Thomas Krautwig

Klimamodelle: Wie das Klima der Zukunft berechnet wird

Das Klima der Erde verändert sich im Laufe der Zeit. Zum einen durch die interne Dynamik des Klimasystems, zum anderen durch externe Einflüsse. Um Aussagen über das weltweite Klima der Zukunft zu treffen, werden globale Klimamodelle verwendet. Denn Klimamodelle sind in der Lage, die Klimatrends der nächsten Jahrzehnte bis Jahrhunderte auf Basis konkreter physikalischer Gesetzmäßigkeiten und zusätzlicher Annahmen abzuschätzen. So werden beispielsweise der Einfluss durch den Menschen oder mögliche Entwicklungen der Treibhausgaskonzentrationen in den Annahmen berücksichtigt.

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Was sind Treibhausgase?

Das natürliche Klimasystem der Erde besteht aus mehreren Teilsystemen, sogenannten Sphären: Der gasförmigen Hülle der Erde (Atmosphäre), dem Lebensraum von Lebewesen (Biosphäre), der Erdkruste (Lithosphäre), der Erdoberfläche (Pedosphäre), den Wasservorkommen (Hydrosphäre) und den Eismassen der Erde (Kryosphäre). Die zukünftige Entwicklung dieses Systems wird entscheidend durch die Treibhausgaskonzentrationen beeinflusst. Treibhausgase sind Gase in der Atmosphäre, welche den uns bekannten Treibhauseffekt auslösen. Sie bewirken, dass ein Teil der eintreffenden kurzwelligen Sonnenstrahlung nicht wieder vollständig als reflektierte langwellige Wärmestrahlung aus der Atmosphäre entweicht. Durch einen Überschuss an langwelliger Strahlung wird die Erwärmung der Atmosphäre maßgeblich beeinflusst. Treibhausgase können natürlichen oder menschlichen – anthropogenen – Ursprungs sein. Hierzu zählen unter anderem Kohlenstoffdioxid (CO₂), Methan (CH₄), Lachgas (N₂O) oder fluorierte Treibhausgase (F-Gase). Sie machen nur einen geringen Teil in der Atmosphäre aus, werden jedoch seit Beginn des letzten Jahrhunderts immer mehr. CO₂ist das am meisten freigesetzte Treibhausgas. Außerdem kann es deutlich länger in der Atmosphäre verbleiben als die anderen Treibhausgase. Steigt der Anteil an Treibhausgasen in der Atmosphäre weiter, kann die globale Temperatur bis zum Jahr 2100 bis zu 4,7 Grad Celsius zunehmen. Dies hätte weitreichende Auswirkungen auf unsere Lebensbedingungen.

Wie funktionieren Klimamodelle?

Klimamodelle sind umfassende Computermodelle, die auch als numerische Labore bezeichnet werden. Um Aussagen über das zukünftige Klima zu treffen, werden mit ihrer Hilfe die hochkomplexen Prozesse in unserem globalen Klimasystem berechnet und simuliert. So stellt beispielsweise die Konvektion einen solch komplexen Vorgang dar. Konvektion beschreibt vertikale Luftumwälzungen, die durch die Temperaturdifferenz von relativ warmer Luft in Bodennähe und kalter Luft in der Höhe hervorgerufen werden. Wenn die Erdoberfläche erwärmt wird, steigt warme, leichte Luft auf. Gleichzeigt sinkt kühlere, dichtere Luft ab, wodurch eine vertikale Durchmischung entsteht und die Temperaturen der einzelnen Luftschichten beeinflusst werden.

Anhand von zahlreichen physikalischen Grundgesetzen (z.B. Energie-, Impuls- und Massenerhaltung) ist es möglich, die zukünftige Temperatur, die Niederschlagsmenge oder die Luftfeuchte abzuschätzen und sogar Aussagen über die Höhe des zukünftigen Meeresspiegels oder die Verbreitung des Meereis zu treffen. Treibender Antrieb eines Klimamodells ist die Strahlungsenergie der Sonne, also die Strahlung, die in unserem Klimasystem für Licht und Wärme sorgt. Durch sie wird das Klimageschehen und alle damit verbundenen Abläufe in der Atmosphäre maßgeblich beeinflusst. In einem Klimamodell wird ein Gitter mit mehr als einer Million Rasterzellen vertikal und horizontal über unseren Erdball aufgespannt. Je nach Modell haben die Rasterzellen eine Maschenweite von 50 bis 300 Kilometern. Die Maschenweite der Rasterzellen beschreibt die räumliche Modellauflösung und ermöglicht es, unterschiedliche Sphären im Klimasystem zu betrachten, die zueinander in Wechselwirkung stehen. Dabei gilt: Es gibt nicht nur ein einziges richtiges Klimamodell, sondern mehrere verschiedene Modelle, die ähnlich wahrscheinlich sind. Diese sogenannten Ensembles bilden die ganze Bandbreite der möglichen Klimazukünfte ab.

Berechnungen für die Zukunft

Um abzuschätzen, wie sich das Klima unter bestimmten Annahmen verändert, werden Berechnungen für die Zukunft mithilfe von Wenn-Dann-Szenarien durchgeführt. Dabei werden neben natürlichen Faktoren auch unterschiedliche Auswirkungen von schwer vorhersehbaren ökonomischen und sozialen Entwicklungen berücksichtigt. Hierzu zählen zum Beispiel die Veränderung der Weltbevölkerung, der zukünftige Ausstoß von Treibhausgasen oder die Einführung neuer und effizienter Technologien. So zeigen die SSP-Szenarien – gemeinsame sozioökonomische Entwicklungspfade –zum Beispiel, dass, wenn der Strahlungsantrieb um bis zu 8,5 Watt pro Quadratmeter ansteigt, die globale Temperatur bis zum Jahr 2100 um etwa 4,7 Grad Celsius zunimmt und bei ungebremsten Emissionen von Treibhausgasen die Meereisbedeckung zurückgehen würde.

Möglichkeiten

Klimamodelle werden regelmäßig mit neuen Szenarien gefüttert und mit der Zeit immer präziser. Dennoch gilt es einige Herausforderungen zu berücksichtigen. So existieren nach wie vor Prozesse im Klimasystem, die sich schwer darstellen lassen. Wolken zum Beispiel sind sehr schwer zu modellieren und stehen mit zahlreichen anderen Faktoren in Wechselwirkung. Zusätzlich bedarf es einer enormen Rechenkapazität und einer hohen räumlichen Modellauflösung von Hochleistungsrechnern, um beispielsweise die kleinskalige Klimaeinwirkung von Gebäuden flächendeckend zu repräsentieren. Um Klimamodelle zu testen, können wir natürliche Klimaarchive – aus Eisbohrkernen oder Baumringen – nutzen. Sie ermöglichen es, die Zusammensetzung der Atmosphäre zu rekapitulieren. Denn bereits frühere Klimamodelle haben aktuelle Entwicklungen der letzten zwei Jahrzehnte präzise vorhergesagt. Insgesamt lässt sich sagen, dass Klimamodelle ein zuverlässiges Instrument darstellen, um zum einen das Klimasystem zu verstehen und zum anderen die Bandbreite zukünftiger Klimaentwicklungen abzuschätzen.