Ausgezeichnete Modelle: Klimaforscher erhalten Nobelpreis der Physik

Es ist die Zeit der Klimamodelle.

Bereits im September schafften zwei Klimamodellierer – Friederike Otto und Geert Jan van Oldenborg vom World Weather Attribution (WWA) Project – den Sprung auf die Time Magazine-Liste der 100 einflussreichsten Menschen des Jahres 2021. Dann folgte am 5. Oktober 2021 der Ritterschlag: Die Klimaforscher Syukuro Manabe aus Japan und der Hamburger Klaus Hasselmann, ehemaliger Direktor des Max-Plack-Instituts für Meteorologie, wurden für ihre Arbeit mit Klimamodellen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Sie teilen sich den renommierten Preis mit dem theoretischen Physiker Giorgio Parisi. Laut Thor Hans Hansson, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik, soll dadurch ein Zeichen dafür gesetzt werden, dass „unser Wissen über das Klima eine solide wissenschaftliche Grundlage hat, die auf gründlichen Analysen und Beobachtungen beruht“.

Klimamodellierer sind Experten auf dem Gebiet der Erd- und Planetenwissenschaften und bringen oft Erfahrungen aus den Bereichen Physik, Mathematik und Computerwissenschaften mit. Basierend auf physikalischen und chemischen Erkenntnissen erstellen sie Gleichungen, mit denen sie Supercomputer füttern, die anhand dieser Informationen das Klima auf der Erde oder auf anderen Planeten berechnen. In den Augen der Klimaleugner waren diese Modelle lange Zeit nicht mehr als das äußerst wackelige Fundament der Klimawissenschaft. Ihre Kritik: Da die Modelle logischerweise lediglich Prognosen liefern, seien die Ergebnisse unzuverlässig, nicht belegbar und basierten auf fehlerhaften Dateneingaben.

In einem National Geographic-Artikel aus dem Jahr 1990 heißt es dazu: „Kritikern zufolge stehen die Klimamodelle noch ganz am Anfang und sind nicht einmal dazu in der Lage, das aktuelle Klimas präzise abzubilden. Die Modellierer stimmen dem zu, erklären aber auch, dass es bei den Vorhersagen notwendigerweise zu Schwankungen kommen kann, da man die Modelle ständig verfeinert.“

Aktuelle Analysen der jahrzehntealten Modelle haben jedoch gezeigt, dass viele von ihnen in Hinblick auf den vorhergesagten weltweiten Temperaturanstieg bemerkenswert akkurat sind. Dank leistungsstärkerer Computer und immer präziseren Anpassungen der Modelldaten können die Modellierer ihre Arbeit heute viel selbstbewusster gegen Kritik verteidigen. Laut Dana Nuccitelli, Autor des Buchs Climatology versus Pseudoscience, ist eine Folge davon, „dass wir uns definitiv weiter vom offenen Leugnen des Klimawandels wegbewegt haben. Indem sich die Vorhersagen als im hohen Maße akkurat herausgestellt haben, wurde ein Punkt erreicht, an dem das Zweifeln an der Wissenschaft unglaublich schwer wird.“

In dem Artikel aus dem Jahr 1990 wird auch der frischgebackene Nobelpreisträger Syukuro Manabe zitiert, der gemeinhin als Vater des modernen Klimamodells gilt. Damals sagte er, dass in einigen der früheren Modelle „viele verrückte Dinge passieren – zum Beispiel Meereis, das durch die tropischen Ozeane treibt.“ Im Jahr 1970 hatte er in einer bahnbrechenden Studie – der ersten, die konkrete Angaben zur zukünftigen Erderwärmung machte – vorausgesagt, dass die globalen Temperaturen zwischen den Jahren 1970 und 2000 um 0,57 Grad Celsius ansteigen würden. Der tatsächlich aufgezeichnete Temperaturanstieg betrug ungefähr 0,54 Grad Celsius.

Zeke Hausfather von der University of California in Berkeley, Henri Drake und Tristan Abbott vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und Gavin Schmidt vom NASA Goddard Institute for Space Studies in New York analysierten in einer Studie im Jahr 2019 siebzehn Modelle aus den Siebzigerjahren. Sie fanden heraus, dass in vierzehn der Modelle der Einfluss, den Treibhausgase auf die globalen Temperaturen haben würden, präzise vorausgesagt wurden – zwei der Schätzungen lagen über dem tatsächlichen Wert, eine darunter. Dana Nuccitelli zufolge liegt das daran, dass fundamentale Physik immer eine solide Basis bietet.

„Wir wissen schon seit Jahrzehnten, dass eine bestimmte Menge Kohlendioxid, die in die Atmosphäre abgegeben wird, immer ein bestimmtes Maß der Erwärmung nach sich zieht. Das ist eine Grundlage der Wissenschaft“, sagt er. „Die Prognosen aus den Siebzigerjahren waren auffallend treffend, doch ihnen lagen auch stark vereinfachte Klimamodelle zugrunde. Teilweise lag das an dem damaligen Verständnis der Klimasysteme, teilweise aber natürlich auch an dem Stand der Technik. Man kann auf jeden Fall sagen, dass sich Klimamodelle seitdem extrem weiterentwickelt haben.“

Klima und Klimamodelle: Rasanter Wandel

„Was sich auf dem Gebiet der Klimamodelle über die Jahre nicht geändert hat, ist die allgemeine Einschätzung zu dem Ausmaß, in dem sich die Erde durch steigende CO₂-Mengen erwärmen wird“, sagt Katharine Hayhoe von der Texas Tech University, leitende Wissenschaftlerin bei Nature Conservancy und Autorin des Buches Saving Us. „Dabei wird jedoch der räumliche und temporäre Maßstab, den wir anlegen, immer genauer. Wir verstehen jetzt die Wechselwirkungen im Klimasystem besser und zum Beispiel auch, wie anfällig die Arktis wirklich ist.“

Dieses wachsende Verständnis hat ihr zufolge zu der Entwicklung dessen geführt, was sie als „das Nonplusultra der heutigen Klimawissenschaft“ bezeichnet: individuelle Ereigniszuordnung. Diese Herangehensweise hat den beiden Spezialisten auf diesem Gebiet, Friederike Otto und Geert Jan van Oldenborg, ihren Platz auf der Times Magazine-Liste gesichert. Sie ermöglicht es erstmals, die starken Verbindungen zwischen dem Klimawandel und bestimmten Wetterereignissen wie Hitzewellen und Starkregen präzise herauszuarbeiten.

„Ohne die Modelle wäre das nicht möglich“, sagt Katharine Hayhoe. „Wir brauchen sie, um eine Welt ohne Menschen zu simulieren, die wir dann gegen die bewohnte Erde mit ihren CO₂-Emissionen stellen können. Indem wir die beiden Modelle vergleichen, erkennen wir, wie der menschengemachte Klimawandel die Dauer, Stärke und sogar die Schäden solcher Ereignisse beeinflusst hat.“

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Wenn sie an einem Modell arbeitet, muss sie „Tausende Zeilen Code anschauen. Das ist so intensiv, dass ich oft lieber nachts arbeite, wenn mir keiner E-Mails schreibt, das Licht aus ist und ich mich ganz auf den hellen Bildschirm im dunklen Raum konzentrieren kann. Dann zwinkere ich einmal und plötzlich ist es halb fünf Uhr morgens.“

Die Suche nach Fehlern in den Modellen sei ein großer Teil ihrer Arbeit, sagt sie. Nur so könne sichergestellt werden, dass sie die Wirklichkeit abbilden. „Wenn etwas nicht passt, heißt das, dass wir etwas noch nicht ganz verstanden haben und genauer hinsehen müssen.“

Bei manchen dieser Diskrepanzen handelt es sich um Fehler im Modell. Manchmal haben sie ihren Ursprung aber auch in fehlerhaften Beobachtungen. Eine Reihe von im Jahr 2005 erschienenen Studien belegen zum Beispiel, dass einige Satellitendaten, die keine offensichtlichen Zeichen von Erwärmung in der Troposphäre – der unteren Schicht der Erdatmosphäre – zeigten, nicht korrekt waren. Bis dieser Fehler aber aufgedeckt wurde, waren aufgrund der fehlerhaften Daten bereits Zweifel an den Erderwärmungsmodellen entstanden.

Michael Mann, ausgezeichneter Professor für Atmosphärenwissenschaften an der Penn State University und Autor von The New Climate War, sieht eine gewisse Ironie in der Tatsache, dass man „Klimawissenschaftler aufgrund ihrer Vorhersagen immer als Alarmisten abgetan hat – dabei waren diese Prognosen hochgradig konservativ. Das sehen wir daran, dass die Folgen des Klimawandels schon heute dramatischer sind, als die Vorhersagen angekündigt haben.“

Der drohende Zusammenbruch des nordatlantischen Klimasystems sei nur ein Beispiel dafür. „Es erschien zwar wahrscheinlich, dass das passieren wurde, doch jetzt passiert es nicht nur: Es passiert viel früher als gedacht“, sagt er. Syukuro Manabe sei einer der ersten gewesen, der schon vor Dekaden auf diese Möglichkeit hingewiesen hat. „Das unterstreicht wieder einmal, dass das, was in der Klimawissenschaft passiert, das Schlimmste ist, was man sich als Klimamodellierer ausmalen kann: Deine schrecklichsten Vorhersagen werden wahr.“

Klimamodellierer räumen ein, dass ihre Wissenschaft auch heute noch nicht perfekt ist. Es bestünden weiterhin Unsicherheiten auf mehreren Ebenen.

„Sind alle physikalischen Prozesse in dem Modell berücksichtigt? Und wenn ja, werden sie korrekt dargestellt oder nicht?” Das sind die Fragen, die Klimamodellierer laut Katharine Heyhoe umtreiben. „Und dann gibt es noch ein zweites Problem: die parametrische Unsicherheit.“ Zudem würden manche Abläufe in einem derart kleinen Maßstab stattfinden – in Wolkenpartikeln, zum Beispiel – dass sie nicht gemessen werden könnten und abgeleitet werden müssten, was logischerweise zu Ungenauigkeiten führe. Die größte Unbekannte sei aber nicht in der Physik zu finden, sagt sie, sondern im Verhalten der Menschen und ihrer Bereitschaft, Treibhausgase zu reduzieren – oder eben nicht.

„Wüssten wir nicht, dass CO₂-Emissionen all diese negativen Folgen für uns haben, dass es nicht nur um so etwas Abstraktes wie die globale Erderwärmung geht, sondern um unsere Nahrung, unser Wasser, unsere Gesundheit und unsere Heimat, dann würden wir gar nichts unternehmen“, sagt sie.

„Darum mache ich diese Arbeit und darum sind die Modelle so wichtig: Sie zeigen uns, was gerade passiert und welche Verantwortung wir tragen. Und sie zeigen, was die Zukunft bringen wird. Ich freue mich auf den Tag, an dem wir Klimamodelle nur noch dafür einsetzen, ein besseres Verständnis von diesem unglaublichen Planeten zu bekommen. Im Moment zeigen sie uns aber, dass wir sofort etwas unternehmen müssen – und mit welchen ernsten, gefährlichen Folgen wir rechnen müssen, wenn wir das nicht tun.“

Dieser Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.