Wie lässt sich das Klima simulieren?

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Hamburg (dpa) - Dem neuen UN-Klimabericht liegen insgesamt fast 400 Simulationen zu Grunde. Eine der aufwändigsten stammt vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg. Entwickelt wurde das Klimamodell über Jahre unter der Federführung von Erich Roeckner, der den Ablauf einer solchen Simulation erklärt.

Im ersten Schritt haben unter anderem ÖKONOMEN im Auftrag des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) geschätzt, wie sich der Energieverbrauch in den nächsten Jahrzehnten voraussichtlich entwickeln wird, wie viele Menschen leben werden, welche Techniken sie nutzen und wie viel Öl und Gas sie dabei verfeuern. «Daraus ergeben sich 30 so genannte Emissionsszenarien - man beschreibt also für jedes Jahr der Zukunft die Menge an Treibhausgasen, die vermutlich in die Luft gelangen werden», sagt Roeckner.

Daraufhin berechnen zum Beispiel KOHLENSTOFF-KREISLAUFMODELLE, wie viel Kohlendioxid (CO₂) in jedem der künftigen Jahre in der Luft bleiben wird, denn der Ozean und die Pflanzen nehmen einen Teil dieser Gase auch wieder auf. Ergebnis ist eine voraussichtliche jährliche CO₂-Konzentration, die in die späteren Rechnungen eingeht.

Zudem kalkulieren die Forscher den STRAHLUNGSTRANSFER durch die Erdatmosphäre: Sonnenlicht dringt durch die Luftschichten, trifft auf die Erde und erwärmt sie. Ein Teil dieser Energie wird nicht ins All zurückgestrahlt, sondern von Treibhausgasen zurückgehalten. Je mehr Treibhausgase vorhanden sind, um so stärker erwärmt sich die Atmosphäre. «Hier sind alle Klimamodelle eng beieinander: Bei gleicher Änderung der CO2-Konzentrationen liefern sie mehr oder weniger die gleichen Strahlungsänderungen», sagt Roeckner.

Die höheren Temperaturen haben vielfältige Folgen, etwa für das Meereis. «Wenn es schmilzt, wird seine helle Oberfläche durch die dunkle des Wassers ersetzt. Eis strahlt bis 70 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung zurück, Wasser nur 10 Prozent. Die Differenz erwärmt das Wasser und schmilzt weiteres Eis - eine positive RÜCKKOPPLUNG», sagt der Max-Planck-Forscher. In einer wärmeren Atmosphäre wird zudem mehr Wasserdampf gespeichert. «Wasserdampf ist noch vor CO2 das wichtigste Treibhausgas. Dadurch bekommen wir eine weitere Erwärmung.»

Probleme machen den Forschern besonders die WOLKEN. Einerseits reflektieren Wolken Strahlung der Sonne ins All zurück, andererseits halten Eiswolken in hohen Schichten Wärme auf der Erde zurück. Weil ihre Rolle im geänderten Klima nicht genau bekannt ist, liegen die Temperaturberechnungen der verschiedenen Klimamodelle häufig auseinander.

Das Handwerkzeug der Klimaforscher ist die SIMULATION. Die Vorgänge in der Atmosphäre und im Ozean lassen sich mathematisch beschreiben und damit im Computer nachbilden. Dafür wird die Erde jeweils mit einem gedachten Gitternetz überzogen. Im Hamburger Atmosphärenmodell beträgt dessen Gitterweite etwa 200 Kilometer - so entstehen auf der Erdoberfläche 18 432 Punkte.

Wie die Schalen einer Zwiebel wölben sich darüber 31 Luftschichten, jede wiederum mit 18 432 Punkten. So ergeben sich 571 392 Gitterpunkte, an denen acht Gleichungen unter anderem Temperatur, Wind sowie den Wasser- und Eisgehalt beschreiben. Jeder Wert an einem einzelnen Punkt wirkt sich zu jeder Zeit auf seine Nachbarn aus. Ein ähnlicher Aufwand wird für den OZEAN getrieben - nur dass die Schichten hier in die Tiefe des Wassers ragen und dass statt Luft Wasser strömt. Beide Modelle beeinflussen einander.

Der Computer kalkuliert nun die entstehenden Änderungen und verwendet den jeweiligen Endpunkt als Anfang der neuen Rechnung. Das deutsche IPCC-Modell simuliert das Klima im 12-Minuten-Rhythmus bis zum Jahr 2100. Die riesigen Datenmengen füllen große Bandarchive.

Letztendlich berechnen die Klimaforscher mit alledem den STRAHLUNGSFLUSS durch die Atmosphäre, der von Wolken, CO2, dem Wasserdampf und vielem mehr bestimmt wird, sowie die daraus resultierenden Klimaänderungen. Die Variationsmöglichkeiten sind dabei so gigantisch, dass Klimaforscher auf der Basis der insgesamt 23 IPCC-Modelle nur Wahrscheinlichkeitsaussagen machen können. Exakte Vorhersagen können die Modelle prinzipiell nicht liefern.

Weitere Infos:

• Erklärungen der MPG-Klimaforscher zu ihren Simulationen:
  http://www.mpimet.mpg.de/fileadmin/grafik/presse/Klimaprojektionen2006.pdf