Suche nach der Zukunftsformel

Hitzewellen, Stürme und Starkregen - wie sieht unsere Welt in 20, 50 oder 100 Jahren aus? Diese Frage ist nicht nur wissenschaftlich relevant, sie trifft uns alle in unserem Alltag. Doch wie lassen sich die Folgen des fortschreitenden Klimawandels vorhersagen? Welche Rolle spielen insbesondere die Prozesse in der Arktis? Was uns erwartet, versuchen Forscherinnen und Forscher mit Klimamodellen abzuschätzen.

„Das beeinflusst auch die Atmosphäre über Mitteleuropa“, sagt der Wissenschaftler. „Je besser wir solche Zusammenhänge verstehen, umso eher gelingt es, diese in Klimamodelle einzufügen.“ Nicht allein Klimasimulationen, die in die weitere Zukunft weisen, würden dadurch verbessert, sondern auch Wettermodelle, die die Aussichten für die nächsten Tage angeben.
 
Im Grunde sei ein Klimamodell eine gewaltige Rechenaufgabe, sagt Annette Rinke, eine der Leiterinnen des MOSAiC-Modellierungs-Teams. „Man benötigt Formeln, die beispielsweise beschreiben wie viel Wärme ausgetauscht wird zwischen der Atmosphäre, dem Boden und dem Ozean, wie sich Luftmassen bewegen, wie Niederschläge verteilt werden und so weiter.“ Denn das Klima ist dynamisch. Wenn etwa die Durchschnittstemperatur steigt, ist das Eis im Nordpolarmeer dünner und hat mehr offene Wasserflächen – hier wärmt sich im Sommer das Wasser dank Sonnenstrahlung stärker auf und gibt im Herbst länger Wärme in die Atmosphäre zurück, so dass die ursprünglich angenommene Wärmebilanz nachgebessert werden muss. „Dieses Beispiel zeigt, warum Klimamodelle sehr schnell sehr komplex werden“, sagt die AWI-Wissenschaftlerin. „Und dass sie zwangsläufig Ungenauigkeiten haben.“

Dennoch, gerade beim Meereis zeigen  Modelle, die Ozean und Atmosphäre miteinander verknüpfen, oftmals weniger Verlust an als in der Realität jeden Sommer zu sehen ist, berichtet Annette Rinke. „Das zeigt, dass es Rückkopplungen in und zwischen beiden Systemen gibt, die wir noch nicht ausreichend verstanden haben.“ Wie sich weniger Eis auf den Wärmehaushalt und umgekehrt weiteres Abschmelzen auswirkt, ist den Forschern natürlich bekannt und in die Modellalgorithmen eingepflegt. Allerdings genügen diese Prozesse allein nicht, um die Abweichung schlüssig zu erklären. „Es muss weitere geben“, sagt Rinke. „Vor allem die Rolle der Mischphasenwolken, die bei tiefen Temperaturen noch flüssiges Wasser enthalten, für die Wärmebilanz und der turbulente Austausch von Wärme, Feuchte und Impuls sowie Gasen zwischen dem Ozean und den ersten Metern der Lufthülle ist aus Atmosphärensicht zu wenig verstanden.“

Supercomputer mit 100.000 Prozessorkernen
 
Gerechnet werden Klimamodelle unter anderem am AWI in Bremerhaven sowie am Deutschen Klimarechenzentrum in Hamburg (DKRZ). Der Supercomputer dort ist spezialisiert auf Klimarechnungen. Sie erfordern nicht nur viel Leistung, sondern auch viel Speicherplatz. Mehr als 100.000 Prozessorkerne hat die aktuelle Maschine, sagt Jana Meyer vom DKRZ. „Die Modelle werden eigens so programmiert, dass sie in viele Teilaufgaben zerlegt werden können, die parallel von den einzelnen Kernen berechnet werden.“ Ebenso wichtig ist auch der rasche Datenaustausch zwischen den Prozessorkernen, schließlich gehen beim Klima viele Dinge ineinander über – man denke nur an einen Sturm, der sich in allen drei Raumrichtungen ausbreitet und fortbewegt. Auch das muss der Supercomputer nachvollziehen können.

Auch die Wettervorhersage wird genauer

Damit können Klimamodelle noch feiner aufgelöst beziehungsweise mit zusätzlichen Parametern berechnet werden, die unter anderem von der MOSAiC-Expedition herrühren. Die höhere Genauigkeit ist keineswegs nur von akademischem Interesse, wie Annette Rinke am Beispiel der Arktis deutlich macht: „Eine präzise Meereis-Vorhersage ist wichtig für die Schifffahrt, die immer weiter zunimmt, da über die Nordrouten Zeit und Kraftstoff gespart werden können.“ Auch das Wetter in Mitteleuropa wird von der Arktis beeinflusst: Friert zum Beispiel das Meer im Spätherbst langsamer zu, steigen mehr Wärme und Feuchtigkeit auf. Über mehrere Zwischenschritte stört dies das Starkwindband in unseren Breiten, den Jetstream. „Infolgedessen können sich Wetterlagen für längere Zeit über Europa stabilisieren und festsetzen.“

Die rund 170 an MOSAiC beteiligten Wissenschaftler haben eine Fülle von Daten erhoben, um solche Details genauer zu fassen. Ellen Damm erforscht seit gut 20 Jahren biogeochemische Kreisläufe in der Arktis. „Das sind zum Beispiel die Wege, die das Treibhausgas Methan nimmt“, sagt die AWI-Forscherin. Freigesetzt wird es aus tauendem Permafrostboden oder wenn sich Gashydrate am Meeresboden auflösen. „Viele haben die Vorstellung: Am Meeresgrund macht es blobb, Gasblasen steigen auf und entweichen in die Atmosphäre.“ Doch das stimme so nicht. „Ein größerer Teil wird im Wasser oxidiert zu Kohlendioxid“, sagt sie. „Außerdem ist das Meerwasser im Sommer geschichtet, so dass kaum etwas in höhere Schichten gelangt, ein Austausch ist erst im Winter möglich.“ Genaue Messungen dazu gab es bisher kaum, da die meisten Forschungsfahrten im Sommer stattfinden.

MOSAiC war für Ellen Damm eine große Chance. Von Dezember 2019 bis Juni 2020 war sie an Bord der „Polarstern“ beziehungsweise an den Messpunkten auf dem Eis. Mit ihrem Team hat sie Eiskerne und Wasserproben entnommen, um ihre chemische Zusammensetzung zu bestimmen.
Zurück in Bremerhaven ist die Forscherin begeistert. „Wir haben tolle Daten“, sagt sie. Das heißt: Die vermuteten Transportwege von Methan, aber auch chemische Reaktionen, können sie und ihr Team endlich genauer beziffern. Die Auswertung dauert noch an, erste wissenschaftliche Publikationen werden vorbereitet. Diese werden von weiteren Fachkollegen begutachtet und diskutiert, so dass die Wissenschaftler ein immer besseres Bild davon bekommen, wie der Methankreislauf in der Arktis funktioniert. Diese Erkenntnisse werden dann in Programmcodes übersetzt, um Klimamodelle weiter zu verbessern.

So wie Ellen Damm geht es vielen Forscherinnen und Forschern. „Wir haben mit MOSAiC einzigartige Daten erhoben, insbesondere zu dem gekoppelten Klimasystem der Arktis im Winter, sagt Annette Rinke, die als Modelliererin einen guten Überblick hat. „Das ermöglicht uns, maßgebliche Prozesse besser zu verstehen und in Modelle einfließen zu lassen.“ Etwas Geduld müsse man aber haben. „Bis erste Neuerungen in Klimamodellen ankommen, kann es durchaus vier, fünf Jahre dauern.“