Die arbeitende Atmosphäre

„Die Ergebnisse sind zwar beeindruckend und geben die reale Entwicklung des Klimas mit immer geringeren Fehlerbalken wieder“, so Kleidon. „Aber es absolut entscheidend, dass wir diese Ergebnisse auch in der Öffentlichkeit kommunizieren können – und das wird immer schwieriger, je komplexer die Simulationen werden. Und zweitens befürchte ich, dass wir uns in falscher Sicherheit wiegen, wenn wir nur auf die zu erwartende durchschnittliche Temperaturentwicklung schauen. Denn es könnte gut sein, dass der Klimawandel sich hin zu den Temperaturen am oberen Rand der Kalkulationen bewegen wird und wir den Klimawandel unterschätzen.“ Wenn wir also denken, dass wir zwar das 1,5-Grad-Ziel des Pariser Klimaabkommens verfehlen und auf 2 Grad Erwärmung zusteuern – was schon immense Probleme mit sich brächte –, so könnte die reale Temperaturerhöhung ein ganzes Stück höher ausfallen. Noch dazu erwärmt sich das Land stärker als das Meer, und Regionen wie Europa überproportional.

Klimakalkulation ohne Supercomputer

Kleidon hat deshalb gemeinsam mit Kollegen versucht, ein sehr viel einfacheres Verfahren zur Klimamodellierung zu entwickeln, das auf wenigen physikalischen Prinzipien basiert und die kleinteiligen Wettergeschehnisse gar nicht explizit aufnimmt. Die Idee dahinter: Wenn es mit diesem Modell gelingt, die Strahlungsbilanz und den Wärmetransport in der Atmosphäre geschickt darzustellen, dann kann man zwar keine detaillierten Aussagen – etwa zu Wetterextremen – machen. „Aber wir können dann mit Hilfe übergeordneter Prinzipien zentrale Aussagen zur Entwicklung der Bodentemperatur machen, denn die Temperatur ist im Wesentlichen durch die Strahlungsbilanz bestimmt.“

Ausgangspunkt des Modells, das Kleidon und seine Kollegen entwickeln, ist das physikalische Prinzip der Leistungsmaximierung: „Wir betrachten die Atmosphäre wie eine riesige Wärmekraftmaschine, die einen möglichst hohen Umsatz anstrebt.“ Letztlich handle es sich bei der Atmosphäre also um ein System, in dem jederzeit so viel Wärme wie möglich in mechanische Energie umgewandelt wird.

Emission und Konvektion

Der Unterschied zu den bisherigen Klimamodellen lässt sich gut an einem Beispiel einsehen: Die Sonnenstrahlung sorgt je nach Bewölkung für einen gut bekannten Energieeintrag auf der Tagseite der Erde, abhängig vom Breitengrad. Der Boden heizt sich auf und verliert diese Wärme zum einen Teil durch Abstrahlung Richtung Himmel – abhängig von Tag und Nacht sowie von der Bewölkung – und zum anderen Teil durch Konvektion – also durch die Erwärmung von Luftmassen, die diese Energie vertikal nach oben oder horizontal in andere Regionen transportieren.

Wenn der Boden sich erhitzt, führen Abstrahlung und Konvektion dazu, dass er sich wieder abkühlt. Dadurch verlangsamen sich diese kühlenden Prozesse wiederum. Im neuen Klimamodell wird all dies vereinfachend so dargestellt, dass die physikalische Leistung – also die Arbeit, mit der die Bewegung der Luftmassen angetrieben wird – einem Höchstwert zustrebt.

„Durch diese Betrachtungsweise vereinfacht sich die Berechnung der Oberflächentemperaturen enorm“, so Kleidon. Diese Simulationen könne man schon zuhause am Rechner laufen lassen und benötigt keinen Supercomputer mehr.

Das Verfahren ist noch neu, weshalb die Forscher um Axel Kleidon bislang nur relativ einfache Beispiele simulieren. „Aber wir können schon nachvollziehen, wie sich etwa die Oberflächentemperaturen in einer Wüste vom Regenwald tags und nachts unterscheiden“, sagt der Klimaforscher. Nach diesen Simulationen ergeben sich in der Wüste Temperaturdifferenzen zwischen Tag und Nacht von bis zu 25 Grad Celsius und mehr. Das entspricht realen Beobachtungen.

Qualitatives Verständnis

Da diese ersten Simulationen schon sehr plausible Ergebnisse bringen, wollen die Wissenschaftler ihre Computerprogramme nun weiter ausbauen, um auch komplexere Landschaften darzustellen. „Wichtig ist uns ein gutes qualitatives Verständnis, um die Prozesse hinter dem Klimawandel auch in die Gesellschaft kommunizieren zu können“, führt Kleidon aus. „Der Betreuer meiner Masterarbeit hat einmal zu mir gesagt: Wenn du etwas nicht auf einem Briefumschlag abschätzen kannst, hast du es nicht verstanden.“ Und wenn schon die Klimaforscher mit hochkomplexen Computersimulationen arbeiten, die sie selbst immer nur zum Teil durchschauen, dann wird eine transparente Kommunikation mit der Öffentlichkeit schwierig.

„Auch für unsere Lehrveranstaltungen mit jungen Studenten sind einfachere Klimamodelle wichtig“, schließt Kleidon. Denn eines ist sicher: Der Klimawandel wird in den kommenden Generationen global das bestimmende Thema für alle gesellschaftlichen Transformationen sein – und man kann nicht genug junge Leute dafür interessieren.