Sonnen- und Klimaforschung am Observatorium in Davos

Von Prof. Louise Harra | Direktorin PMOD/WRC Davos Di, 19.05.2020

Das Observatorium in Davos befindet sich im ehemaligen Schulhaus – ein markantes Gebäude, gerade wenn man sich dem Ort vom Davoser See her nähert. Der vollständige Titel der Organisation lautet Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos/World Radiation Center (PMOD/WRC), die ich im Folgenden näher vorstelle.

Das Observatorium wurde 1907 vom Chemiker Carl Dorno gegründet, der das Davoser Klima untersuchte. Es war damals bekannt, dass dieses die Genesung von Tuberkulose-Patienten förderte – seine Tochter war eine solche Patientin. Er entwickelte Instrumente zur systematischen Messung der Strahlungsprozesse in der Atmosphäre. Die Bedeutung von Klimamessungen haben mit der Zeit sogar noch zugenommen, und die Art der Messungen am Observatorium haben sich erweitert.

Die Messungen umfassen die gesamte Bestrahlungsstärke der Sonne, Infrarotstrahlung, ultraviolette Strahlung, optische Tiefen- und Ozonmessungen. All diese Parameter sind der Schlüssel zum Verständnis unseres Klimas und seiner Entwicklung. Das Observatorium in Davos verfügt über die längsten Zeitmessungen von Bestrahlungsstärke und Ozon der Welt. 1971 bestimmte die Weltorganisation für Meteorologie das PMOD als «World Radiation Center», was Davos seither eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung und Kalibrierung von Strahlungsmessungen auf der ganzen Welt verleiht. Das PMOD/WRC ist stolz darauf, diese Verantwortung wahrzunehmen. 

Um dies zu erreichen, entwickelt und baut eine Technikabteilung Instrumente im eigenen Haus. In den 1980er-Jahren begann das PMOD/WRC mit der Entwicklung dieser Instrumente für den Weltraum. Seit 1995 ist ein Davoser Instrument im Weltraum in Betrieb, und die jüngste Ergänzung ist die Solar-Orbiter-Mission, die im Februar 2020 gestartet wurde.

Die Instrumentierung erfordert Fachwissen in den Bereichen Elektronik, Mechanik und Software. In der Technikabteilung beschäftigen wir sowohl Lernende als auch erfahrene Ingenieure mit Master-Abschluss. Teil unserer Rolle ist es, Lehrstellen für verschiedene Berufe sowie Stellen für Zivildienstleistende anzubieten. Diese unterstützen uns bei Aktivitäten von öffentlichem Interesse. Unsere neue Zusammenarbeit mit der ETH-Physikabteilung entwickelt die Ausbildungsseite durch Masterprojekte und Doktorandenausbildung weiter. 

Ein weiterer Aspekt der Arbeit des Observatoriums ist die Forschung in den Bereichen Erdklima und Sonnenphysik. Das Verständnis und die Vorhersage von Klimaveränderungen sind sehr komplex, und wir arbeiten an der Entwicklung von Modellen vom Boden bis in die obersten Schichten der Erdatmosphäre.

Das Erdklima verändert sich heute schneller als zu irgendeinem Zeitpunkt in der Geschichte der modernen Zivilisation, in erster Linie als Ergebnis menschlicher Aktivitäten. Daher sind langfristige Vorhersagen unter Berücksichtigung von politischen Entscheidungen im Zusammenhang mit dem Klimawandel wichtig, um festzustellen, ob die Beschleunigung des Klimawandels unter Kontrolle gebracht werden kann.

Unsere Klimamodelle berücksichtigen sämtliche Schichten der Erdatmosphäre, welche stark von den Teilchen, den Magnetfeldern und des von der Sonne weggeschleuderten Gases beeinflusst wird. Dieser Forschungsbereich ist als «Weltraumwetter» bekannt, und die Herausforderung der Solar-Orbiter-Mission besteht darin, nahe genug an die Sonne heranzukommen, um die Physik hinter dem Weltraumwetter zu verstehen.

Obwohl das Weltraumwetter ein obskures Konzept zu sein scheint, ist es für uns sehr wichtig, da wir alle auf Technologie angewiesen sind, die durch Weltraumwetterereignisse beeinflusst werden kann. Weltraumwetter ist eine natürliche Gefahr, von der bekannt ist, dass sie für unsere moderne Gesellschaft kritische Technologien wie Stromnetze, Kommunikation Fluglinien, Züge, Pipelines und globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) unterbrechen und beschädigen kann.

English version see below.

Observatorium Davos

By Professor Louise Harra, Director PMOD/WRC

The Observatorium, Davos, resides in the old school house – a distinctive building just as you approach Davos opposite the Davoser See. The full title of the organisation is Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos/World Radiation Center (PMOD/WRC), which is explained below.

It was formed in 1907 by the chemist Carl Dorno who investigated the atmosphere in Davos since it was known to aid the recovery of turberculosis patients – his daughter being one such patient. He developed instrumentation to make systematic measurements of radiation processes of the atmosphere. The importance of climatic measurements has only increased with time, and the types of measurements made at the observatorium have expanded with time.

The measurements include the total irradiance of the Sun, infra-red radiation, ultra-violet radiation, optical depth and ozone measurements. All these parameters are key to understand our climate and how it evolves. Davos now hosts the longest time measurements of irradiance and ozone in the world. In 1971, the World Meteorological Organisation allocated PMOD to be the «World Radiation Center», which gives Davos a crucial role in maintaining and calibrating radiation measurements all around the world. PMOD/WRC is proud to hold this responsibility. 

In order to achieve this, a technology department develops and builds instruments in-house. In the 1980s, Davos started developing these instruments for space. A Davos instrument has been operating in space since 1995, and the most recent addition is the Solar Orbiter mission that was launched in February 2020.

The instrumentation requires electronics, mechanical and software expertise. The skillsets of technology staff are wide-ranging from teenage apprentices to experienced engineers with Masters degrees. Part of our role is to provide apprenticeship positions for different professions and offer zivildienst stages supporting activities of public interest. Our recent relationship with ETH-physics department develops the education side further through Masters projects and further PhD training. 

Another aspect of work at the observatorium is research in climate and solar physics. Understanding and predicting how the climate changes is highly complex, and we are working to develop the models from ground levels right up to the top of the Earth’s atmosphere.

The Earth's climate is now changing faster than at any point in the history of modern civilization, primarily as a result of human activities, so long term predictions, factoring in governmental changes are important to determine if the acceleration of climate change can be brought under control.

Our climate models reach right to the top of the Earth’s atmosphere, which has the full impact of the particles, magnetic fields and gas that is thrown away from the Sun. This area of research is known as «space weather», and the Solar Orbiter mission’s challenge is to get close enough to the Sun to understand the physics behind space weather.

Although space weather seems like an obscure concept, since we are all reliant on technology that can be affected by space weather events. Space weather is a natural hazard that is known to interrupt and damage technologies critical to modern society such as electric power grids, airlines, trains, pipelines, and Global Navigation Satellite Systems (GNSS). 

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