Modellrechnungen: Die Erde im digitalen Versuchslabor

Modellrechnungen: Die Erde im digitalen Versuchslabor

Mit Hilfe von Klima- oder Erdsystemmodellen lassen sich Prozesse in unserem Erdsystem verstehen und vergangene oder künftiger Entwicklungen berechnen.

Dafür teilen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Erde in dreidimensionale Gitterboxen ein – je kleiner deren Kantenlänge, desto genauer das Modell. An jedem Eckpunkt einer Gitterbox wird eine auf den physikalischen Grundgesetzen basierende mathematische Gleichung gelöst, um dort verschiedene Faktoren wie Temperatur, Niederschlag oder Sonneneinstrahlung zu berechnen. Viele Prozesse jedoch, wie etwa Wirbelstürme oder die Bildung von Regentropfen und Wolken, sind so kleinräumig, dass sie quasi durch die Maschen des Gitternetzes fallen. Je nach räumlicher und zeitlicher Auflösung eines Modells kann so das globale, regionale oder städtische Klima betrachtet werden – in naher oder ferner Zukunft.

Wie verändert sich zum Beispiel die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre, die Solarstrahlung oder die Beschaffenheit der Erdoberfläche? In Abhängigkeit dieser Randbedingungen berechnen die Modelle, wie das Klima in 50 Jahren sein könnte oder wie die Meeresströmungen in 100 Jahren verlaufen.

Für den Start der Modellrechnungen muss der Anfangszustand rekonstruiert werden, also das Erdsystem vergangener Jahrhunderte und Jahrtausende. Dabei bedienen sich die Forscher sogenannter Stellvertreterdaten aus Baumringen, Sediment- und Eisbohrkernen. Mit Hilfe aktueller Satelliten-, Feld- und Labordaten werden dann später die Ergebnisse der Modelle überprüft. Baut man Modelle so um, dass zusätzlich aktuelle Wetterdaten eingespeist werden können, kann für ein halbes Jahr im Voraus sogar die wahrscheinliche „Großwetterlage“ berechnet werden.

Aus der Forschung: Am Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit der Universität Hamburg arbeitet Professorin Johanna Baehr mit ihrer Arbeitsgruppe daran, solche El-Niño-Ereignisse vorherzusagen.

Alle zwei bis sieben Jahre krempelt das Klimaphänomen El Niño den Pazifikraum um. So auch im Winter 2015/16. Warmes Pazifikwasser strömt dann an der Oberfläche nicht wie gewohnt von Südamerika Richtung Westen, sondern umgekehrt von Südost-Asien an die Küsten Südamerikas. Weil sich dadurch auch die Luftzirkulation ändert, bleiben über Südostasien die Niederschläge aus. Südamerika kann dagegen mit wärmerem Küstenwasser und starken Regenfällen rechnen.

Je treffsicherer diese saisonalen Vorhersagen, desto besser können sich die betroffenen Länder auf die Folgen vorbereiten. Kann so auch berechnet werden, wie kalt der nächste Winter in Hamburg wird? Nicht unbedingt, denn das Wetter hier ist besonders chaotisch und schwer berechenbar.

Während die Lage im Pazifik fast ausschließlich von El Niño bestimmt wird, hängt sie bei uns von äußerst vielen Faktoren ab. El Niño kann dabei eine spürbare Rolle spielen – muss er aber nicht. Bestimmend für unser Wetter ist vor allem der Wettstreit zwischen Azorenhoch und Islandtief.

Weitere Informationen zur Klimaforschung am CEN