Mathematik im Einsatz für die Umwelt

ein Vortrag von

Zusammenfassung:

Mathematik spielt eine wichtige Rolle in fast allen naturwissenschaftlichen Disziplinen. Hier werden zwei Gebiete vorgestellt, die insbesondere auf die automatisierte Erkennung von Umweltschäden und -gefährdungen abzielen: Die Fernerkundung der Erdatmosphäre und die molekulare Strukturauflärung.
In der Atmosphären-fernerkundung werden mit satelliten-basierten Messinstrumenten optische Spektren der Erde aufgenommen. Aus diesen Rohdaten werden mit Hilfe von physikalischen Gesetzen, mathematischen Algorithmen und eigens entwickelter Software Konzentrationen von Spurengasen in der Atmosphäre berechnet, die auf bedrohliche Veränderungen der Umwelt hinweisen können. Typische Beispiele sind Ozon („Ozonloch“), Schwefel- und Stickoxide („saurer Regen“), sowie Treibhausgase („Treibhauseffekt“). Die kontinuierliche, zeitnahe und globale Datengewinnung ist eine wichtige Basis für Klima- und Umweltforschung und unterstützt die politische Entscheidungsfindung.
Während die Datenprozessierung in der Atmosphären-Fernerkundung schon seit einigen Jahren operationell eingesetzt wird, stellt eine andere Herausforderung derzeit noch viele offene Fragen an Mathematiker und Naturwissenschaftler. In der molekularen Strukturaufklärung geht es darum, die chemische Struktur unbekannter, potentiell gefährlicher Verbindungen in Boden- oder Gewässerproben zu bestimmen. Auch hier werden zunächst mit Hilfe von Messgeräten und Techniken der chemischen Analytik spektrale Daten über die unbekannte Verbindung gewonnen, zumeist in Form von Massenspektren. Vereinfacht gesagt werden dabei die Massen von Bruchstücken der unbekannten Struktur gemessen. Aufgabe des Mathematikers ist es, ein allgemein anwendbares, automatisierbares Verfahren zu finden, das aus solchen Hinweisen die unbekannte Struktur möglichst genau bestimmen kann. Erst wenn die chemische Struktur hinreichend genau beschrieben ist, können das tatsächliche Gefährdungspotential abgeschätzt, und ggf. der Ursprung eines Schadstoffes ermittelt werden.
Der Vortrag soll anhand zweier Beispiele aus der Praxis zeigen, wie berufliche Aufgaben eines Mathematikers in naturwissenschaftlich ausgerichteten Großforschungseinrichtungen aussehen können, und demonstrieren, dass das Berufsbild des Mathematikers oft stark interdisziplinär geprägt ist. Neben grundsätzlichem Interesse an mathematisch-naturwissenschaftlichen Zusammenhängen sind zum Verstehen des Vortrags keine Kenntnisse erforderlich, die über Schulwissen hinausgehen.