So funktioniert Klimamodellierung

Klimamodelle simulieren das Klimasystem der Erde basierend auf naturwissenschaftlichen Gesetzen. Wie sie entwickelt und angewandt werden, erklären wir hier. Außerdem zeigt der Artikel, was uns Klimamodelle sagen können und was nicht.

Klimamodell berechnen

Gliederung

Was sind Klimamodelle?

Berechnungen zum Erdklima gibt es seit über hundert Jahren. Schon 1896 beschäftigte sich der schwedische Physiker Svante Arrhenius mit der Auswirkung von menschengemachten Treibhausgasen auf das Klima und vermutete, dass die Erde sich dadurch erwärmen würde. Er berechnete damals, dass eine Verdopplung der CO₂-Emissionen in der Atmosphäre zu einem Temperaturanstieg von etwa 5 Grad Celsius führen würde (siehe: Klimasensitivität).

Moderne Klimamodelle sind Computerprogramme, die das Klimasystem der Erde simulieren. Sie beschreiben die naturwissenschaftlichen Gegebenheiten der Erde, insbesondere Abläufe in der Atmosphäre, in den Ozeanen und an Land, und simulieren auch das Meereis. Beispielsweise sind in Klimamodellen die Gebirge oder die Tiefen der Ozeane einprogrammiert. Die Winde und Ozeanströmungen berechnen die Klimamodelle anhand der physikalischen Gesetze. Mit Klimamodellen lässt sich also simulieren, was passiert, wenn sich zum Beispiel die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre – etwa durch Emissionen des Menschen durch Fabriken und Verkehr – oder aber auch die Sonneneinstrahlung ändert, ein Vulkan ausbricht oder Wälder abbrennen.

Klimamodell mit den unterschiedlichen Kommentarenponenten
Ein Klimamodell simuliert das Klimasystem mit unterschiedlichen Komponenten: Ozean, Atmosphäre, Land, Meereis – hier in blau dargestellt. Beispiele für externe Antriebe des Systems in rot.

Forschende verwenden diese Modelle, um zu verstehen, wie das Klima auf der Erde funktioniert und wie es sich in Zukunft entwickeln könnte. Dafür treffen sie Annahmen, etwa wie viele Treibhausgase die Menschen produzieren werden. Ein Klimamodell berechnet dann, wie sich das Klima dadurch verändern würde.

In der Forschung werden Klimamodelle schon seit mehr als 30 Jahren verwendet. Dadurch lässt sich mittlerweile beurteilen, ob sie grundsätzlich zutreffen. Denn man kann vergleichen: Was haben diese Modelle damals über die Zukunft ausgesagt, also die Zeit, die wir bereits erlebt haben? Mojib Latif, Klimaforscher am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, sagt: „Wir können sehen, dass sehr gut zutrifft, was die Modelle berechnet haben.“ Klimamodelle sind grundsätzlich also sehr verlässlich, vor allem bezogen auf großräumige Veränderungen.

„Wir können sehen, dass sehr gut zutrifft, was die Modelle vorhergesagt haben.“
Prof. Dr. Mojib Latif,  GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

Wie werden Klimamodelle entwickelt?

Zuerst werden Teilmodelle entwickelt, die jeweils einen Bereich des Klimasystems beschreiben, also die Abläufe in Atmosphäre, Ozean, Meereis oder an Land. Dann werden diese Teilmodelle zu einem großen Klimamodell zusammengeführt. „Wenn  man die Teilmodelle koppelt, können sie sich austauschen. Das Zusammenspiel der Komponenten ist kompliziert und mit vielen Rückkopplungsmechanismen verbunden. Hier kann es Jahre dauern, bis das Modell gut funktioniert“, sagt Johann Jungclaus, Ozeanforscher und Klimamodellierer am Max-Planck-Institut für Meteorologie.

Um Modelle zu prüfen und zu verbessern, simulieren die Forschenden mit ihnen testweise das Klima der Vergangenheit. Darüber liegen in der Paläoklimatologie, die sich mit vergangenem Klima beschäftigt, viele Daten vor. Ein Beispiel sind Eisbohrungen aus der Antarktis. Im „ewigen Eis“ sind Luftblasen eingeschlossen, die mehrere hunderttausend Jahre alt sind. Die Analyse dieser fossilen Luft gibt Aufschluss darüber, wie hoch der CO₂-Gehalt zu jener Zeit war. Andere Paläoklimadaten stammen aus Sedimenten, Baumringen oder Korallen. Kann ein Klimamodell die Klimadaten gut abbilden, gehen Forschende davon aus, dass es das auch für die Zukunft kann. Finden sich dagegen noch Mängel, wird das Modell nachgebessert.

Wie werden Klimamodelle angewandt?

Klimamodelle sind nötig, um zu verstehen, wie sich das Klima auf der Erde in Zukunft entwickeln könnte. Vor allem Aussagen auf einer globalen Ebene und einige Jahrzehnte in die Zukunft sind mithilfe der Modelle sehr verlässlich.

Das Wetter schwankt von Tag zu Tag, das limitiert Wettervorhersagen auf im Schnitt zwei Wochen. Ändern sich aber die atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen sehr stark, dann spielen die chaotischen Wetterschwankungen nur noch eine untergeordnete Rolle. Es kommt System ins Chaos. Man kann sich das vorstellen wie bei einer Bergbesteigung. Es geht nicht immer nur nach oben, manchmal gibt es Geraden oder sogar Senken, wo es ein Stück bergab geht. Das ist das Chaos, das das Wetter mit sich bringt. Auf lange Sicht gesehen geht es aber bergauf – und am Ende hat man einen deutlichen Aufstieg hinter sich. Grundsätzlich kann man also sicher sagen, dass es bergauf geht, nur der konkrete Weg ist nicht immer von vornherein absehbar.

Um mithilfe eines Klimamodells mehr über die Zukunft zu erfahren, müssen Forschende verschiedene Annahmen treffen. Dafür verwenden sie Emissionsszenarien, die mögliche Handlungswege in der Zukunft beschreiben. Sie zeigen keine realen Entwicklungen, weil man diese nicht vorhersagen kann, sondern verschiedene Möglichkeiten, wie die Zukunft aussehen könnte.

So gibt es Pfade, die darstellen, was passiert, wenn weiterhin auf fossile Brennstoffe gesetzt wird. Andere zeigen den Weg in eine Zukunft mit starker Klimaschutzpolitik, in der vielleicht sogar die 1,5-Grad-Grenze eingehalten wird. Werden diese Pfade in ein Klimamodell eingegeben, zeigt es, welche Auswirkungen die Emissionen auf das Klimasystem hätten. Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträger können sich daran orientieren, wenn sie sich für bestimmte Klimaschutzmaßnahmen entscheiden.

Was sind Erdsystemmodelle und wie unterscheiden sie sich von Klimamodellen?

Erdsystemmodelle sind erweiterte Klimamodelle. Sie berücksichtigen, dass das Klima unter anderem mit chemischen oder biologischen Prozessen auf und unter der Erde oder im Ozean zusammenhängt. Indem etwa die Biogeochemie im Ozean oder der Kohlenstoffkreislauf über Land simuliert wird, lassen sich bestimmte Abläufe besser erfassen und genauere Simulationen durchführen. Neuerdings berücksichtigen einige dieser Modelle auch die Eisschilde in Grönland und der Antarktis, was manche Aussagen über den Meeresspiegelanstieg noch sicherer macht.

„Ein wesentlicher Unterschied ist, dass man bei Erdsystemmodellen die CO₂-Konzentration nicht mehr fest vorgibt“, sagt Klimamodellierer Jungclaus. „Stattdessen kann man eingeben, wie sich die Emissionen entwickeln. Das Modell ist dann in der Lage zu berechnen, wie viel CO₂ in der Atmosphäre verbleibt und was mit dem Rest passiert – wie viel davon also an Land oder im Ozean aufgenommen wird.“

Was wir sagen können, was wir nicht sagen können

Die größte Unsicherheit in Klimamodellen ist die sogenannte Szenarien-Unsicherheit. Niemand kann sicher sagen, wie sich die Menschen in Zukunft verhalten und welche politischen Entscheidungen getroffen werden. „Diese Unsicherheit ist einfach da und wird auch nie weggehen“, sagt Klimaforscher Latif. „Dafür müsste man über Jahrzehnte das menschliche Verhalten vorhersagen, die Weltwirtschaft, die technologische Entwicklung. Das ist nicht möglich.“ Deshalb können Klimamodelle auch nur Projektionen liefern und keine Vorhersagen. Sie funktionieren auf der Basis von Wenn-Dann-Szenarien: Was passiert mit dem Erdklima, wenn eine bestimmte Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre ist?

Es gibt aber einige Punkte, an denen Forschende arbeiten, um noch detailliertere Aussagen mithilfe von Klimamodellen machen zu können:

Maschenweite

In Klimamodellen wird die Erde mit einem dreidimensionalen Rechengitter überzogen und so in kleine Boxen aufgeteilt. Der Grund dafür ist, dass die Computer heutzutage noch nicht leistungsfähig genug sind, um wirklich für jeden kleinsten Teil der Erde die Entwicklung des Klimas zu berechnen. Die Maschenweite des Gitters bezeichnet die Auflösung, mit der das Klimamodell arbeitet. Bei globalen Klimamodellen haben die Boxen beispielsweise in der Atmosphäre horizontal eine Länge von 50 bis 100 Kilometern. Mit den leistungsstärkeren Computern hat sich die Auflösung stets erhöht.

Trotzdem sind Klimamodelle aber noch zu grobmaschig, um kleinteilige Prozesse explizit abzubilden, die aber ebenfalls eine Auswirkung auf das Klima haben. Beispielsweise, wie sich Eisschollen im Meer oder Wolken in den verschiedenen Höhen bilden. Hierfür sind an jedem Knotenpunkt – beziehungsweise Gitterpunkt – an dem sich die Boxen berühren, bestimmte Informationen verfügbar. Mit ihnen wird berechnet, wie viele Wolken oder Eisschollen pro Gitterbox wahrscheinlich vorhanden sind. Dieser Prozess nennt sich Parametrisierung. „Das ist noch eine Schwachstelle in Klimamodellen, sagt Gerrit Lohmann, der zu Paläoklimatologie am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) forscht. „Es ist aber das erklärte Ziel der Klimaforschung, möglichst wenige dieser Parametrisierungen zu verwenden.“

Eine damit zusammenhängende Schwierigkeit ist, globale Klimamodelle auf eine regionale bis lokale Ebene herunterzubrechen. Man weiß, dass die Meeresspiegel weltweit ansteigen, aber das passiert nicht überall gleich. Um das nicht nur in regionalen Modellen, sondern auch in globalen Modellen abbilden zu können, bräuchte man noch kleinere Gitterboxen. „Sehr hohe Auflösungen über längere Simulationszeiträume sind selbst mit den heutigen Supercomputern noch nicht möglich“, sagt Lohmann. „Im Endeffekt ist das aber eine Technologiefrage: Wenn wir mehr Rechenpower hätten, könnten wir viele Prozesse viel kleinräumiger auflösen.“

Im Endeffekt ist das eine Technologiefrage: Wenn wir mehr Rechenpower hätten, könnten wir viele Prozesse viel kleinräumiger auflösen.“
Prof. Dr. Gerrit Lohmann, Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)

Klimasensitivität

Die Klimasensitivität ist eine Kennzahl, mit der sich messen lässt, wie die Temperatur auf eine Veränderung der CO₂-Konzentration reagiert. Genauer gesagt drückt sie aus: Um wie viel Grad erwärmt sich die Erdoberfläche bei einer Verdopplung der vorindustriellen CO₂-Konzentration in der Atmosphäre?

Es gibt zwei Arten von Klimasensitivität, die zu unterscheiden sind:

  • Gleichgewichts-Klimasensitivität: Das Klima ist träge, deshalb erwärmt sich die Erde auch weiter, nachdem sich die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre verdoppelt hat. Es kann viele Jahre dauern, bis sich das System an die veränderte CO₂-Konzentration angepasst hat und im Gleichgewicht ist. Die Gleichgewichts-Klimasensitivität gibt die Temperaturerhöhung an, die erreicht ist, wenn sich das System angepasst hat.
  • Transiente Klimasensitivität: Sie bezeichnet die Temperaturänderung, die zu dem Zeitpunkt gilt, zu dem die Verdopplung der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre abgeschlossen ist. Dabei geht man normalerweise davon aus, dass sich die CO₂-Konzentration um 1 Prozent pro Jahr erhöht.

Der erste, der diese Zahl berechnete, war Svante Arrhenius im Jahr 1896, er ging von circa 5 Grad Celsius aus (siehe Was sind Klimamodelle?). „Das liegt immer noch im Rahmen dessen, was die heutigen Klimamodelle sagen“, sagt Klimaforscher Latif.

Im CMIP-Prozess ist es ein fester Bestandteil, die Klimasensitivität der einzelnen Modelle zu berechnen. Denn mit ihr lässt sich vergleichen, wie unterschiedlich Klimamodelle auf Treibhausgase reagieren. Dabei fällt auf: Die Spannbreite ist in den vergangenen Jahren sogar größer geworden. Bei CMIP6 liegt sie in einem Bereich von 1,8 bis 5,5 Grad Celsius. Neuere Abschätzungen der Sensitivität aus Daten der Klimavergangenheit legen jedoch einen engeren Bereich nahe, der Bericht des Weltklimarats wird hierzu aktuelle Zahlen liefern.

Die dynamische Entwicklung der Spannbreite in der Klimasensitivität spiegelt ein Phänomen, das in der Wissenschaft bekannt ist: Mit der Menge des Wissens steigt mitunter auch die Menge des Nicht-Wissens. „Manchmal ist der Fortschritt etwas holprig“, sagt Klimamodellierer Jungclaus.

„Manchmal ist der Fortschritt etwas holprig.“
Dr. Johann Jungclaus, Max-Planck-Institut für Meteorologie

Strahlungsantrieb

Der Treibhauseffekt der Erde funktioniert grob gesagt so: Sonnenenergie trifft auf die Erde, wird teilweise von der Erdoberfläche absorbiert und erwärmt sie. Von der erwärmten Oberfläche geht Wärme in Form von Infrarotstrahlung zurück ins All. Treibhausgase in der Atmosphäre verringern die Menge der Wärme, die bis ins All gelangt. Das ist lebenswichtig, denn ohne diesen Treibhauseffekt wäre es auf der Erde zu kalt. Da durch die Menschen mehr und mehr Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen, wird es auf der Erde jetzt aber immer wärmer.

Der Strahlungsantrieb ist ein wissenschaftliches Konstrukt, um zu verstehen, welchen Einfluss unterschiedliche externe Faktoren wie die durch die Menschheit ausgestoßenen Treibhausgase (zum Beispiel CO₂ oder Methan) oder eine sich ändernde Sonneneinstrahlung auf das Erdsystem haben. Ist der Strahlungsantrieb positiv, nimmt die Energie zu und es wird wärmer. Ist er negativ, sinkt die Temperatur.

„Prinzipiell ist der Strahlungsantrieb schon gut studiert“, sagt Lohmann. „Ein schwieriger Punkt sind aber die Eigenschaften der Wolken, die ebenfalls Einfluss auf den Strahlungsantrieb haben.“ Nach wie vor sind Wolken ein Thema, das in der Klimamodellierung für Unsicherheiten sorgt. Denn wie Wolken entstehen und sich verändern, ist äußerst komplex und schwierig zu modellieren.

Was können Klimamodelle zur Klimapolitik beitragen?

Auch wenn es noch offene Fragen gibt: Insgesamt sind Klimamodelle verlässlich, und das schon seit vielen Jahren! Dass sich die Erde erwärmt, und die menschengemachten Treibhausgase hauptsächlich dafür verantwortlich sind, ist wissenschaftlich hinreichend belegt und damit sicher. Es ist auch sicher, dass deswegen der Meeresspiegel global steigt. Was Klimamodelle heute schon leisten, ist also viel mehr, als das, was sie noch nicht können. Deshalb ist es wichtig, sich im öffentlichen Diskurs vor allem auf die vielen Gemeinsamkeiten der Modelle zu konzentrieren.

Regierungen können mithilfe der verschiedenen Szenarien abwägen, welche Maßnahmen besonders hilfreich für eine effektive Klimapolitik sind. Jungclaus rät, vor allem den optimistischen Szenarien mehr Beachtung zu schenken. „Die Diskussion sollte sich mehr darum drehen, was in den Szenarien passiert, die eher mittlere oder geringe Emissionen annehmen, also eine veränderte Klimapolitik beinhalten."

Eine absolute Sicherheit in der Klimamodellierung wird es nie geben, sagt Latif. Denn es gibt in der Wissenschaft grundsätzlich keine absoluten Wahrheiten. Aber Menschen hätten gelernt, mit Unsicherheiten zu leben und mit ihnen umzugehen. Grundsätzlich ist klar: Wenn mehr Treibhausgase in die Atmosphäre kommen, erwärmt sich die Erde. „Die Basis des Wissens heute reicht aus, um politische Entscheidungen zu treffen“, sagt Latif.

Prof. Dr. Gerrit Lohmann

Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)

Beschäftigt sich unter anderem mit Paläoklimatologie und der Analyse von Klimadaten.

© Jan Steffen, GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

Prof. Dr. Mojib Latif

GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

Forscht unter anderem zu menschlichen Einflüssen auf das Klima und der Entwicklung von Klimamodellen und Analysen. Diese Website ist auf seine Initiative als ehemaliger Vorstand des Deutschen Klima-Konsortiums hin entstanden.

© MPI-M, Hamburg

Dr. Johann Jungclaus

Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M)

Forscht zum Klimasystem der Ozeane und zur Entwicklung von Klima- und Erdsystemmodellen.

Ergebnisse des Weltklimarats

Die Modellrechnungen aus dem kommenden IPCC-Bericht fassen wir nach seiner Veröffentlichung in diesem Artikel zusammen. Wir blicken auf die möglichen Entwicklungen des Klimas und fragen, was das für Gesellschaft und Politik bedeutet.

Erscheint im August 2021
Klimamodell

Glossar

1,5 Grad Celsius globale Erwärmung

Wird über den Klimawandel gesprochen, fallen Aussagen wie „bei 1,5 Grad Celsius Erwärmung …“. Hier wird von einer Erwärmung gegenüber dem vorindustriellen Niveau gesprochen, also seit 1850. Heute liegt die globale Erwärmung bereits bei etwa 1 Grad Celsius, das heißt, die 1,5-Grad-Grenze rückt immer näher.

Klimamodell

Auf naturwissenschaftlichen Grundlagen basierende Computerprogramme, die das Klimasystem der Erde simulieren.

Erdsystemmodell

Erdsystemmodelle sind Klimamodelle, die zusätzliche chemische und biologische Prozesse auf der Erde simulieren können. Wichtig ist vor allem, dass sie berechnen können, was mit den Treibhausgasen passiert, die Menschen produzieren. In regulären Klimamodellen muss das vorgegeben werden.

CMIP

Abkürzung für Coupled Model Intercomparison Project – das internationale Klimamodell-Vergleichsprojekt. Es soll dazu beitragen, die Entwicklung von Klimamodellen voranzutreiben und den Klimawandel besser zu verstehen. Klimamodelle, die auf der ganzen Welt entwickelt werden, werden im Rahmen von CMIP zusammengeführt. Alle Klimamodelle in CMIP durchlaufen dieselben Experimente, so kann man die Modelle besser vergleichen und bewerten. Die aktuellste Version ist CMIP6.

IPCC

Abkürzung für Intergovernmental Panel on Climate Change – auch Weltklimarat genannt. Keine Forschungseinrichtung, sondern ein internationales Gremium von Expertinnen und Experten, das den Stand der aktuellen Klimaforschung in regelmäßigen Berichten zusammenträgt und ihn bewertet. Das soll eine bessere Basis für politische Abwägungen geben.

Klimasimulationen

Es handelt sich um Modellexperimente, bei denen bestimmte Bedingungen angenommen und vorgegeben werden. Beispiele sind Szenarien für die Zukunft und „historischen“ Simulationen, bei denen beobachtete Treibhausgaskonzentrationen sowie Änderungen der Sonneneinstrahlung und Vulkaneruptionen vorgeben werden.

Szenarien (RCP / SSP)

Szenarien sind mögliche Pfade in die Zukunft, die beschreiben, wie viele Treibhausgasemissionen die Menschen künftig produzieren könnten. Hierfür werden Annahmen getroffen, beispielsweise welche Politik in Zukunft gemacht wird. So gibt es Szenarien, die zeigen, wie die Erwärmung auf unter 1,5 Grad Celsius begrenzt werden könnte. Andere beschreiben, was passiert, wenn wir so weitermachen wie bisher und sich nichts ändert. Im fünften IPCC-Bericht wurden diese Szenarien RCP genannt (Representative Concentration Pathways bzw. repräsentative Konzentrationspfade). Noch aktueller sind die SSP-Szenarien (Shared Socioeconomic Pathways bzw. gemeinsame sozioökonomische Entwicklungspfade). Die SSP-Szenarien zeigen verschiedene gesellschaftliche Entwicklungen und beziehen auch Wege mit einer aktiven Klimaschutzpolitik mit ein.

Meereis und Landeis

Als Meereis wird das Eis bezeichnet, das entsteht, wenn Meerwasser gefriert. Meereis liegt auf dem Wasser und hat keinen Kontakt mit dem Land. Landeis hingegen ist das Eis, das auf der Landoberfläche zu finden ist. Dazu zählen beispielsweise Gletscher, aber auch große Eisschilde wie der Grönländische oder der Antarktische Eisschild.

Autorin

Lena Puttfarcken

Lena Puttfarcken ist freie Wissenschaftsjournalistin und beschäftigt sich vor allem mit dem Klimawandel, Wissenschaftsleugnung und Psychologie. Außerdem promoviert sie am Karlsruher Institut für Technologie über Diskurse zwischen Wissenschaft, Politik und Öffentlichkeit.