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Nachgefragt

Wie funktionieren Klimamodelle?

Mit komplexen Modellrechnungen berechnen Wissenschaftler das Ausmaß und die Folgen des Klimawandels. Um die Qualität der Berechnungen zu überprüfen, füttern sie ihre Computer auch mit Daten aus der Vergangenheit.

Mit der Erde kann man keine Experimente machen. Man kann sie beispielsweise nicht in ein Reagenzglas stecken und sehen was passiert, wenn man die Zusammensetzung der Luft ändert. Dennoch müssen Klimaforscher wie Mojib Latif vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel Methoden entwickeln, die es erlauben, den menschlichen Einfluss auf das Klima zu bestimmen oder die Ursachen von natürlichen Klimaänderungen besser zu verstehen. Dazu schaffen sich die Forscher ein Abbild der Erde im Computer – eine virtuelle Erde, mit der man gezielte Experimente durchführen kann. 

Diese Klimamodelle basieren auf den physikalischen Gesetzen und den entsprechenden mathematischen Gleichungen: Atmosphäre, Ozeane, Meeresströmungen, das Eis – sie alle sind physikalische Systeme. Die grundlegenden Gleichungen mit denen sie sich beschreiben lassen, sind bekannt. Die Klimamodelle berücksichtigen eine Vielzahl von physikalischen Größen und Zusammenhängen und koppeln sie miteinander. Doch die Bedingungen können auf der Erde sehr unterschiedlich sein. Sonneneinstrahlung, Temperatur, Wassergehalt der Luft und vieles mehr variieren von Ort zu Ort. Das System ist so komplex, dass sich die Gleichungen nicht mehr lösen lassen. 

Lösbar sind sie aber, indem man die Erde mit einem dreidimensionalen Rechengitter überzieht und dann für jeden Punkt des Rechengitters die Gleichungen näherungsweise löst. Die Gitterpunkte sind rund 50 Kilometer voneinander entfernt und in verschiedenen Höhen oder Tiefen zu finden. Wegen der großen Zahl von Punkten erfordern Klimamodellsimulationen einen enormen Rechenaufwand. Hier kommen die Supercomputer ins Spiel, die imstande sind, solche Berechnungen in überschaubarer Zeit durchzuführen. Wie etwa der Großrechner MISTRAL am Deutschen Klimarechenzentrum in Hamburg.

Um die Qualität eines Klimamodells zu überprüfen, simulieren die Wissenschaftler das heutige Klima oder Schwankungen der Vergangenheit. Die Wissenschaftler füttern die Modelle nicht mit den genauen Daten, sondern nur mit den Randbedingungen, wie zum Beispiel die Land-Meer-Verteilung oder die Stärke der einfallenden Sonnenstrahlung. Stimmen die Simulationen des Modells mit den Messungen oder Rekonstruktionen im Großen und Ganzen überein, dann wird es auch für die Berechnung der zukünftigen Klimas eingesetzt, indem man beispielsweise den Gehalt an Treibhausgasen wie CO2 in der Luft weiter ansteigen lässt. Für diesen Fall sagen alle Modelle voraus, dass die Erderwärmung zunehmen wird.

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05.06.2019 , Benjamin Haerdle

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