quasi abrupt - ausgebreitet und in anderen Regionen eher allmählich? Könnte die Sahara durch den aktuellen globalen Klimawandel wieder grüner werden?

 

 

von links nach rechts:

Prof. Hans Hinzpeter, Prof. Willem V.R. Malkus, Prof. Hartmut Grassl, Prof. Klaus Hasselmann, Prof. Lennart Bengtsson, Prof. Colin Prentice, Monika Esch, Prof. Victor Brovkin, Dr. Andrey Ganopolski, Prof. André Berger, Prof. Guy Brasseur, Prof. Jochem Marotzke, Dr. Christian Reick, Dr. Thomas Raddatz, Prof. Julia Pongratz, Dr. Anne Dallmeyer, Dr. Sabine Egerer

 

Rückblick und Ausblick

Rückblickend haben in Martin Claußens wissenschaftlicher Karriere einige Wissenschaftler durch ihre Arbeiten und Ideen wichtige Weichen gestellt: Hartmut Graßl begeisterte ihn in seinen Vorlesungen für das Klimageschehen, und Colin Prentice brachte ihn auf die Idee, wie globale Vegetationsmuster modelliert werden können. André Berger und seine Ideen zur Theorie und Modellierung des Paläoklimas haben Martin Claußen immer inspiriert. Und durch die Erdsysteminitiative Guy Brasseurs konnte die komplexe gekoppelte Erdsystemmodellierung mit JSBACH an die Weltspitze gebracht werden. Martin Claußen erkennt damit seinen wissenschaftlichen Weg als stimmig, mit den Grundlagen als Strömungsphysiker hätte er zum Beispiel auch Schiffbau und Propellertheorie zu seinem Fachgebiet machen können. Seine erworbenen Kenntnisse waren aber eine gute Grundlage für seine Forschung in der Meteorologie, Klima- und Erdsystemmodellierung.

 

In seinen kommenden Jahren als Emeritus am MPI-M wird Martin Claußen noch einige Doktorand*innen betreuen und selbst weiter an der „grünen Sahara“ und ihren Strukturen arbeiten und diese in Modellen untersuchen. Für junge Nachwuchswissenschaftler*innen hält er einen Rat bereit: „Überlegt, in welche Richtung Ihr gehen wollt, setzt Euch Leitplanken und trefft erst spät Entscheidungen und ergreift die Chancen auf Eurem Weg.“

 

Ausgewählte Publikationen

Claussen, M. (1984) Surface-layer similarity in turbulent circular Couette flow. In: Journal of Fluid Mechanics, 144, 123-131. doi: 10.1017/S0022112084001531

Claussen, M. (1991) Estimation of a really-averaged surface fluxes. In: Boundary-Layer Meteorology, 54, 387-410. https://doi.org/10.1007/BF00118868

Claussen, M., Gayler, V. (1997) The greening of Sahara during the mid-Holocene: results of an interactive atmosphere - biome model. In: Global Ecology and Biogeography Letters. Band 6, Nr. 5, S. 369–377. https://doi.org/10.2307/2997337

Claussen, M. (1998) On multiple solutions of the atmosphere-vegetation system in present-day climate. In: Global Change Biology. Band 4, S. 549–559. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.1998.t01-1-00122.x

Brovkin, V., Claussen, M., Petoukhov, V., Ganopolski, A. (1998) On the stability of the atmosphere-vegetation system in the Sahara/Sahel region. In: Journal of Geophysical Research-Atmospheres. Band 103, S. 31613–31624. doi: 10.1029/1998JD200006

Claussen, M., Kubatzki, C., Brovkin, V., Ganopolski, A., Hoelzmann, P., Pachur, H.J. (1999) Simulation of an abrupt change in Saharan vegetation at the end of the mid-Holocene. In: Geophys. Res. Letters. Band 24, Nr. 14, S. 2037–2040. https://doi.org/10.1029/1999GL900494

Claussen, M., Brovkin, V., Ganopolski, A. (2001) Biogeophysical versus biogeochemical feedbacks of large-scale land cover change. In: Geophysical Research Letters. Band 28, S. 1011–1014. https://doi.org/10.1029/2000GL012471

Claussen, M. (2009) Late Quaternary vegetation – climate feedbacks. In: Clim. Past. Band 5, Nr. 1, S. 203–216. https://doi.org/10.5194/cp-5-203-2009

Claussen, M., Bathiany, S., Brokvin, V., Kleinen, T. (2013) Simulated climate-vegetation interaction in semi-arid regions affected by plant diversity. In: Nature Geoscience. Band 6, Nr. 11, S. 954–958. https://doi.org/10.1038/ngeo1962

Bathiany, S., Claussen, M., Brovkin, V. (2014) CO2 - induced Sahel greening in CMIP5 Earth System Models. In: Journal of Climate. Band 27, 2014, S. 7163–7184. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-13-00528.1

Egerer, S., Claussen, M., Reick, C., Stanelle, T. (2017) Could gradual changes in Holocene Saharan landscape have caused the observed abrupt shift in North Atlantic dust deposition. In: Earth and Planetary Science Letters. Band 473, S. 104–112. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.06.010

Claussen, M., Dallmeyer, A., Bader, J. (2017) Theory and modeling of the African humid period and the green Sahara. In: Oxford Research Encyclopedia of Climate Science, doi:10.1093/acrefore/9780190228620.013.532

Dallmeyer, A., Claussen, M., Lorenz, S., Shanahan, T. (2020) The end of the African humid period as seen by transient comprehensive Earth system model simulation of the last 8000 years. In: Climate of the Past, 16, 117-140. https://cp.copernicus.org/articles/16/117/2020/

 

Mehr Informationen:

MPI-M:
https://mpimet.mpg.de/mitarbeiter/martin-claussen
Leopoldina:
https://www.leopoldina.org/fileadmin/redaktion/Mitglieder/CV_Claussen_Martin_D.pdf
EGU, Laudatio Milutin-Milanković-Medaille:
https://www.egu.eu/awards-medals/milutin-milankovic/2005/martin-claussen/

 

Kontakt:

Prof. Dr. Martin Claußen
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 225
E-Mail: martin.claussen@we dont want spammpimet.mpg.de