Die Erdsystemwissenschaften untersuchen die physikalischen, chemischen, biologischen und geologischen Prozesse sowie deren Wechselwirkungen, die den Planet Erde formen und verändern. Im Mittelpunkt stehen Klima- und Umweltveränderungen, Stoff- und Energiekreisläufe, Naturgefahren, die Dynamik von Landschafts- und Ökosystemen, die nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen sowie die Wechselwirkungen zwischen Mensch und Umwelt. Sie schaffen damit die Grundlage, heutige Veränderungen im Kontext der Erdgeschichte zu verstehen und zukünftige Entwicklungen zu modellieren.

Als interdisziplinäres Forschungsfeld vereinen die Erdsystemwissenschaften Disziplinen wie Bodenkunde, Geochemie, Geoinformatik, Geophysik, Geowissenschaften, Glaziologie, Hydrologie, Ingenieurgeologie, Klimatologie, Meteorologie, Ozeanographie, Ökologie und Umweltwissenschaften.

Die zahlreichen Teildisziplinen der Erdsystemwissenschaften erzeugen heterogene Forschungsdaten aus Satellitenfernerkundung, In-situ-Messungen, Laboranalysen, Feld- und Messkampagnen sowie numerischen Modellen. Dabei entstehen umfangreiche Beobachtungs-, Simulations- und Referenzdaten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Zu den typischen Forschungsdaten zählen Klima- und Wetterdaten, Ozean- und Bodendaten, Biodiversitätsdaten, geochemische Messreihen sowie Geodaten und geochronologische Daten. Das Forschungsdatenmanagement spielt eine zentrale Rolle, um diese vielfältigen Datensätze standardisiert zu dokumentieren, langfristig verfügbar zu machen und für interdisziplinäre Analysen nachnutzbar zu halten.

Zentrale Anlaufstellen das zum FDM in den Erdsystemwissenschaften sind das Konsortium NFDI4Earth der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) und der Fachinformationsdienst Geowissenschaften (FID GEO).

Wir fassen hier einige Informationen zum FDM in den Erdsystemwissenschaften zusammen und stellen weitere disziplinspezifische FDM-Angebote und Services vor. Ihnen fehlt ein Angebot? Sie finden Zusammenhänge nicht ganz richtig dargestellt oder haben Fragen? Wir freuen uns auf Ihre Mail.

Neben institutionellen Forschungsdatenpolicies und Vorgaben von Forschungsförderern spielen folgende fachlich einschlägigen Dokumente eine Rolle, die die FAIR-Prinzipien sowie den Gedanken von Open Data im Forschungsdatenmanagement unterstützen:

• NFDI4Earth FAIRness and Openness Commitment
• Commitment Statement in the Earth, Space and Environmental Sciences

Die Beschreibung von Forschungsdaten mit Metadaten erhöht die Qualität der Daten und ist eine grundlegende Voraussetzung für deren Nachnutzung. Zum Beschreiben kann man auf Vorlagen wie Metadatenschemata oder Data Description Templates zurückgreifen. Diese Vorlagen helfen dabei, Informationen über die Forschungsdaten im Sinne einer umfassenden Dokumentation konsistent bereitzustellen.

Vorlagen zur Datenbeschreibung

Für Daten aus den Erdsystemwissenschaften gibt es z. B. die Data Description Templates for data publications with GFZ Data Services, verschiedene Templates von PANGAEA - Data Publisher for Earth & Environmental Science oder die Datasheets for Earth Science Datasets (siehe dazu auch den Artikel Datasheets for Earth Science Datasets). Weitere Templates werden von EarthChem bereitgestellt (für z. B. Analysemethoden oder unterschiedliche geochemische Daten),

Für die Aufbereitung von Datentabellen stellt PANGAEA die Data Curation Checklist bereit. Das Softwarepaket in Python und R hilft, häufige Probleme mit Datentabellen zu überprüfen und zu lösen, bevor sie an ein Datenarchiv wie PANGAEA übermittelt werden.

Zur Beschreibung und Referenzierung von Proben eignet sich besonders die International Generic Sample Number (IGSN). Die IGSN ist eine weltweit eindeutige, dauerhafte und domänenunabhängige Kennung für Materialproben, sie hat ihre Wurzeln in den Erdsystemwissenschaften, gilt jedoch heute für Proben aus allen Disziplinen. IGSNs werden z. B. über den GFZ IGSN-Service vergeben. Der Service umfasst das Angebot zur IGSN-Registrierung, die Betreuung des Probenkatalogs und eine umfassende Beratung zu Best Practices für Proben-Metadaten und deren Auffindbarkeit.

Das Field Acquired Information Management Systems (FAIMS)3 ist ein Open-Source-Tool für die Offline-Felddatenerfassung.

Metadatenschemata

Disziplinspezifische Metadatenschemata können in den einschlägigen Verzeichnissen (siehe Metadaten und Metadatenstandards, z. B. fairsharing.org) gefunden werden. Überlegungen hinsichtlich eines erdsystemwissenschaftsbezogenen Metadatenschemas wurden in Recommendations for Earth System Sciences Metadata Provision angestellt. Im Folgenden werden zwei in den Erdsystemwissenschaften häufig genutzte Schemata kurz vorgestellt.

ISO 19115

Um die Dokumentation raumbezogener Geodaten zu unterstützen, hat die International Organization for Standardization (ISO) die Norm ISO 19115 entwickelt, diese trägt den Titel Geographic information - Metadata. Es wurde eine Reihe weiterer ISO 191**-Normen entwickelt, um die Norm 19115 zu aktualisieren, zu erweitern und zu ergänzen, z. B. enthält ISO 19115-2:2019 Erweiterungen für Bild- und Rasterdaten. Das British Geological Survey National Geoscience Data Centre ist eine von vielen Datenbanken weltweit, die ISO 19115 nutzen.

Geographic Tagged Image File Format (GeoTIFF)

Das GeoTIFF-Format (Geographic Tagged Image File Format) wird in der Geodaten- und Erdsystemwissenschaftscommunity zur Beschreibung geografischer Bilddaten verwendet. GeoTIFF basiert auf dem TIFF-Format und wird als Austauschformat für georeferenziertes Rasterbildmaterial verwendet. GeoTIFF ist z. B. in den erdsystemwissenschaftlichen Datensystemen der NASA weit verbreitet.

Die Erfassung und Erforschung globaler Systeme beispielsweise durch Satelliten und Klimamodellierungen erzeugt große Datenmengen und erfordert oftmals den Einsatz von Hochleistungsrechnern. Die Erdsystemwissenschaften nehmen daher seit langem eine führende Rolle im Bereich des Hochleistungsrechnens und dem Umgang von Daten im Peta- und Exabyte-Bereich (1 Exabyte = 1 Mio Terabyte) ein. Prominente deutsche Institutionen in diesem Bereich sind das Deutsche Klimarechenzentrum (DKRZ), das Jülich Supercomputing Centre (JSC), das Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und insbesondere für den Bereich der Fernerkundung das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit seinem Earth Observation Center (EOC). Weitere umfangreiche Aktivitäten in diesem Bereich finden unter anderem am Alfred-Wegner-Institut (AWI), dem Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) sowie am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HRS) statt. Ergänzend sei hier außerdem das Deutsche Meteorologische Rechenzentrum (DMRZ) des Deutschen Wetterdiensts (DWD) genannt, dessen Wetterberechnungen nur durch Hochleistungsrechnen möglich sind. Neben den Kontaktstellen der jeweiligen Institutionen stellt die Interest Group High Perfomance Computing der NFDI4Earth einen wichtigen Anlaufpunkt für Forschende dar.

Der Umgang mit den damit verbundenen Datenmengen stellt eine enorme Herausforderung dar und ist Gegenstand verschiedenster Forschungsprojekte an den jeweiligen Institutionen. Eng damit verbunden sind Fragen nach der Reproduzierbarkeit, insbesondere weil viele der Simulationen nicht wiederholt oder deren Ergebnisse dauerhaft in vollem Umfang gespeichert werden können (z. B. Bush et al. 2020). Weitere Fragestellungen betreffen die Vergleichbarkeit verschiedener Modelle. Letzteres wird unter anderem durch das Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project adressiert.

Doch nicht immer sind Hochleistungsrechner für die rechnerische Beantwortung erdsystemwissenschaftlicher Fragestellungen nötig. So werden beispielsweise am GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung unter anderem geodynamische Modellrechnungen vorgenommen und thermodynamische Modellierungen helfen bei der Erforschung von Mineralreaktionen und -vergesellschaftungen. Diese Berechnungen können üblicherweise auf einem leistungsfähigen Desktop-Computer erfolgen.

Das Veröffentlichen von Forschungsdaten trägt dazu bei, Forschung transparenter und reproduzierbar zu gestalten. Deshalb verlangen Forschungsförderer und Fachzeitschriften zunehmend, dass Forschungsdaten veröffentlicht werden, die im Rahmen der von ihnen geförderten Forschung generiert wurden oder den in Zeitschriften veröffentlichten Artikeln zugrunde liegen.

Die Coalition for Publishing Data in the Earth and Space Sciences hat zentrale Dokumente zum Veröffentlichen von Daten publiziert: Das Commitment Statement To Enabling Fair Data In The Earth, Space, And Environmental Sciences enthält Leitlinien für die Veröffentlichung von Forschungsergebnissen wie Daten, Software, Protokollen und Proben. Daten sollen demnach nicht mehr als Supplements von Artikeln in Fachzeitschriften veröffentlicht, sondern über Repositorien zugänglich gemacht werden. Die Author Guidelines For Enabling Fair Data In The Earth, Space, and Environmental Science sprechen fachlich einschlägige Empfehlungen zum FAIRen Veröffentlichen von Daten aus.

Es gibt eine Reihe fachspezifischer Forschungsdatenrepositorien, die zur Veröffentlichung von Daten aus den Erdsystemwissenschaften genutzt werden können. Eine Übersicht über fachspezifische Datenrepositorien aus dem Erdsystemwissenschaften finden Sie auf re3data.

Eine weitere Möglichkeit, Forschungsdaten zu veröffentlichen, sind Datenjournale. Datenjournale veröffentlichen Artikel, in denen Forschungsdaten ausführlich beschrieben (nicht interpretiert) werden. Die Artikel verweisen auf die beschriebenen Forschungsdaten, die in Datenzentren/Datenrepositorien hinterlegt wurden und über DOIs verfügen. Beides, die Datenbeschreibung und die publizierten Daten selbst, werden einem Peer-Review-Verfahren unterzogen. Beispiele für Datenjournale aus dem Bereich der Erdsystemwissenschaften sind:

• Earth System Science Data (ESSD)
• Geoscience Data Journal
• Geoscientific Model Development (GMD)
• Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems (GI)

Viele der unter Veröffentlichen und Archivieren genannten Repositorien stellen zugleich die wichtigsten Quellen für nachnutzbare Daten dar. Der OneStop4All der NFDI4Earth erlaubt die Suche nach einzelnen Datensätzen über verschiedene Repositorien hinweg.

GeoNames

Die Datenbank GeoNames enthält über 25 Millionen geografische Namen, darunter 4,8 Millionen besiedelte Orte und 16 Millionen alternative Namen.

Die Datenbank ist eine wichtige Quelle für geografische Referenzdaten für GIS-Anwendungen und -Produkte. Außerdem wird sie von zahlreichen Organisationen wie UN-Organisationen, Regierungsstellen, gemeinnützigen Organisationen, und in der Forschung, z. B. in den Geowissenschaften oder der Archäologie, als maßgebliche Quelle für geografische Informationen genutzt.

Eine zentrale Initiative im Bereich der Erdsystemwissenschaften mit Blick auf die Gute Wissenschaftliche Praxis ist das NFDI4Earth FAIRness and Openness Commitment. Diese Initiative trägt dazu bei, die Community in die Gestaltung und Umsetzung der NFDI4Earth-Agenda einzubinden. Ein weiteres Ziel der NFDI4Earth besteht darin, Praktiken aus den Bereichen FAIRe und offene Daten eine größere Rolle im System der Forschungsbewertung zu sichern. Weitere Informationen dazu finden sich unter: Integrating FAIR and open research data management practices in academic rewarding systems.

Mit den breiteren ethischen Aspekten erdsystemwissenschaftlicher Forschung, also deren Auswirkungen auf Mensch und Umwelt, beschäftigt sich der Bereich Geoethik. In Deutschland ist das Thema auf institutioneller Ebene in Gestalt des Forums „Geoethik und internationale Zusammenarbeit“ des Berufsverbands Deutscher Geowissenschaftler e.V. (BDG) verankert. International schaffen die International Association for Promoting Geoethics, die IUGS Commission on Geothetics und der CIPSH Chair in Geoethics Bewusstsein für geoethische Themen. Einen umfassenden Überblick zum Thema bietet das Buch Geoethics: Manifesto for an Ethics of Responsibility Towards the Earth. Weitere aktuelle Forschung auf dem Gebiet wird insbesondere im Journal of Geothetics publiziert.

Wichtige Leitlinien für die ethisch korrekte Durchführung erdsystemwissenschaftlicher Forschung auf dem Gebiet indigener Völker, auch mit Blick auf dort befindliche Rohstoffe, geben die CARE Principles for Indigenous Data Governance sowie die darauf aufbauenden Implementierungshinweise für geowissenschaftliche Repositorien. Darüber hinaus können vergleichbare Hinweise eng verwandter Fächer wie beispielsweise der Biodiversitätsforschung wertvolle Informationen für die Implementierung der CARE-Prinzipien in der eigenen Forschung bieten. Siehe dazu den Artikel Applying the ‘CARE Principles for Indigenous Data Governance’ to ecology and biodiversity research.

NFDI4Earth stellt Übersichten zu kostenlosen Schulungsmaterialien bereit: Online-Selbstlernkurse sowie über 500 qualitätsgesicherte Materialien in unterschiedlichen Formaten.

Das Kapitel All About Data der Vorlesung An Introduction to Earth and Environmental Data Science bietet einen breiten Überblick über Datenformate, Austauschprotokolle und bewährte Praktiken in den Erd- und Umweltwissenschaften.

Der Geospatial Workshop von Data Carpentry vermittelt Datenstrukturen sowie gängige Speicher- und Übertragungsformate für Geodaten und bietet eine Einführung in R für Geodaten, einschließlich der Arbeit mit Raster- und Vektordaten.