In dieser kleinen Serie möchte ich Sie hauptsächlich mit einem einzigen Buch bekanntmachen; einem Kompendium wissenschaftlicher Untersuchungen, mit Schwerpunkt auf neuen Erkenntnissen aus den vergangenen Jahren. Ich habe dieses Buch "Climate Change Reconsidered" hier vorgestellt und in der Ankündigung der Serie mein Motiv dafür genannt, mich mit ihm zu befassen:
Dieses Sammelwerk, an dem zahlreiche durch ihre wissenschaftlichen Arbeiten ausgewiesene Klimatologen mitgearbeitet haben, zeigt, daß die Theorie von der menschengemachten globalen Erwärmung (anthropogenic climate change, ACC) in der Form, wie sie vom IPCC (dem "Weltklimarat" der UNO) vertreten wird, keineswegs wissenschaftlich unumstritten ist. Es ist eine dominierende, aber nicht eine von der scientific community einhellig akzeptierte Theorie.
Es gibt viele Forscher, die an ihr zweifeln; und deren Argumente und die Fakten, die sie ins Feld führen, möchte ich in dieser Serie vorstellen. Ich werde das so tun, wie immer, wenn ich über wissenschaftliche Themen schreibe (siehe zum Beispiel die Serie Sarrazin auf dem Prüfstand der Wissenschaft): So allgemeinverständlich, daß es auch jemand nachvollziehen kann, der sich in dem betreffenden Forschungsbereich nicht auskennt. Jedenfalls versuche ich das.
Das bedingt die Konzentration auf das Wesentliche, also Vereinfachungen. Fachbegriffe vermeide ich, wenn irgend möglich, oder erläutere sie so, daß auch der Laie sie versteht.
Um die wissenschaftliche Diskussion zwischen Anhängern und Gegnern von ACC nachzuvollziehen, sollte man zunächst verstanden haben, was Klimamodelle sind und was eigentlich der sogenannte Treibhauseffekt ist. Damit befassen sich die jetzige und die anschließende Folge.
Ein Modell bildet etwas ab, aber unvollständig. Das Modell hat also einen Teil der Eigenschaften, die auch das Abgebildete hat; aber einen anderen Teil hat es nicht.
Nehmen Sie eine Modelleisenbahn. Ein Modell der, sagen wir, Baureihe 103 der damaligen Bundesbahn im Maßstab H0 hat die Proportionen der realen Lokomotive, ungefähr ihre Farbe und manche ihrer Details. Aber sie ist nur ein Siebenundachtzigstel so groß und entsprechend leichter, und sie ist aus anderem Material gefertigt. Zahllose Details und Eigenschaften der realen Lok fehlen dem Modell.
Ähnlich ist es, wenn beispielsweise ein Bauherr sich vom Architekten ein Modell seines neuen Hauses anfertigen läßt. Ihm kommt es darauf an, zu wissen, wie das Haus von außen aussehen wird, wie die Räume zueinander liegen usw. Diese Eigenschaften bildet der Architekt in dem Modell ab; nicht aber das technische Innenleben der Einbauküche oder das Material, aus dem die Fenster gefertigt sind.
Die Modelleisenbahn und das Modell des Architekten sind Beispiele für physische Modelle. Diese spielen auch in der Forschung eine gewisse Rolle. Wichtiger aber sind mathematische Modelle. Wenn man von Klimamodellen spricht, dann sind immer mathematische Modelle gemeint.
Im Prinzip leistet ein mathematisches Modell dasselbe wie ein physisches Modell: Es bildet etwas ab, aber unvollständig. Die Abbildung bedient sich lediglich einer anderen Sprache, eines anderen Formats.
Ein Herz kann man beispielsweise durch die Gleichung
(x2+ y2 - 1)3 - x2y3 = 0
beschreiben. Sitzt im Unterricht in Analytischer Geometrie der kluge Schüler neben der klugen Schülerin, in die er verknallt ist, dann mag er ihr vielleicht einen Blatt mit dieser Gleichung zuschieben. (Diese und andere Gleichungen, die noch schönere Herzen analytisch beschreiben, finden Sie hier).
Auch das Modell, das der Architekt von dem Haus baut, könnte man im Prinzip mit den Mitteln der Analytischen Geometrie algebraisch beschreiben; jedenfalls, was seine geometrischen Eigenschaften angeht. Aber das würde dem Bauherrn wenig Einblicke geben.
Umgekehrt könnte man im Prinzip auch Klimamodelle physisch erstellen: Eine nachgebaute Erdoberfläche, auf die man eine nachgebaute Sonne scheinen läßt, wo es Winde, Wolken, Regen usw. gibt.
Man würde damit aber nur sehr wenig von der Komplexität des Klimas erfassen. Dazu eignen sich ungleich besser mathematische Modelle. Sie beschreiben das Klima in Form eines Systems von Gleichungen, die angeben, wie bestimmte Ausgangsgrößen von bestimmten Eingangsgrößen abhängen und sich mit ihnen ändern.
Eine solche Gleichung beschreibt beispielsweise, wie die Temperatur an der Oberfläche der Erde von den für sie relevanten Faktoren abhängt.
Hätte die Erde keine Atmosphäre, dann würde ihre Temperatur durch nur drei Eingangsgrößen bestimmt werden: Durch die Sonnenenergie, die Entfernung der Erde von der Sonne und die sogenannte Albedo der Erde.
Die Albedo ist ein Kennwert zwischen 0,00 und 1,00, der angibt, wieviel von der auf eine Oberfläche auftreffenden Energie diese wieder abstrahlt.
Je niedriger die Albedo, umso "schwärzer" ist die betreffende Fläche. Frisch aufgetragener Asphalt hat beispielsweise eine Albedo von 0,04; frisch gefallener Schnee von 0,80 oder etwas mehr. Die mittlere Albedo der Erde liegt bei ungefähr 0,30.
Gegeben die von der Sonne abgestrahlte Energie und die Entfernung Erde-Sonne, würde das zu einer mittleren Temperatur auf der Erde von -18° Celsius führen. Tatsächlich liegt die mittlere Temperatur der Erde aber bei ungefähr +15°. Die Ursache dafür ist der Treibhauseffekt. Dieser ist also alles andere als schädlich; ohne ihn wäre es auf der Erde recht unwirtlich. Dazu mehr in der nächsten Folge.
Zunächst noch einige weitere Anmerkungen zu Klimamodellen.
Ein denkbar einfaches, das sozusagen elementare Klimamodell ist eines, das im Wortsinn global ist - das also für die gesamte Erde aus den Eingangsgrößen Sonnenenergie, Sonnentfernung, Albedo und Treibhauseffekt (zusammen mit einigen Konstanten) die Temperatur in der Erdatmosphäre berechnet. Ein solches Modell und seine Herleitung können Sie, falls Sie sich mit den mathematischen Details befassen wollen, hier ansehen.
Alle anderen Klimamodelle kann man sich als - allerdings gewaltige - Differenzierungen dieses Grundmodells vorstellen. Das Ziel ist es, Modell und Wirklichkeit in immer bessere Übereinstimmung zu bringen; so, wie der Architekt vielleicht mit einem Modell aus weißer Pappe anfängt, dann die Fenster aufmalt, Bäume in den Garten setzt und so fort.
Es ist wichtig, sich klarzumachen, daß diese Modelle, wie komplex sie auch sind, die Wirklichkeit lediglich beschreiben sollen; so, wie die H0-Lokomotive ein Abbild der realen Lokomotive sein soll.
Wenn ein Modell allerdings die Wirklichkeit richtig beschreibt, dann kann man es in einem zweiten Schritt auch für sogenannte Prognosen einsetzen. Das sind aber keine Vorhersagen der Art "Es wird dies und jenes eintreten"; sondern die Form dieser Prognosen ist: "Wenn sich die Eingangsgröße X so und so ändert, dann wird sich das auf die Temperatur so und so auswirken".
Man sollte deshalb statt von Prognosen besser von Szenarien sprechen (zum Unterschied zwischen Prognosen und Szenarien siehe Sarrazin auf dem Prüfstand der Wissenschaft (4): Demographische Entwicklung und Geburtenziffer von Einwanderern - Teil 1: Grundbegriffe; ZR vom 21. 9. 2010).
Es ist also eine Wenn-Dann-Beziehung, ein konditionaler Zusammenhang, der angegeben wird. Man könnte mit Hilfe des Grundmodells beispielsweise ausrechnen, wie sich die Temperatur auf der Erde ändern würde, wenn man deren Entfernung zur Sonne ändern könnte; oder die von der Sonne abgestrahlte Energie.
Worin unterscheiden sich die heutigen, komplexen Modelle von dem simplen Grundmodell?
Erstens teilen sie die Erde in Bereiche ein, statt sie als homogen zu behandeln. Diese werden als boxes bezeichnet. Man kann sich das wie die Pixel eines Bilds vorstellen. Innerhalb einer box werden die Verhältnisse als homogen angenommen; so, wie ein Pixel nur eine einzige Farbe und Helligkeit hat. Mit "Gitterweite" ist die Größe dieser boxes gemeint.
Zweitens sind es dynamische Modelle, welche die Wechselwirkungen zwischen zahlreichen Faktoren beschreiben. Es wird beispielsweise der Energietransport in der Atmosphäre berücksichtigt; sowohl vertikal (zum Beispiel aufsteigende Warmluft) als auch horizontal (zum Beispiel "einströmende Warmluft", wie wir sie gerade in Deutschland erleben). Es wird die lokale Albedo berücksichtigt, die in der Arktis und der Antarktis besonders hoch ist und die von der Wolkendecke abhängt. Prozesse über den Ozeanen und den Landmassen werden getrennt berechnet; und so fort.
Ein aktuelles Beispiel ist das Modell HadCM3. Seine Gitterweite beträgt 300 km; und in der Vertikalen werden 19 Schichten getrennt berechnet.
Je komplexer die Modelle werden, umso mehr Eingangsgrößen benötigt man natürlich. Wenn man viele boxes hat, dann muß man die Einflußgrößen für jede getrennt eingeben. Wenn man die Wirkung der Wolkendecke einbezieht, dann muß man jeweils deren Einfluß auf die lokale Albedo, aber andererseits auch auf den lokalen Treibhauseffekt in das Modell eingeben.
Denn das Modell kann ja selbst keine Messungen vornehmen. Die Supercomputer, auf denen solche Modelle laufen, sind number crunchers, Zahlenfresser. Aber diese ihre Nahrung, die Zahlen, müssen sie erst einmal bekommen.
Dazu hat man teils Meßwerte, teils muß man Schätzungen vornehmen. Beispielsweise, was die Wirkung von Wolken angeht, das sogenannte cloud forcing. Wolken haben einerseits, wie auch die Eisflächen der Arktis und Antarktis, eine hohe Albedo. Sie haben damit einen kühlenden Effekt. Andererseits wirken sie wie Filter, durch welche die Abstrahlung von langwelliger Wärmestrahlung in das Weltall vermindert wird; insofern tragen sie zum Treibhauseffekt bei.
Damit sind wir beim Treibhauseffekt angekommen. Er ist, wie Sie jetzt wissen, überhaupt nichts Schädliches, sondern unerläßlich für das Leben auf der Erde in seiner jetzigen Form.
Auch die ACC-Theorie behauptet nicht, daß der Treibhauseffekt menschengemacht sei. Behauptet wird aber, daß es einen zunehmenden menschlichen Beitrag zum Treibhauseffekt gibt, der diesen auf unerwünschte Weise verstärke. Dazu mehr in der nächsten Folge.
Dieses Sammelwerk, an dem zahlreiche durch ihre wissenschaftlichen Arbeiten ausgewiesene Klimatologen mitgearbeitet haben, zeigt, daß die Theorie von der menschengemachten globalen Erwärmung (anthropogenic climate change, ACC) in der Form, wie sie vom IPCC (dem "Weltklimarat" der UNO) vertreten wird, keineswegs wissenschaftlich unumstritten ist. Es ist eine dominierende, aber nicht eine von der scientific community einhellig akzeptierte Theorie.
Es gibt viele Forscher, die an ihr zweifeln; und deren Argumente und die Fakten, die sie ins Feld führen, möchte ich in dieser Serie vorstellen. Ich werde das so tun, wie immer, wenn ich über wissenschaftliche Themen schreibe (siehe zum Beispiel die Serie Sarrazin auf dem Prüfstand der Wissenschaft): So allgemeinverständlich, daß es auch jemand nachvollziehen kann, der sich in dem betreffenden Forschungsbereich nicht auskennt. Jedenfalls versuche ich das.
Das bedingt die Konzentration auf das Wesentliche, also Vereinfachungen. Fachbegriffe vermeide ich, wenn irgend möglich, oder erläutere sie so, daß auch der Laie sie versteht.
Um die wissenschaftliche Diskussion zwischen Anhängern und Gegnern von ACC nachzuvollziehen, sollte man zunächst verstanden haben, was Klimamodelle sind und was eigentlich der sogenannte Treibhauseffekt ist. Damit befassen sich die jetzige und die anschließende Folge.
Ein Modell bildet etwas ab, aber unvollständig. Das Modell hat also einen Teil der Eigenschaften, die auch das Abgebildete hat; aber einen anderen Teil hat es nicht.
Nehmen Sie eine Modelleisenbahn. Ein Modell der, sagen wir, Baureihe 103 der damaligen Bundesbahn im Maßstab H0 hat die Proportionen der realen Lokomotive, ungefähr ihre Farbe und manche ihrer Details. Aber sie ist nur ein Siebenundachtzigstel so groß und entsprechend leichter, und sie ist aus anderem Material gefertigt. Zahllose Details und Eigenschaften der realen Lok fehlen dem Modell.
Ähnlich ist es, wenn beispielsweise ein Bauherr sich vom Architekten ein Modell seines neuen Hauses anfertigen läßt. Ihm kommt es darauf an, zu wissen, wie das Haus von außen aussehen wird, wie die Räume zueinander liegen usw. Diese Eigenschaften bildet der Architekt in dem Modell ab; nicht aber das technische Innenleben der Einbauküche oder das Material, aus dem die Fenster gefertigt sind.
Die Modelleisenbahn und das Modell des Architekten sind Beispiele für physische Modelle. Diese spielen auch in der Forschung eine gewisse Rolle. Wichtiger aber sind mathematische Modelle. Wenn man von Klimamodellen spricht, dann sind immer mathematische Modelle gemeint.
Im Prinzip leistet ein mathematisches Modell dasselbe wie ein physisches Modell: Es bildet etwas ab, aber unvollständig. Die Abbildung bedient sich lediglich einer anderen Sprache, eines anderen Formats.
Ein Herz kann man beispielsweise durch die Gleichung
(x2+ y2 - 1)3 - x2y3 = 0
beschreiben. Sitzt im Unterricht in Analytischer Geometrie der kluge Schüler neben der klugen Schülerin, in die er verknallt ist, dann mag er ihr vielleicht einen Blatt mit dieser Gleichung zuschieben. (Diese und andere Gleichungen, die noch schönere Herzen analytisch beschreiben, finden Sie hier).
Auch das Modell, das der Architekt von dem Haus baut, könnte man im Prinzip mit den Mitteln der Analytischen Geometrie algebraisch beschreiben; jedenfalls, was seine geometrischen Eigenschaften angeht. Aber das würde dem Bauherrn wenig Einblicke geben.
Umgekehrt könnte man im Prinzip auch Klimamodelle physisch erstellen: Eine nachgebaute Erdoberfläche, auf die man eine nachgebaute Sonne scheinen läßt, wo es Winde, Wolken, Regen usw. gibt.
Man würde damit aber nur sehr wenig von der Komplexität des Klimas erfassen. Dazu eignen sich ungleich besser mathematische Modelle. Sie beschreiben das Klima in Form eines Systems von Gleichungen, die angeben, wie bestimmte Ausgangsgrößen von bestimmten Eingangsgrößen abhängen und sich mit ihnen ändern.
Eine solche Gleichung beschreibt beispielsweise, wie die Temperatur an der Oberfläche der Erde von den für sie relevanten Faktoren abhängt.
Hätte die Erde keine Atmosphäre, dann würde ihre Temperatur durch nur drei Eingangsgrößen bestimmt werden: Durch die Sonnenenergie, die Entfernung der Erde von der Sonne und die sogenannte Albedo der Erde.
Die Albedo ist ein Kennwert zwischen 0,00 und 1,00, der angibt, wieviel von der auf eine Oberfläche auftreffenden Energie diese wieder abstrahlt.
Je niedriger die Albedo, umso "schwärzer" ist die betreffende Fläche. Frisch aufgetragener Asphalt hat beispielsweise eine Albedo von 0,04; frisch gefallener Schnee von 0,80 oder etwas mehr. Die mittlere Albedo der Erde liegt bei ungefähr 0,30.
Gegeben die von der Sonne abgestrahlte Energie und die Entfernung Erde-Sonne, würde das zu einer mittleren Temperatur auf der Erde von -18° Celsius führen. Tatsächlich liegt die mittlere Temperatur der Erde aber bei ungefähr +15°. Die Ursache dafür ist der Treibhauseffekt. Dieser ist also alles andere als schädlich; ohne ihn wäre es auf der Erde recht unwirtlich. Dazu mehr in der nächsten Folge.
Zunächst noch einige weitere Anmerkungen zu Klimamodellen.
Ein denkbar einfaches, das sozusagen elementare Klimamodell ist eines, das im Wortsinn global ist - das also für die gesamte Erde aus den Eingangsgrößen Sonnenenergie, Sonnentfernung, Albedo und Treibhauseffekt (zusammen mit einigen Konstanten) die Temperatur in der Erdatmosphäre berechnet. Ein solches Modell und seine Herleitung können Sie, falls Sie sich mit den mathematischen Details befassen wollen, hier ansehen.
Alle anderen Klimamodelle kann man sich als - allerdings gewaltige - Differenzierungen dieses Grundmodells vorstellen. Das Ziel ist es, Modell und Wirklichkeit in immer bessere Übereinstimmung zu bringen; so, wie der Architekt vielleicht mit einem Modell aus weißer Pappe anfängt, dann die Fenster aufmalt, Bäume in den Garten setzt und so fort.
Es ist wichtig, sich klarzumachen, daß diese Modelle, wie komplex sie auch sind, die Wirklichkeit lediglich beschreiben sollen; so, wie die H0-Lokomotive ein Abbild der realen Lokomotive sein soll.
Wenn ein Modell allerdings die Wirklichkeit richtig beschreibt, dann kann man es in einem zweiten Schritt auch für sogenannte Prognosen einsetzen. Das sind aber keine Vorhersagen der Art "Es wird dies und jenes eintreten"; sondern die Form dieser Prognosen ist: "Wenn sich die Eingangsgröße X so und so ändert, dann wird sich das auf die Temperatur so und so auswirken".
Man sollte deshalb statt von Prognosen besser von Szenarien sprechen (zum Unterschied zwischen Prognosen und Szenarien siehe Sarrazin auf dem Prüfstand der Wissenschaft (4): Demographische Entwicklung und Geburtenziffer von Einwanderern - Teil 1: Grundbegriffe; ZR vom 21. 9. 2010).
Es ist also eine Wenn-Dann-Beziehung, ein konditionaler Zusammenhang, der angegeben wird. Man könnte mit Hilfe des Grundmodells beispielsweise ausrechnen, wie sich die Temperatur auf der Erde ändern würde, wenn man deren Entfernung zur Sonne ändern könnte; oder die von der Sonne abgestrahlte Energie.
Worin unterscheiden sich die heutigen, komplexen Modelle von dem simplen Grundmodell?
Erstens teilen sie die Erde in Bereiche ein, statt sie als homogen zu behandeln. Diese werden als boxes bezeichnet. Man kann sich das wie die Pixel eines Bilds vorstellen. Innerhalb einer box werden die Verhältnisse als homogen angenommen; so, wie ein Pixel nur eine einzige Farbe und Helligkeit hat. Mit "Gitterweite" ist die Größe dieser boxes gemeint.
Zweitens sind es dynamische Modelle, welche die Wechselwirkungen zwischen zahlreichen Faktoren beschreiben. Es wird beispielsweise der Energietransport in der Atmosphäre berücksichtigt; sowohl vertikal (zum Beispiel aufsteigende Warmluft) als auch horizontal (zum Beispiel "einströmende Warmluft", wie wir sie gerade in Deutschland erleben). Es wird die lokale Albedo berücksichtigt, die in der Arktis und der Antarktis besonders hoch ist und die von der Wolkendecke abhängt. Prozesse über den Ozeanen und den Landmassen werden getrennt berechnet; und so fort.
Ein aktuelles Beispiel ist das Modell HadCM3. Seine Gitterweite beträgt 300 km; und in der Vertikalen werden 19 Schichten getrennt berechnet.
Je komplexer die Modelle werden, umso mehr Eingangsgrößen benötigt man natürlich. Wenn man viele boxes hat, dann muß man die Einflußgrößen für jede getrennt eingeben. Wenn man die Wirkung der Wolkendecke einbezieht, dann muß man jeweils deren Einfluß auf die lokale Albedo, aber andererseits auch auf den lokalen Treibhauseffekt in das Modell eingeben.
Denn das Modell kann ja selbst keine Messungen vornehmen. Die Supercomputer, auf denen solche Modelle laufen, sind number crunchers, Zahlenfresser. Aber diese ihre Nahrung, die Zahlen, müssen sie erst einmal bekommen.
Dazu hat man teils Meßwerte, teils muß man Schätzungen vornehmen. Beispielsweise, was die Wirkung von Wolken angeht, das sogenannte cloud forcing. Wolken haben einerseits, wie auch die Eisflächen der Arktis und Antarktis, eine hohe Albedo. Sie haben damit einen kühlenden Effekt. Andererseits wirken sie wie Filter, durch welche die Abstrahlung von langwelliger Wärmestrahlung in das Weltall vermindert wird; insofern tragen sie zum Treibhauseffekt bei.
Damit sind wir beim Treibhauseffekt angekommen. Er ist, wie Sie jetzt wissen, überhaupt nichts Schädliches, sondern unerläßlich für das Leben auf der Erde in seiner jetzigen Form.
Auch die ACC-Theorie behauptet nicht, daß der Treibhauseffekt menschengemacht sei. Behauptet wird aber, daß es einen zunehmenden menschlichen Beitrag zum Treibhauseffekt gibt, der diesen auf unerwünschte Weise verstärke. Dazu mehr in der nächsten Folge.
Zettel
© Zettel. Links zu allen Folgen dieser Serie finden Sie hier. Für Kommentare bitte hier klicken. Titelbild vom Autor Switch off Hazelwood unter Creative Commons Attribution 2.0 Generic-Lizenz freigegeben.
