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.
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