Klimamodell statt Glaskugel: Wie sagen wir Klimatrends voraus?

Der Kli­mawan­del wird heutzu­tage als größte Bedro­hung der Men­schheit betitelt. Poli­tik­er aus aller Welt kom­men auf den UN-Kli­makon­feren­zen zusam­men, um Möglichkeit­en zu disku­tieren, wie der Kli­mawan­del bekämpft wer­den kann. Doch woher wis­sen wir, dass sich das Kli­ma tat­säch­lich wan­delt? Wie kön­nen wir mit Bes­timmtheit sagen, dass der Kli­mawan­del men­schengemacht ist? Und woher wis­sen wir, wie die Erde in 100 Jahren ausse­hen wird?

Antworten auf diese Fragen geben Klimamodelle

Mod­elle im All­ge­meinen helfen dabei, (Natur-)Zustände in ein­fach­er Form zu beschreiben, da es zu kom­pliziert ist, die Wirk­lichkeit darzustellen. Zum Beispiel stellt das Erd­kli­ma ein sehr kom­plex­es Sys­tem dar, in welchem viele ver­schiedene Akteure, wie z.B. die Atmo­sphäre, das Meer und das Fes­t­land sich gegen­seit­ig bee­in­flussen, so dass es für die Wis­senschaft nicht ein­fach ist, dieses Sys­tem zu beschreiben.

Kli­mamod­elle basieren auf math­e­ma­tis­chen Beschrei­bun­gen der Wirk­lichkeit – physikalis­che Gle­ichun­gen. Mit Hil­fe dieser Gle­ichung kann beschrieben wer­den, wie viel Sonnenen­ergie auf die Erde trifft, wie viel wo reflek­tiert wird und bei welchen Tem­per­a­turen die Erde im Gle­ichgewicht ist.

Wie schon oben erläutert, müssen ver­schiedene Akteure in Betra­cht gezo­gen wer­den. Deswe­gen basieren die kom­pliziert­eren Kli­mamod­elle darauf, die Atmo­sphäre, das Meer, das Fes­t­land und (Gletsch­er und Eis an den Polarkap­pen) zuerst einzeln zu beschreiben. Dies sind Beispiele für Fak­toren inner­halb dieser Akteure, die beachtet wer­den müssen:

• Atmo­sphäre: Druck, Gaskonzen­tra­tio­nen, drei-dimen­sion­ale Winde, Wellen­län­gen der von der Sonne kom­menden Strahlung
• Meere: Phy­to­plank­ton, der Eisen-Zirkel, Strö­mungen, Gezeiten
• Land: Wald­brände, Vulka­naus­brüche, Wälder, Landnutzung
• Eis: im Eis gefan­gene Gase, das Alter ver­schieden­er Teile des Eis­es [1]

Klein aber fein: So baut man ein Klimamodell

Der näch­ste Schritt in der Entwick­lung des Kli­mamod­ells beste­ht darin, die Mod­elle der einzel­nen Akteure miteinan­der zu verknüpfen, so dass daraus ein Gesamt­mod­ell entste­ht, welch­es die Inter­ak­tio­nen zwis­chen Land, Meer und Atmo­sphäre beschreibt.

Bevor die Sim­u­la­tion ges­tartet wer­den kann, wird die Erde in kleine Zellen (ca. 100 km Weite) unterteilt, da aktuelle Com­put­er nicht in der Lage sind, den gesamten Plan­eten mit all seinen Details zu berech­nen. Aus diesem Grund wird das Kli­mamod­ell für jede einzelne Zelle mit allen ver­füg­baren Para­me­tern, wie zum Beispiel Tem­per­atur, Luft­druck, Nieder­schlag und Wolken, berech­net. Am Ende wer­den alle Zellen wieder zusam­menge­set­zt, um uns ein Bild der gesamten Erde zu liefern. Aber nicht nur der drei­di­men­sion­ale Raum ist in Blöck­en unterteilt, son­dern auch die Zeit, die von den Kli­mamod­ellen beschrieben wird. Die Mod­elle kön­nen also z.B. nur Zustände alle halbe Stunde beschreiben, nicht aber, was zwis­chen­durch passiert.

Mit Hil­fe der math­e­ma­tis­chen Gle­ichun­gen und der in Zellen unterteil­ten Erde, kann nun das Kli­mamod­ell ges­tartet wer­den. Hier­für müssen ver­schiedene Anfangspa­ra­me­ter eingeben wer­den, also zum Beispiel wann die Sim­u­la­tion ges­tartet wer­den soll, die Art der Sonnene­in­strahlung, die Anzahl an Vulka­naus­brüchen, der Grad der Ent­wal­dung, Treib­haus­gas-Konzen­tra­tio­nen etc. Diese Para­me­ter wer­den aus tat­säch­lichen Beobach­tun­gen auf der Erde ent­nom­men. Nach vie­len Stun­den Rechen­zeit ergeben sich dann Aus­gangspa­ra­me­ter wie Tem­per­atur, Druck und Meer­esspiege­lanstieg und kön­nen z.B. visuell zusam­menge­set­zt wer­den (siehe Grafik weit­er unten).

Und darum macht man das

Die Idee hin­ter den Kli­mamod­ellen ist, dass sie uns das Kli­ma für beliebige Zeit­en vorher­sagen kön­nen. Sie müssen also in der Lage sein, sowohl frühere Eiszeit­en wie auch das let­zte Jahrhun­dert möglichst genau wiederzugeben. Denn nur so kön­nen wir sich­er sein, dass sie auch die Zukun­ft beschreiben kön­nen. Ein sehr pop­uläres Beispiel ist das let­zte Jahrhun­dert. Ver­schiedene Forschungs­grup­pen haben das Kli­ma in der Zeit von 1900 bis 2000 zum einen ohne men­schengemachte Fak­toren (nat­ur­al forc­ings) und zum anderen mit men­schengemacht­en Fak­toren (anthro­pogenic forc­ings) simuliert. Mit men­schengemacht­en Fak­toren sind zum Beispiel Luftver­schmutzun­gen und die von uns aus­gestoße­nen Treib­haus­gase gemeint. Ein Ver­gle­ich mit den tat­säch­lich gemesse­nen Dat­en ergibt ein deut­lich­es Bild: Nur die Mod­elle mit men­schengemacht­en Fak­toren stim­men mit der Wirk­lichkeit übere­in. Ein sehr stark­er Beweis für den anthro­po­ge­nen, also men­schengemacht­en Kli­mawan­del.[3]

Ein weit­eres Beispiel dafür, dass die Kli­mamod­elle funk­tion­ieren, ist der El Niño, ein Phänomen im Paz­i­fis­chen Ozean, der das Wet­ter weltweit bee­in­flusst. Bish­er gibt es keine schlüs­sige Erk­lärung für das El Nino-Phänomen. Dementsprechend gibt es keine Möglichkeit­en, dies in den Kli­mamod­ellen zu pro­gram­mieren. Und den­noch gener­ieren sie automa­tisch ihre eige­nen El Niños, indem sie die prinzip­iellen Grund­la­gen von Flüs­sigkeits­be­we­gun­gen ver­wen­den und dadurch in der Lage sind, ein für uns unerk­lärtes Phänomen zu simulieren.[1]

Blick in die Zukunft

Da die Kli­mamod­elle recht gut mit der Ver­gan­gen­heit übere­in­stim­men, kann man diese auch für Vorher­sagen in der Zukun­ft ver­wen­den. Forsch­er haben die Kli­mamod­elle bis 2100 laufen lassen und sich dafür ver­schiedene Szenar­ien über­legt. Diese Szenar­ien bein­hal­ten ver­schiedene Para­me­ter, die in die Mod­elle eingegeben wer­den: Menge an aus­gestoße­nen Treib­haus­gasen, Bevölkerungsan­zahl der Erde, Aus­maß der Land­nutzung, etc.

Der soge­nan­nte Weltk­li­marat (engl. Inter­gov­ern­men­tal Pan­el on Cli­mate Change, IPCC) hat fol­gende vier Szenar­ien (engl. Rep­re­sen­ta­tive Con­cen­tra­tion Path­ways, RCPs) verwendet:

• Strik­tes Min­derungs-Szenario (RCP2.6)
• Zwei Zwis­chen-Szenar­ien (RCP4.5 und RCP6.0)
• Ein Szenario mit hohem Treib­haus­gasausstoß (RCP8.5)

Busi­ness-as-usu­al Szenar­ien, also Szenar­ien in denen keine zusät­zlichen Anstren­gun­gen unter­nom­men wer­den, um die Emis­sio­nen zu min­dern, befind­en sich zwis­chen RCP6.0 und RCP8.5. RCP2.6 repräsen­tiert ein Szenario, in dem ver­sucht wird, das „unter 2°C – Ziel“ zu erre­ichen. [2] Die Ergeb­nisse wur­den aus ver­schiede­nen Kli­mamod­ellen zusam­menge­set­zt und ergeben fol­gende Grafik [3]:

Hier­bei sind vor allem zwei Dinge anzumerken:
1. Es ist deut­lich erkennbar, dass ein höher­er CO2-Aus­toß und dementsprechend ein ‚schlimmeres‘-Szenario zu höheren Tem­per­a­turen führt.
2. Die Fehler­balken sind teil­weise immens groß und lassen somit auf hohe Unsicher­heit­en schließen.

Deswe­gen stellt der Weltk­li­marat sich­er, dass er immer angibt, wie sich­er die Forsch­er mit ihren Aus­sagen sind. Hier ein Beispiel [3]:

“With respect to 1850–1900 mean con­di­tions, glob­al tem­per­a­tures aver­aged in the peri­od 2081–2100 are pro­ject­ed to like­ly exceed 1.5°C above 1850–1900 val­ues for RCP4.5, RCP6.0 and RCP8.5 (high con­fi­dence) and are like­ly to exceed 2°C above 1850–1900 val­ues for RCP6.0 and RCP8.5 (high con­fi­dence). Tem­per­a­ture change above 2°C rel­a­tive to 1850–1900 under RCP2.6 is unlike­ly (medi­um con­fi­dence). Warm­ing above 4°C by 2081–2100 is unlike­ly in all RCPs (high con­fi­dence) except for RCP8.5, where it is about as like­ly as not (medi­um confidence).”

Warum sind die Unsicherheiten teilweise so hoch?

Dafür gibt es mehrere Gründe: Der wahrschein­lich wichtig­ste Grund ist die Kom­plex­ität des Kli­mas. Es sind sehr viele Fak­toren einzu­berech­nen und obwohl die heuti­gen Kli­mamod­elle bere­its sehr kom­plex sind, sind sie nicht in der Lage, alles miteinzubeziehen. So sind zum Beispiel wichtige Fak­toren und “Feed­backs”, wie das Schmelzen der Per­mafrost­bö­den, nicht inbe­grif­f­en. Auch der Ein­fluss von Wolken wurde kaum mit ein­gerech­net, da diese ein an sich schw­er zu ver­ste­hen­des Sys­tem sind.

Hinzu kommt die Prob­lematik, dass sich Mod­elle teil­weise an Beobach­tun­gen der reellen Welt bedi­enen, um dann wiederum mit diesen Beobach­tun­gen zu ver­suchen, die reelle Welt zu simulieren. Dies kann zu einem Kreiss­chluss führen und muss bedacht wer­den. Ein weit­eres Prob­lem ist die Unterteilung der Erde in Blöck­en, sodass Prozesse auf klein­er Skala nicht betra­chtet wer­den können.

Aber eines ist sicher…

Trotz all dieser Unsicher­heit­en zeigen alle Kli­mamod­elle den gle­ichen Trend auf: Wir kön­nen mit Bes­timmtheit sagen, dass es den men­schengemacht­en Kli­mawan­del gibt und auch, dass es erhe­blich wärmer wer­den wird, wenn wir nichts dage­gen unternehmen.

Zudem kön­nen wir davon aus­ge­hen, dass die Kli­mamod­elle im Laufe der Zeit immer genauer wer­den, da Wis­senschaftler ihre Mod­elle mit neuge­wonnenen Beobach­tun­gen anpassen kön­nen. Dies bedeutet allerd­ings nicht, dass wir darauf warten, dass die Mod­elle uns mit größter Genauigkeit die Zukun­ft vorher­sagen kön­nen. Denn zu dem Zeit­punkt ist es bere­its zu spät.

Es muss jet­zt gehan­delt wer­den, um die vorherge­sagten Worst-Case-Szenar­ien nicht ein­treten zu lassen, son­dern eine Erder­wär­mung von möglichst nur 1.5°C beizubehalten.

Maya Büki (22) studiert Physik an der Uni­ver­sität Bonn und ist seit 2013 in der Kli­madel­e­ga­tion dabei. Sie inter­essiert sich beson­ders für die physikalis­chen Prozesse hin­ter dem Kli­mawan­del und welche Maß­nah­men dage­gen ergrif­f­en wer­den können.