[FPA] Efficiency improvement and open-source finalization of a Monte-Carlo approach to calculate the radiative forcing of contrails

Kondensstreifen bestehen aus Eiskristallen mit einem Rußkern und tragen durch Absorption und Streuung solarer und terrestrischer Strahlung (d.h. Photonen) zur globalen Erwärmung bei. Die strahlungsabschwächenden Prozesse von Photonen entlang des Weges durch den Contrail sind weder zeitlich noch räumlich konstant und abhängig von der Wellenlänge der Photonen, sowie der Größe und Anzahl (pro Volumen) der Eiskristalle, sog. Effizienzen für Streuung und Absorption und den äußeren Abmessungen des Contrails. Aus diesem Grund wurde die Strahlungsabschwächung bisher mithilfe einer zeitlich aufwendigen Monte-Carlo Simulation über die genannten Variablen berechnet. Dieser Ansatz soll nun in seiner Effizienz verbessert werden und der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt werden.

Die Ziele des Forschungspraktikums sind die Effizienzsteigerung des Monte-Carlo Ansatzes, sowie die anschließende Integration der Ergebnisse über wesentliche Wellenlängen der Strahlung, sowie über die gesamte Lebensdauer des Contrails. Abschließend ist das Projekt in anwendbarer Form über GitHub der Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Nach einer Einarbeitung in den zugrundeliegenden Algorithmus sowie den aktuellen Stand der Implementierung sind zunächst Testfälle zu entwickeln, welche im Folgenden eine Evaluation des Programms bzgl. Korrektheit, Präzision und Effizienz erlauben. Anschließend sind unter Zuhilfenahme geeigneter Werkzeuge potenzielle Verbesserungsmöglichkeiten bezüglich der Präzision und Rechenzeit zu identifizieren und nach Absprache mit dem Betreuer zu implementieren. Anschließend ist die aktuelle Implementierung so zu erweitern, dass die Möglichkeit der numerischen Integration über alle relevanten Wellenlängenbereiche, sowie die gesamte Lebensdauer des Contrails ermöglicht wird. Da sich die mikrophysikalischen Eigenschaften des Contrails über die Lebensdauer ändern, sind für die Integration geeignete Zeitschritte so zu wählen, dass die Präzision der Ergebnisse nur im akzeptablen Rahmen leidet. Abschließend ist eine Sensitivitätsanalyse der Eingangsdaten vorzunehmen. Basierend auf den Ergebnissen sind diese in geeigneter Weise zu diskretisieren und Look-Up Tables zu erstellen.

Im Zuge der Adaption des Quellcodes ist dieser insgesamt zu kommentieren und in geeignetem Umfang zu dokumentieren. Schließlich ist das Projekt unter Wahl einer geeigneten Open-Source Lizenz nach Absprache mit dem Betreuer auf GitHub der Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen. Dazu zählt auch die Verfassung einer README.md zur Installation und Anwendung des Programms.

Betreuer: Sebastian Götz