Der technologische Fortschritt hat unsere Lebensqualität entscheidend verbessert. Doch er hat auch zu massiven Eingriffen in unsere Umwelt mit schwer abschätzbaren Folgen geführt: Atomkraftwerke werfen Tonnen an radioaktiven Müll ab, Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Energieträger belastet die Atmosphäre, Umweltgifte das Grundwasser. Die Suche nach Lösungsmöglichkeiten sowie die Abschätzung der Risiken heutiger Umwelteingriffe für kommende Generationen ist daher eine der wesentlichen Herausforderungen der Umweltwissenschaften.

Umweltveränderungen schwer abschätzbar

Die Endlagerung von radioaktivem Material oder Kohlendioxid tief unter der Erde wird intensiv beforscht, immer bessere Verfahren zum Umweltmonitoring werden entwickelt. Doch die Umwelt ist laufend Veränderungen unterworfen: Wie weiß man, dass Endlagerstätten auch in tausend Jahren noch sicher sind? Wie kann man aus aktuellen Messungen zu Schadstoffbelastungen auf künftige Entwicklungen schließen?

Im Rahmen des diesjährigen Special Semester des Johann Radon Institute for Computational and Applied Mathematics (RICAM) der ÖAW, das von einem internationalen Programmkomitee unter der Leitung von Robert Scheichl (Universität Bath, UK) organisiert wird, kommen vom 3. Oktober bis 16. Dezember 2011 Ingenieure, Meteorologen, Hydrologien und andere Umweltwissenschaftler mit Mathematikern aus der ganzen Welt am RICAM in Linz zusammen, um neue mathematische Methoden für die Behandlung der aktuell brennenden Fragen der Umweltwissenschaften zu entwickeln.

Diese machen es ihrer mathematischen Erfassung nicht leicht: Umweltprozesse zeichnen sich zum einen durch eine unsichere Datenlage aus, die stabile Abschätzungen erschwert. Zum anderen erstrecken sich viele Umweltprozesse über mehrere Zeit- und Größendimensionen: Sie beginnen im Mikrobereich und entfalten sich über den Meso- und Makrobereich. Wetter- und Klimaentwicklung sind typische Multiskalen-Prozesse (siehe Abbildung 1). Geologische Formationen oder auch Knochen weisen ähnliche Multiskalen-Strukturen auf. Eine numerische Simulation aller möglichen Szenarien dieser Multiskalen-Strukturen oder/und Prozesse überfordert selbst die besten Supercomputer. So ist es beispielsweise bisher nicht abschätzbar, ob aus einem aus heutiger Sicht absolut sicheren Endlager für radioaktiven Abfall in ferner Zukunft nicht doch radioaktives Material austritt.

Der Vorteil der mathematischen Methode

Bisher wurden Lösungen für Multiskalen-Prozesse nur von Fall zu Fall entwickelt, allgemeine mathematische Konzepte gibt es nicht. Diese hätten jedoch einen entscheidenden Vorteil: "Mathematische Methoden sind nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt, sie lassen sich auf alle Probleme mit ähnlicher Struktur anwenden, unabhängig davon aus welchem Bereich sie kommen", erklärt Ulrich Langer, stellvertretender Direktor am RICAM und Professor für Numerische Mathematik an der Johannes Kepler Universität Linz den entscheidenden Vorteil des mathematischen Blicks auf die Welt. Für den Praktiker hat das den Vorteil, aus einem theoretisch abgesicherten Methodenangebot jene für das eigene Problem geeigneten auswählen und adaptieren zu können.

Zum RICAM Special Semester

Das RICAM Special Semester wird seit 2005 jährlich veranstaltet. Ziel ist es zu einem Anwendungsgebiet der Mathematik internationale Forscher und Forscherinnen zusammenzubringen, um neue mathematische Methoden in den Anwendungsgebieten zu entwickeln. Die bisher diskutieren Anwendungsgebiete sind breit und reichen von der Mechanik über die Biologie bis zur Finanzwirtschaft.

Weitere Informationen zum RICAM Special Semester 2011 sowie die behandelten Themenbereiche im Detail finden Sie hier.