Häufige Missverständnisse beim Klimawandel: Klimamodelle

Beitrag auf dem Yale Climate Media Forum von Zeke Hausfather, frei übersetzt von Maiken Winter; überarbeitet von Dr. Hans Richard Knoche, Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Forschungszentrum Karlsruhe

Nur wenige Themen im Bereich Klimawandel entfachen hitzigere Debatten als die scheinbar langweiligen Klimamodelle. Kritiker meinen, dass Klimamodelle zu subjektiv sind, dass Wissenschaftler Parameter so zurechtrücken, dass die Modelle genau das ergeben, was die Wissenschaftler sehen wollen, oder dass Klimamodelle einfach eine tolle Übung darin sind, Kurven an Daten anzupassen, um irgendwelche unhaltsamen Vorhersagen zu machen.

Die „General Circulation Models“ (Allgemeine Zirkulations-Modelle), die zur Modellierung des zukünftigen Klimas verwendet werden, sind sehr komplex, und werden daher im Allgemeinen mit den leistungsfähigsten Super-Computern berechnet, wie z. B. dem neuen Super-Computer, der in Grossbrittannien am 14.1.2008 eingeweiht wurde. Wie alle Modelle sind Klimamodelle natürlich nie perfekt. Jedoch gibt es ausreichend Gründe, den Prognosen der Klimamodelle eine wichtige Rolle zuzugestehen.

Klimamodelle basieren auf allgemein bekannten physikalischen Gesetzen, sowie auf langzeitigen Beobachtungen des Klimas. Gavin Schmidt, ein Wissenschaftler von NASA’s Goddard Institut, und Ko-Autor von RealClimate, teilt die Physik, die in Klimamodelle einbezogen wird, in 3 Kategorien ein:

Fundamentale physikalische Prinzipien: z.B. Gesetze zur Erhaltung von Energie, Impuls (Bewegung) und Masse sowie von aus fundamentalen physikalischen Prinzipien abgeleitete Gleichungen.

Theoretische Physik, die gut bekannt ist, aber deren Prozesse nur durch mathematische Berechnungen geschäzt werden können. Dazu gehören Prozesse wie der Transfer von Strahlung durch die Atmosphäre.

Empirisch bekannte Physik wie zum Beispiel Formeln für die Verdunstung als Funktion von Windgeschwindigkeit, Temperatur, und Luftfeuchtigkeit.

Klimamodelle haben nicht viel Platz zum „Mogeln“

Trotz ihrer Komplexität beinhalten Klimamodelle erstaunlich wenige Parameter, die von Wissenschaftlern verändert werden können. Diese umfassen:

a) Parameter, die in empirischen Modellgleichungen auftreten, und sich somit während der ganzen Modellsimulation auswirken,

b) Parameter, die das System spezifizieren (z.B. Topographie, Oberflächeneigenschaften). Diese sind oft nicht vollständig bekannt, und wirken sich ebenfalls über die gesamte Simulation aus, und

c) Parameter, die den Anfangszustand des Modells festlegen (Z.B. Bodentemperaturen). Diese Parameter sind ebenfalls nicht vollständig bekannt. Jedoch verlieren falsche Anfangswerte – innerhalb gewisser Grenzen – mit fortschreitender Simulationszeit an Bedeutung, führen also nicht grundsätzlich zu falschen Ergebnissen.

Die Auswirkungen unterschiedlicher Parameter auf die Ergebnisse werden durch Sensitivitäts-Analysen errechnet, bei denen die Ergebnisse unterschiedlicher Klimamodelle miteinander verglichen werden. Im Allgemeinen ist das durchschnittliche Ergebnis einer Reihe unterschiedlicher Modelle verlässlicher als die Ergebnisse einzelner Modelle.

Um zukünftige Klimaveränderungen abschätzen zu können, muss man verschiedene separate Schritte durchlaufen:

Man muss schätzen, wie hoch die Treibhausgas-Emissionen (z.B. CO2) und andere Antriebskräfte („forcings“) in der Atmosphäre (z.B. anthropogen und natürlich erzeugte Aerosole) in Zukunft sein werden. Dieser erste Schritt ist Ursache für die größten Unsicherheiten in Aussagen über die Klimaentwicklung. Wegen der komplexen Faktoren, die die Emissionen beeinflussen (z. B. Wirtschafts – und Bevölkerungswachstum, Entwicklung neuer Technologien, Grösse der Reserven für fossile Brennstoffe, Ausmass internationaler Konflikte und Zusammenarbeit) ist eine Voraussage der Emissionen prinzipiell nicht möglich. Man spricht daher von verschiedenen möglichen Emissionsszenarien. Somit gibt es letztlich auch keine Vorhersage mit Klimamodellen, sondern ebenfalls nur durchgespielte Klimaszenarien. Statt eine bestimmte Zukunft vorauszusagen, hat der Weltklimarat (International Panel of Climate Change; IPCC) daher versucht, einen angemessene Spannbreite für die zukünftige Entwicklung der Treibhausgas-Emissionen abzuschätzen. In einem speziellen Bericht über Emissions-Szenarien (Special Report on Emission Scenarios; SRES) beschreiben die Wissenschaftler verschiedene Szenarien, die innerhalb dieser Spannbreite liegen. Neue Szenarien helfen, die Spannbreite der zukünftigen Entwicklungen einzugrenzen, indem Simulationen unrealistischer Szenarien ausgeschlossen werden (z.B. Szenarien, die von einem Bevölkerungwachstum auf 15 Mia ausgehen).

Nachdem mögliche zukünftige Treibhausgas-Emissionen in die Modelle eingebaut sind, berechnen die Modelle den Strahlungsantrieb („radiative forcing“), der aus den entsprechenden Szenarien resultiert. Ausserdem werden Annahmen über Veränderungen natürlicher Antriebsfaktoren (z.B. Änderungen der solaren Ausstrahlung, und der Erd-Umlaufbahn, und vulkanischer Aktivität) in die Modelle einbezogen. All diese Berechnungen verwenden bekannte physikalische Eigenschaften von Gasen und Partikeln, so dass die Berechnungen relativ wenig Ungewissheit beinhalten. Eine grosse Ausnahme sind die Aerosole: die Ausmaße der direkten und indirekten Auswirkungen von Aerosolen auf das Klimasystem ist weiterhin relativ unklar.

Außerdem werden treibende Kräfte (climate forcings) und deren Rückkopplungs-Mechanismen („feedbacks“) in die Modelle mit einbezogen. Wichtige feedbacks sind z. B. die erhöhte Wasserdampf-Konzentration in der Atmosphäre (durch höhere Verdunstung und höhere Wasser-Kapazität der Luft bei höheren Luft-Temperaturen), stärkere Wolkenbildung, und Änderungen im Rückstrahlungsvermögen („Albedo“) der Erdoberfläche durch verringerte Schnee- und Eisbedeckung.

Der Einfluss von Wolken auf unser Klima ist weiterhin nicht gut verstanden. Eine bestimmte Änderung der treibenden Kraft (z. B. durch eine Verdopplung des atmosphärischen CO2 – Gehaltes von 280 ppm auf 560 ppm) kann daher nur relativ ungenau die zukünftige Temperatur vorhersagen, da Ungewissheiten über Rückkopplungsmechanismen relativ groß sind und die verschiedenen Klimamodelle in diesem Punkt zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Im Fall einer Verdoppelung des CO2-Gehaltes, variieren die Temperatur-Vorhersagen daher von einer Zunahmen von 2 bis 4.5ºC.

Wie kann man den Voraussagen von Klimamodellen über das Klima am Ende unseres Jahrhunderts vertrauen, wenn es so viele Unsicherheiten bei der Erstellung der Modelle gibt?

Kein Klimamodell ist perfekt. Einzelne Teile der Klimamodelle können in Laboratorien getestet werden (z.B. die Menge der langwelligen Strahlung, die von Treibhausgasen absorbiert wird), aber die letztendliche Entwicklung des Klimas kann schwer getested werden aufgrund der grossen Anzahl von Wechselwirkungen und Rückkopplungsprozesse die dabei eine Rolle spielen.

Durch Simulation der vergangenen Klimaentwicklung kann die Gültigkeit von Klimamodellen getestet werden

Es gibt allerdings doch eine Möglichkeit, die Gültigkeit existierender Klimamodelle zu prüfen, indem man nämlich das vergangene Klima mit den existierenden Modellen nachsimuliert und prüft, wie genau das Ergebnis mit dem tatsächlichen Klima eines bestimmten Zeitraumes übereinstimmt. Klimamodelle können alle möglichen Begebenheiten reproduzieren, wie z. B. die Abkühlung der Ozeane während der letzten Eiszeit, Temperaturveränderungen während des letzten Jahrhunderts, oder eine stärkere Temperaturerhöhung an den Polen. Jedoch basieren Klimamodelle natürlich darauf, was wir durch Beobachtungen vergangener Klimaentwicklungen gelernt haben. Daher sind solche Tests nicht unabhängig von den Klimamodellen, deren Gültigkeit getestet werden sollen.

Um die Aussagekraft der Klimamodelle eindeutig zu prüfen, müsste man die Vorhersagen der Modelle mit den tatsächlichen Entwicklungen des Klimas vergleichen. Dazu haben wir aber leider keine Zeit. Aber wir können die Vorhersagen früherer Modelle mit dem heutigen Klima vergleichen, und sehen, wie gut diese früheren Klimamodelle unser heutiges Klima vorhergesagt haben

James Hansen, ein bekannter Klimatologe bei NASA, sagte 1988 vor dem U.S. amerikanischen Kongress aus, wie sich das Klima innerhalb der nächsten 30 Jahre verändern wird. Dazu verwendete er 3 Szenarien, die unterschiedliche Zunahmen von Treibhausgas-Emissionen annahmen: A:starke Zunahme, B: mittelere Zunahme, C: geringe Zunahme). Die Temperatur-Erhöhung folgte ungefähr dem „B“ Szenarium, welches Hanson auch als am wahrscheinlichsten angenommen hatte. Die Übereinstimmung der Vorhersage des „B“ Modelles mit den beobachteten globalen Temperaturveränderungen zeigen deutlich, dass Hansen’s Klimamodell die tatsächliche Entwicklung gut vorhersagen konnte. Seine Modelle konnten sogar die voübergehende globale Abkühlung im Jahr 1991 – nach dem Ausbruch von Mt. Pinatubo – richtig vorhersagen. Heutige Klimamodelle basieren auf einem weit grösseren Verständnis unseres Klimas – die Voraussagen heutiger Modelle sind daher noch vertrauenswürdiger als Hansen’s frühe Modelle.

Klimamodelle basieren auf physikalischen Grundprinzipien und auf langzeitigen Beobachtungen des Klimas. Sie sind daher nicht einfach eine Ansammlung subjektiver Annahmen von Wissenschaftlern, wie es oft von Skeptikern angenommen wird. Natürlich gibt es – auf Grund der extrem hohen Komplexität des Systems – viele Unsicherheiten über die exakten Auswirkungen verschiedener atmosphärischer Komponenten auf unser Klima. Dennoch ermöglichen die Modelle ein beseres Verständnis ueber die Ursachen und Auswirkungen der anthropogen erzeugten Treibhausgas-Emissionen, die ohne Modelle nicht möglich wären.

Maiken Winter

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