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06.12.1991 - 

Umweltforschung am Scientific Center im norwegischen Bergen

Großrechner simulieren unser mögliches ökologisches Schicksal

Umweltwissenschaften werden immer wichtiger - auch für die Industrie. 1989 hat daher die IBM Europe das Wissenschaftszentrum im norwegischen Bergen beauftragt, alle Hauptrichtungen dieses riesigen Forschungsgebietes abzudecken und die entsprechenden Arbeiten unternehmensweit zu koordinieren.

"Alle reden über das Wetter", scherzte Mark Twain vor 100 Jahren, "aber niemand tut etwas dafür." Zeitgenossen des englischen Humoristen konnten darüber noch lachen. Inzwischen jedoch haben Wissenschaftler festgestellt, daß wir schon seit längerer Zeit etwas tun mit dem Wetter, nur nicht zu unserem Vorteil. Unsere Lebensweise führt zu so gravierenden Veränderungen der Umwelt, daß auch das Wetter davon betroffen wird.

Wenn wir so weitermachen wie bisher, warnen Forscher, werde die Erde zum Treibhaus. Die Folgen wären verheerend: Das Eis an den Polen würde schmelzen, der Meeresspiegel steigen, große Teile von Ägypten, Bangladesh, Florida etc. würden für immer von der Landkarte verschwinden. Fakten sind also gefragt, aber auch ein ausgeprägteres Verständnis der komplexen Vorgänge, damit richtig und vor allem effizient gehandelt werden kann. Eine große Bedeutung kommt daher den Umweltwissenschaften zu.

Ozeanografische und meteorologische Modelle

1986 wurde in der norwegischen Hafenstadt Bergen das Scientific Center (BSC) gegründet. Die Forschungsstätte sollte in erster Linie wissenschaftliche Arbeiten fördern, die für Norwegen von praktischem Nutzen sind. Als Hauptgebiete wurden damals die Erdölförderung aus dem Meer, die Biotechnologie und Fischzucht sowie Computerwissenschaften auserkoren.

Drei Jahre später hatte die IBM Europe mit der Station in Bergen schon höheres im Sinn. Um der seit langem erkannten Wichtigkeit der Umweltproblematik auch Taten folgen zu lassen, wurde das BSC zum Zentrum der IBM-unterstützten Umweltforschung erklärt. Eine durchaus logische Wahl: Die Infrastruktur bestand schon, und die Wissenschaftler hochkarätige Leute, waren mit der neuen Aufgabe bereits weitgehend vertraut; sie hatten bisher auf verwandten Gebieten gearbeitet. Das Bergen Scientific Institute beschäftigt heute etwa 50 Leute, darunter eine ganze Reihe von Studenten, die ihre Abschlußarbeiten auf einem Gebiet der

Umweltwissenschaften absolvieren. Die technische Infrastruktur besteht aus einem IBM-Supercomputer der neusten Generation sowie zahlreichen Workstations und PCs.

Der Schlüssel zu den Umweltwissenschaften ist die modellhafte Simulation komplexer Vorgänge auf leistungsfähigen Rechnern. Was immer die Forscher interessiert - die Bewegung von Meereswellen, der

Transport von Schadstoffen durch die Atmosphäre oder die

Verschmutzung von Grundwasser durch ausgelaufenes Öl -, läßt sich in mathematische Formeln fassen.

Vor zwei Jahren wertete das Bergen Scientific Center vor allem ozeanographische und meteorologische Modelle aus. Gezeiten- und Strömungsberechnungen lieferten wichtige Informationen für die Konstruktion von Erdölplattformen. Auch für die Erschließung neuer Erdölquellen haben die Forscher ein Modell entwickelt: Es simuliert die Bewegung von Flüssigkeiten in Felsformationen.

Die neue Mission des BSC erweiterte den Forschungshorizont in mehreren Richtungen. Am wichtigsten sind nach wie vor Modellberechnungen, aber mit einem deutlichen Schwerpunkt bei umweltbezogenen Themen. Typische Beispiele dafür sind Simulationen von Wasser- und Luftströmungen und die Berechnung der Verschmutzung in diesen Strömungen. Je nach Fragestellung verwenden die Umweltforscher unterschiedliche Rechnersysteme.

Es sind Computer vorhanden, die die Luftverschmutzung in einem räumlich und zeitlich eng begrenzten Bereich simulieren - etwa in der Umgebung eines Kohlekraftwerks für ein paar Stunden. Andere eignen sich für die Untersuchung mittelgroßer Effekte, zum Beispiel für die Luftverschmutzung in einer Stadt wie Athen oder Los Angeles. Eine dritte Kategorie von Rechnern ist maßgeschneidert für langfristige, großräumige Probleme wie den sauren Regen, und eine letzte Rechnervariante ist globalen Phänomenen gewidmet: dem Treibhauseffekt, dem Ozonloch in der Stratosphäre und generellen Klimaentwicklungen.

Das beste Computermodell nützt nichts, wenn man keine Daten hat, mit denen man es füttern kann. Für Umweltsimulationen braucht es einerseits geographische Daten, andererseits aktuelle Umweltdaten. Im Moment müssen sich die Wissenschaftler in Bergen noch mit Daten herumschlagen, die sie in unterschiedlicher Form und Qualität aus verschiedenen Quellen beziehen. Das ist nicht nur mühsam und ineffizient, es erschwert auch die Verifikation der Resultate.

Am BSC wurde daher eine Forschungsgruppe beauftragt, geeignete Wege zu finden, wie man die benötigten Daten beschaffen und in computergerechte Form umsetzen kann. Geographische Karten zum Beispiel müssen digitalisiert werden. Als Ziel schwebt den Wissenschaftlern ein Kreislauf vor, bei dem eine geographische Datenbank und eine Umweltdatenbank den Input für die Simulationen liefern. Zuerst werden die Modelle anhand dieser Datenbanken getestet. Erweisen sie sich als zuverlässig, wird der Output der Modelle in den gleichen Datenbanken abgespeichert.

Das zeit- und kostenintensive Sammeln der Daten wollen die BSC-Forscher allerdings auch in Zukunft anderen überlassen - zum Beispiel den Spezialisten, die im Auftrag der UNO in Genf die globale Umweltdatenbank GRID (Global Ressource Information Database) auf von IBM gestifteter Hardware betreiben. Um die Genfer Datenquelle besser zu erschließen, soll das BSC demnächst über eine Standleitung mit GRID verbunden werden. Damit haben die Wissenschaftler in Bergen praktisch auf Tastendruck Zugang zu globalen Umweltdaten.

Satelliten liefern aktuelle Informationen über den Zustand der Erde. Auch auf diesem Gebiet sind die BSC-Forscher aktiv, sie lassen die Resultate der Satelliten-Messungen in ihre Modelle einfließen. Bei dieser

sogenannten Fernerkundung hat sich inzwischen eine fruchtbare Zusammenarbeit mit dem Nansen Remote Sensing Center und der Universität Bergen entwickelt.

Ein Problem, das die Wissenschaftler lange unterschätzt hatten, ist die Präsentation ihrer Resultate. Zahlenfriedhöfe mögen für Fachkollegen ja noch halbwegs akzeptabel sein - für Laien auf diesem Gebiet sind sie es ganz bestimmt nicht. Wer sich mit Aussagen über die Umwelt beim breiten Publikum, bei den Entscheidungsträgern und Politikern Gehör verschaffen will, muß seine Resultate anschaulich präsentieren - und zwar in Form von farbigen Grafiken, Bildern oder Filmsequenzen.

Das Gebiet der Visualisierung hat sich in den letzten Jahren von seinem Mauerblümchen-Dasein gelöst und ist zu einem respektierten Forschungszweig avanciert - auch am Bergen Scientific Center.

Ein Beispiel dafür ist die Aufbereitung der Resultate von Meereswellen-Simulationen. Die Forscher am BSC verwenden dazu ein Programm, das ihnen die Resultate in farbige Momentaufnahmen der Meeresoberfläche umsetzt. Aus einer zeitlichen Folge solcher Standbilder lassen sich sogar Filmsequenzen auf einem Videogerät erzeugen.

Diese Auswertung ist zwar überaus aufwendig dafür liefert sie die gewünschten Informationen in anschaulicher Form: Wenn das Modell beispielweise die Bewegung von Ölflecken oder anderer Objekte auf der

Meeresoberfläche simuliert hat, zeigt der Videobildschirm in bewegten Bildern, was in einem Ozean in diesem Falle geschehen würde.

In Zukunft soll das Wissenschaftszentrum auch private und öffentliche Organisationen bei deren Umweltanalysen und Simulationen unterstützen. Die BSC-Forscher wollen allerdings keine konkreten Empfehlungen für umweltpolitische Maßnahmen abgeben oder als Umweltaktivisten auftreten. Dagegen plant man, Expertensysteme zu entwickeln, die bei der Planung umweltrelevanter Maßnahmen helfen.

Natürlich werden auch die Simulationsmodelle ständig verbessert. Ein Ziel ist, sie in Form von Mehrzweck-Modulen aufzubauen. Die einzelnen Bausteine sollen dabei so anwenderfreundlich werden, daß auch Laien damit zurechtkommen. Konret bedeutet das, daß der Benutzer in einem Dialog zum Ziel geführt wird - vom direkten Zugriff auf die Umweltdatenbank über die Simulation bis zur grafischen Präsentation der Resultate.

Eine der Hauptaktivitäten des Bergen Scientific Center ist die Beschäftigung mit der Ozeanographie.

Die einschlägige Themenpalette ist reichhaltig: Sie geht von Gezeitenstudien über die Simulation von Wellen und Strömungen bis zu Computermodellen für die Meeresverschmutzung.

Manchmal stehen wirtschaftliche Fragen im Vordergrund, etwa das Management von Fischressourcen; manchmal technische, zum Beispiel: Wie muß ein Bohrturm beschaffen sein, damit er der See trotzen kann? Immer öfter tauchen aber auch Fragen auf, die die Umwelt betreffen. Ein Beispiel dafür war das plötzliche Auftreten giftiger Algen an der norwegischen Küste vor zwei Jahren. Mit Computersimulationen gelang es den Forschern, die Quelle der Verschmutzung zu eruieren.

In letzter Zeit haben die BSC-Forscher ihre Ozeanographie-Modelle so erweitert, daß man sie auch anderweitig gebrauchen kann. Neu sind Modelle, die die gegenseitige Beeinflussung von Meer und Atmosphäre simulieren. Von diesen Modellen erhoffen sich die Forscher neue Erkenntnisse für die Klimatologie - insbesondere über die Rolle des Kohlendioxids. Eine weitere starke Zunahme dieses Gases in der Atmosphäre könnte in den nächsten 50 bis 200 Jahren zu einer globalen Erwärmung führen. Dieser Treibhauseffekt würde die Klimazonen auf der Erde verschieben und damit das fragile ökologische Gleichgewicht unseres Planeten empfindlich stören.

Die Anfänge der Umweltwissenschaften gehen auf die frühen sechziger Jahre zurück. Zwar sind gewisse Teilgebiete wie Meteorologie oder Ozeanographie bedeutend älter - aber das Bewußtsein, sich dabei mit Umweltfragen zu beschäftigen, tauchte bei den Forschern erst vor etwa 30 Jahren auf.

Am Anfang interessierten sich die Wissenschaftler vor allem für lokale Umweltprobleme. Doch je mehr sie sich damit beschäftigten, desto deutlicher sahen sie, daß Umweltentwicklungen nicht lokal beschränkt sind. Was am Ort X geschieht, kann ohne weiteres an den Orten Y und Z Folgen haben. Ein sehr störender Trend dabei ist, daß Umweltverschmutzung, einst das Charakteristikum stark industrialisierter Gegenden, zusehends auch Regionen erreicht, die bisher als unverdorben galten.

Das hat verschiedene Gründe. Einerseits hat die Verschmutzung generell zugenommen, andererseits sorgten viele Luftverschmutzer durch den Bau hoher Kamine dafür, daß sich der Dreck weitherum verteilt. Damit war die Quelle schlechter eruierbar.

Die zunehmende Globalisierung der Umweltprobleme führt zu immer komplexeren Simulationsmodellen. Daß die Forscher solche Modelle nicht nur aufstellen, sondern exakt durchrechnen können, verdanken sie der Computertechnik. Workstations bieten heute ähnliche Rechenleistungen wie Supercomputer vor zehn Jahren. Entsprechend ist die Kapazität der Großrechner gestiegen.

Die Rechenleistung des Supercomputers am Bergen Scientific Institute reicht heute gleichwohl gerade aus, das neueste Klimamodell zu studieren, das BSC-Forscher mit Fachkollegen vom Max-Planck-Institut entworfen haben.

Dieses Modell berücksichtigt zum ersten Mal gleichzeitig und weltweit die unterschiedlichen Aspekte von Atmosphäre, Meer, Eis und Land. Die Workstations setzen die Wissenschaftler vor allem für die Aufbereitung der Daten ein.

Weshalb gibt BSC-Sponsor IBM soviel Geld für Umweltwissenschaften aus? Paolo Zanetti, Gesamt-Projektleiter der Umweltwissenschaften im Bergen Scientific Center, antwortet mit einer Gegenfrage. "Weshalb soll sie es nicht tun? Computersimulationen sind der einzige wissenschaftliche Weg, schon heute etwas über die Zukunft zu erfahren, die uns doch alle etwas angeht. Im übrigen beschert die Umweltforschung den Wissenschaftlern einige der interessantesten und schwierigsten Aufgabenstellungen, die es überhaupt gibt. Ein Beispiel: Um sämtliche Vorgänge zu simulieren, die sich während 24 Stunden in der Erdatmosphäre abspielen, müßten selbst die leistungsfähigsten Computer Dutzende von Jahren rechnen. Wir sind also gezwungen, mit beschränkten Mitteln möglichst viel herauszufinden."

Für Carl-Hugo Bluhme, Vizepräsident für Umweltstrategien bei IBM Europa, sind "Umweltfragen ... von globaler Bedeutung." Also, folgert er, seien sie langfristig gesehen auch wichtig für das Geschäft. Sein Plädoyer: "Wenn wir heute bei unseren Herstellungsprozessen nicht freiwillig auf die Umwelt Rücksicht nehmen, werden wir morgen vielleicht dazu gezwungen. Und das ist nicht nur umständlich, sondern auch teurer, als wenn wir sofort handeln. Außerdem ist nach außen gezeigtes Umweltbewußtsein sehr förderlich für unser Firmen-Image."