Klima-Modelle: immer leistungsfähiger, immer präziser (den Zweiflern zum Trotz) – Beispiel: Einfluss der Wolken

01.August 2009

Klima-Modelle spielen in der Klimaforschung eine zentrale Rolle. Nicht etwa wie Zweifler immer wieder unterstellen (siehe z.B. den NZZ Artikel “Missbrauchte Klimapolitik” vom 18./19. Juli) zum Nachweis der vom Menschen verursachten Klimaerwärmung. Dass eine Verdopplung des vom Menschen freigesetzten CO2  einen Temperaturanstieg von 3 Grad bewirkt (diesen Wert bezeichnet man als “Klimasensitivität”), kann man mit relativ einfachen Abschätzungen (schon vor mehr als 100 Jahren konnte das Arrhenius) oder durch Vergleich mit erdgeschichtlichen Werten zeigen. Der grosse Nutzen der Klima-Modelle liegt darin, dass sie auf der Basis von physikalischen Gesetzen eine Gesamtschau aller relevanten Grössen unter dem Einfluss von erhöhtem CO2 liefern – nicht nur die mittlere Temperatur sondern z.B. auch das zugehörige Temperaturprofil in der Atmosphäre, die unterschiedlichen Temperaturen in verschiedenen Erdzonen, Meeres- und Windströmungen usw. usw. Damit ergibt sich die Möglichkeit diese theoretischen Vorhersagen mit einer grossen Fülle von Beobachtungs- und Messdaten zu vergleichen. Dies kommt einer Überprüfung der Theorie durch Experimente, die man ja nicht machen kann, nahe. Eine Vielzahl solcher Überprüfungen waren in den letzten Jahren durchwegs erfolgreich – ein Prozess, der zu dem überwältigenden wissenschaftlichen Konsens führte (von den Zweiflern als Dogmatismus missverstanden).

Der sorgfältige Vergleich von Modellierung mit Messdaten wird mit grosser Intensität weitergeführt. Noch weist die Klimasensitivität eine Unsicherheit von plus minus 1 Grad auf, vor allem weil einige Rückkopplungseffekte nur innerhalb gewisser Grenzen bekannt sind. Deren besseres Verständnis ist deshalb ein wichtiges Ziel. Die Methodik dafür ist ein gegenseitiges Verbessern und Verfeinern von Modellierung und Messung. Die Modelle liefern Aussagen über besonders aussagekräftige Messungen und neue gezielt ermittelte Messdaten erlauben Verfeinerungen der Modellierungen.

Ein Beispiel für diesen Prozess ist die Verfeinerung der Modellierung des Einflusses der Wolken.

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Wolken beeinflussen das Klima auf gegensätzliche Weise. Hohe Wolken, wie sie z.B. durch die Kondensstreifen von Flugzeugen verursacht werden, haben eine aufheizende Wirkung, da sie für das Sonnenlicht relativ gut durchlässig sind, die von der Erde emittierte Wärmestrahlung jedoch sehr gut absorbieren und wegen ihrer tiefen Temperatur nur wenig davon wieder emittieren. Tiefere Wolken haben die umgekehrte Wirkung, sie reflektieren das Sonnenlicht und tragen damit wesentlich zum sog. Albedo-Effekt bei (wie z.B. auch die Eisflächen). Die Wärmestrahlung absorbieren sie zwar auch, sie emittieren diese jedoch auch wieder, da sie relativ warm sind. In den Klima-Modellen sind die Prozesse der Wolkenbildung und Auflösung sowie die Beeinflussung der Strahlungsbilanz durch die Wolken umfangreich nachgebildet (z.B. G.A. Schmidt et al. “Present-Day Atmospheric Simulations Using GISS ModelE: Comparison to In Situ, Satellite, and Reanalysis Data” Journal of Climate, Vol. 19, 2006). Dabei wurden die weit zurückreichenden Forschungen der Meteorologen genutzt. Allerdings müssen die Effekte in den Klimamodellen “parametrisiert” werden, d.h. durch mittlere Grössen muss die in den Modellen aus Gründen der Rechenleistung reduzierte räumliche Auflösung überbrückt werden.

Offene Fragen sind deshalb, wie gut diese Parametrisierung ist – Unterschiede in der Modellierung der Wolken sind die Hauptursache für die unterschiedlichen Resultate verschiedener Klima-Modelle. Eine weitere wichtige Frage ist die nach der Rückkopplung: wird der Prozess der Wolkenbildung durch die Klimaerwärmung beeinflusst, in welcher Richtung wird er beeinflusst, verstärkend oder abschwächend.

In einer kürzlich publizierten  Forschungsarbeit geht Amy Clement mit zwei Kollegen diesen Fragen nach.

Für ein Ozean-Gebiet zwischen Hawaii und Mexiko haben sie Messungen über einen sehr langen Zeitraum (1952 bis 2006) ausgewertet, einerseits die von Schiffsbesatzungen beobachtete Wolkenüberdeckung und andererseits Satelliten-Messungen, die ab 1984 durchgeführt wurden. Die beiden Messmethoden lieferten überraschend gute Übereinstimmung. Von besonderem Interesse war dann die Frage, wie die Wolkenbedeckung auf Temperaturänderungen reagiert. Im Beobachtungszeitraum trat 1976 eine ausgeprägte Erwärmungsphase auf. In dieser Zeit nahm die Bedeckung durch tiefliegende Wolken ab. Der Grund ist plausibel: die erhöhte Temperatur des Ozeans erwärmt die darüberliegende Luft und dünnt dadurch die Wolken aus. Eine Abkühlungsperiode in den späteren 90er Jahren zeigte genau das umgekehrte Verhalten. Durch weitere Satellitenmessungen wurde dann ermittelt, wie stark die Sonneneinstrahlung durch die Wolkenausdünnung in den Warmperioden zunimmt. Das Ergebnis war, dass der grösste Teil der beobachteten Erwärmung so erklärt werden kann. Damit wurde für diesen Bereich der Erdoberfläche eine positive Rückkopplung der Wolken nachgewiesen: je höher die Erwärmung, desto stärker die zusätzliche Sonneneinstrahlung.

Diese Ergebnisse dienten dann dazu, die Modellierung der Wolken in den verschiedenen Klimamodellen zu überprüfen. Wird der gemessene Effekt in den Modellen in der beobachteten Grösse berücksichtigt? Das Ergebnis war, dass nur eines der gängigen Modelle, nämlich dasjenige vom U.K. Met Office’s Hadley Center in Exeter (HadGEM1 model) für den gemessenen Effekt eine brauchbare Modellierung liefert, bei diesem Modell wurde auch eine besondere Sorgfalt auf die Nachbildung der unteren Atmosphärenschicht gelegt.

Die Ergebnisse können, da sie nur einen sehr begrenzten Bereich der Erdoberfläche betreffen, noch nicht verallgemeinert werden. Dennoch ist zu vermuten, dass dies auch global ein wichtiger Effekt ist.

Da das HadGEM1 Modell von allen Modellen mit am empfindlichsten auf die Treibhausgase reagiert – es liefert eine Klimasensitivität von 4.4°C – warnt die Autorin Clement: “Wir fokussieren uns (beim erwarteten Temperaturanstieg) zu sehr auf den mittleren Bereich der Prognosen und ignorieren die Extreme. Wir sollten ernsthaft den oberen Bereich ins Auge fassen.”

Leider gilt Analoges auch für weitere Rückkopplungseffekte. Bisher wurde kein relevanter negativer Rückkopplungseffekt gefunden, die diversen bekannten positiven Rückkopplungen sind bisher – wohl um nicht des Alarmismus angeklagt zu werden -  eher vorsichtig modelliert worden. Der genaueren Erforschung kommt deshalb eine sehr grosse Bedeutung zu. Im neuesten Economist wird von einer grossangelegten Studie der University of Florida berichtet, die die Erforschung der riesigen Permafrost-Tundra-Gebiete zum Ziel hat. In diesen ist viel Methan und mehr als doppelt so viel CO2 gebunden als in der Atmosphäre. Wird durch die Klimaerwärmung davon nur ein Bruchteil freigesetzt (ein weiterer verstärkender Rückkopplungseffekt), dann sind das keine guten Aussichten fürs Klima (folgert sogar der Economist).

Autor:

Klaus Ragaller

Artikel gespeichert unter: Klima

bisher 4 Kommentare Eigenen Kommentar schreiben

  • 1. Heinz Pütter  |  14.August 2009 at 07:36

    Selbst wenn wir die Schwelle zum umkehrbaren Klimawandel schon überschritten haben, werden Ausmaß und Tempo der Veränderungen noch immer davon beeinflusst, was wir in nächster Zukunft tun. Vielleicht aber auch davon, was die Erde tut. Denn ihre Regelkreise und Mechanismen, von denen erst ein winziger Teil erforscht ist, lassen vermuten, dass hinter allem eine überragende Intelligenz steckt. Eine ordnende Kraft, die weit über den Rahmen des menschlichen Ermessens und Berechnens hinausgeht!

    Wir sind uns vieles nicht mehr bewusst! Ist die Erde intelligenter als wir?
    Sie hat 30 schwere Katastrophen überlebt. Warum?
    Die Erde ist ein lebender Organismus, der sich selbst heilen kann.
    Die Erde wird sich am Ende selbst heilen!!!
    Das Milliarden von Menschen die Naturereignisse die dann auf uns zukommen nicht überleben werden ist uns immer noch nicht bewusst.
    Weltweit sind jetzt schon 434 Millionen Menschen von Wasserknappheit bedroht. Landflucht, Umweltzerstörung und Klimawandel könnten auch das Hungerproblem verschlimmern. Schon jetzt haben mehr als zwei Milliarden Menschen weltweit nicht genügend zu essen.
    Ein verantwortungsvoller Umgang mit der Erde und ihren Menschen und Ökosystemen muss als viel mehr als nur als Klimamanagement verstanden werden. Auch wird sich die Einsicht durchsetzen, dass Erdmanagement zwar naturwissenschaftliches Wissen zur Entscheidungsfindung nötig hat. In einer multikulturellen Welt aber ist kultur- und sozialwissenschaftliches Wissen genauso vonnöten – vielleicht sogar letztlich entscheidend, um eine nachhaltige und friedliche gesellschaftliche Entwicklungen zu ermöglichen.

  • 2. Klimablog » Wetter-&hellip  |  14.August 2009 at 08:48

    [...] oder durch Satellitenmessungen nachweisen (für alle, die den umfassenderen und inzwischen sehr präzisen Modellrechnungen nicht [...]

  • 3. Ruedi Menzi  |  17.Dezember 2009 at 22:57

    Und warum nicht einfach umgekehrt? Der wind schob die Wolken weg, dadurch konnte die Sonne den Ozean erwärmen und das trieb die Wolken erst recht weg …

  • 4. Hans Jürgen Steffenhagen  |  15.September 2010 at 23:15

    Sehr geehrter Herr Ragalla,
    in Ihrem Artikel:
    Klima-Modelle: immer leistungsfähiger, immer präziser (den Zweiflern zum Trotz) – Beispiel: Einfluss der Wolken vom 1. 8.09 zeigen Sie ein schönes Wolkenbild, offensichtlich eine Luftaufnahme. Sind Sie Inhaber der Urheberrechte für dieses Bild? Ich möchte es gerne verwenden und frage nach den Nutzungsbedingungen.
    Für eine baldige Antwort wäre ich dankbar.

    Viele Grüße
    Hans Jürgen Steffenhagen

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