Neue Ansätze zur Anwendung kausaler Inferenz Methode auf die stratosphärische Chemie und chemisch-dynamische Wechselwirkungen ozonrelevanter Spezies

• Antragstellerin: Dr. Evgenia Galytska
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 573930665

Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, das Verständnis komplexer chemisch-dynamischer Wechselwirkungen in der Stratosphäre unter sich verändernden Klimabedingungen zu vertiefen. Im Fokus stehen Ozon relevanten Substanzen, insbesondere Stickstoffdioxid (NO₂). Hierzu werden Methoden der kausalen Inferenz mit klassischen statistischen Ansätzen kombiniert. Die im Projektfokus stehende chemisch-dynamische Wechselwirkungen sind entscheidend für die Verteilung von Ozon, das nicht nur das Leben auf der Erde schützt, indem es schädliche ultraviolette Strahlung absorbiert, sondern auch die thermische Struktur und damit die Zirkulation der Stratosphäre beeinflusst. Das Verständnis der Variabilität von stratosphärischem Ozon erfordert die Entflechtung des Zusammenspiels anthropogener und natürlicher Einflüsse, einschließlich Ozon abbauende Stoffe, Treibhausgasemissionen, extreme Naturereignisse und dynamische Variabilität, insbesondere dort, wo Transport und Chemie nichtlinear sind. Klassische statistische Methoden sind nützlich zur Analyse von Zusammenhängen und Veränderungen abzuschätzen, sind jedoch in ihrer Fähigkeit begrenzt, echte Ursache-Wirkungs-Beziehungen aufzudecken, insbesondere in Systemen, die durch Rückkopplungen, Störfaktoren und regimeabhängigen Verhalten geprägt sind. Kausale Inferenzmethoden, eine aufstrebende Klasse der Methoden, kombiniert die statistische Theorie mit überwachtem maschinellen Lernen (ML). Sie sind speziell darauf ausgelegt, direkte, indirekte und unberechtigte Zusammenhänge zu identifizieren. Damit stellen sie ein leistungsfähiges Instrument dar, um die zugrunde liegenden physikalischen Antriebe beobachteter Variabilität zu erkennen und die Übereinstimmung der Chemie-Transport und Chemie-Klima Modelle mit Beobachtungen zu bewerten. Aufbauend auf den bisherigen Arbeiten der Antragstellerin, die das große Potenzial kausaler Inferenzmethoden in der Atmosphärenforschung und insbesondere bei der Analyse der Ozonvariabilität in der tropischen mittleren Stratosphäre aufgezeigt haben, wird dieses Projekt die kausale Analyse auf weitere Regionen, Höhenbereiche und dynamische Strukturen der Stratosphäre ausdehnen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Identifikation der Antriebe von Ozonveränderungen in der tropischen unteren Stratosphäre und den Polarregionen, wo Prozesse wie stratosphärischer Transport, heterogene und katalytische Chemie und der Einfluss großskaliger Variabilitätsmodi wie der quasi-biennialen Oszillation (QBO) oder der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) weiterhin erhebliche Unsicherheiten zeigen. Durch die Kombination von bodengestützten und satellitenbasierten Beobachtungen, Modellsimulationen und modernen Methoden der kausalen Analyse wird das Projekt kausales Denken in die datenbasierte Atmosphärenforschung einbringen, ein vertieftes Verständnis der der stratosphärischen Chemie-Klima-Wechselwirkungen ermöglichen und zu realistischeren Darstellungen von Ozon in Klimamodellen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Finnland, Großbritannien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Martyn Chipperfield; Dr. Quentin Errera; Dr. Viktoria Sofieva
• Mitverantwortliche: Dr. Alexei Rozanov; Dr. Mark Weber