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Eiszeitsimulation im Computer



Vor rund 21000 Jahren bedeckten kilometerdicke Eisschilde Nordeuropa und Teile Nordamerikas. Die Gletscherzungen reichten bis nach Berlin; große Teile Deutschlands waren eine baumlose Tundra, und bis nach Frankreich hinein erstreckte sich eine trockene Steppenlandschaft. Bedeutete die extreme Kälte für die frühen Bewohner des europäischen Kontinents einen harten Überlebenskampf, so ist sie heute zur Bewährungsprobe für die Klimaforschung geworden.

Zu deren Standardmethoden gehören seit Jahrzehnten Computersimulationen. Sie dienen unter anderem dazu, die Entwicklung des Klimas im kommenden Jahrhundert zu prognostizieren. Vor allem sucht man dabei abzuschätzen, wie sich die massenhafte Freisetzung von Gasen wie Kohlendioxid auswirkt, die den Treibhauseffekt der Erdatmosphäre verstärken. Solche Simulationen bilden die Grundlage politischer Bemühungen um international koordinierte Maßnahmen zum Klimaschutz, wie sie zuletzt Gegenstand der Weltklimakonferenz in Kioto waren (siehe Spektrum der Wissenschaft, März 1998, Seite 96).



Die Grenzen herkömmlicher Klimasimulationen




Obwohl die Computermodelle in den letzten Jahren stetig verfeinert worden sind und das heutige Klima immer genauer wiedergeben, bedeutet dies noch nicht, daß sich auch starke Änderungen damit korrekt vorausberechnen lassen. Als Test bietet sich die Simulation früherer Klimaverhältnisse an – insbesondere derjenigen während der letzten Eiszeit.

Die benötigten Informationen sind weitgehend vorhanden. Aus Bohrungen im Grönlandeis, Analysen von Tiefseesedimenten, der Verteilung von Pollen verschiedener Bäume und Gräser, den Jahresringen tropischer Korallen, dem Vordringen von Gletschern und den Baumgrenzen im Gebirge kennt man die damaligen Temperaturen im Meer und auf dem Land sowie die Verteilung der Eismassen recht gut und kann selbst Winde, Meeresströmungen und Niederschlagsmengen rekonstruieren. Luftbläschen im Grönlandeis geben zudem Aufschluß über den früheren Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre (siehe auch "Grönlands eisiges Klima-Archiv" von Richard B. Alley und Michael L. Bender, Spektrum der Wissenschaft, April 1998, Seite 50).

Trotzdem konnten bisher allenfalls Teilaspekte des Eiszeitklimas simuliert werden, meist nur die atmosphärischen Bedingungen. Dabei gibt man die an Tiefseesedimenten bestimmten einstigen Meerestemperaturen vor, legt also die Daten für zwei Drittel der Erdoberfläche vorab fest. Doch erst wenn Ozean und Atmosphäre gemeinsam als geschlossenes System simuliert werden, kann sich ein Klimagleichgewicht wirklich frei einstellen. Bei einem echten Test für das Computermodell dürfen keine beobachteten Temperaturen hineingesteckt werden; vielmehr sind möglichst alle Parameter frei zu errechnen und erst nachträglich mit den vorliegenden Daten zu vergleichen.

Eine derart umfassende Simulation ist bisher an den begrenzten Rechnerkapazitäten gescheitert. Herkömmliche Modelle benötigen einen so enormen Rechenaufwand, daß sich selbst mit den schnellsten Supercomputern nur einige hundert Jahre simulieren lassen. In dieser kurzen Zeitspanne läßt sich ein so stark vom heutigen Zustand abweichendes Klimagleichgewicht wie das der Eiszeit nicht erreichen, weil die Ozeane sehr träge reagieren und bis zu einige tausend Jahre brauchen, um sich vollständig auf neue Klimabedingungen einzustellen.

Am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung haben wir deshalb in den vergangenen Jahren ein neues Klimamodell entwickelt, das solche Simulationen langer Zeiträume nun problemlos ermöglicht – ein Verdienst insbesondere unserer russischen Kollegen Andrey Ganopolski und Vladimir Petoukhov. Das Erfolgsgeheimnis ist eine radikale Vereinfachung nach dem im ersten Moment vielleicht paradox klingenden Grundsatz: Das Modell kennt kein Wetter, sondern ausschließlich Klima.

Unter Klima versteht man die über einen längeren Zeitraum statistisch gemittelten Wetterbedingungen – nicht nur in der Atmosphäre, sondern auch im Meer (in Form großräumiger Wasserbewegungen wie dem Golf- oder Humboldtstrom). Während das Wetter bestenfalls einige Tage im voraus berechnet werden kann, läßt sich das Klima wesentlich leichter vorhersagen – zumindest wenn äußere Faktoren wie die Leuchtkraft der Sonne bekannt sind. Zur Illustration denke man an ein Fußballspiel zwischen zwei ungleich starken Mannschaften. Der Spielverlauf ist im mathematischen Sinne chaotisch (wie das Wetter), und die Bewegung des Balles läßt sich jeweils nur wenige Sekunden vorhersehen. Trotzdem kann man anhand der Spielstärken der Mannschaften ziemlich sicher voraussagen, wer gewinnen wird.

Herkömmliche Klimamodelle (fachsprachlich general circulation models oder kurz GCMs genannt) haben sich aus den Computerprogrammen der Meteorologen entwickelt und berechnen das gesamte Wettergeschehen – jedes wandernde Tief- und Hochdruckgebiet. Dies ist allerdings nur erforderlich, wenn Details des Klimas wie die Anzahl, Stärke und mittlere Zugbahn von Wirbelstürmen bestimmt werden sollen. Auf das Fußballspiel übertragen, würden die komplexen Modelle jeden einzelnen Spielzug durchrechnen. Jede Partie verliefe dabei im Detail anders, aber im Mittel käme das richtige Torverhältnis heraus, wenn die Parameter (die Angaben über die Stärken der Spieler) stimmen.

Nun hinkt der Vergleich insofern, als die Tagesform der Spieler variabel ist, so daß auch eine Begegnung zwischen ungleich starken Mannschaften spannend bleibt und ein überraschendes Ergebnis haben kann. Bei bekannter Tagesform dagegen ließe sich aus den Stärken der Mannschaften direkt das Ergebnis vorhersagen, ohne daß der Verlauf der Partie im einzelnen simuliert werden müßte.

Das ist die Grundidee hinter dem neuen Potsdamer Klimamodell. Es berechnet nicht mehr das Wetter, sondern gleich mittlere Klimagrößen – zum Beispiel die durchschnittlichen Werte für Temperatur, Niederschlagsmenge, Bewölkung und Windstärke eines typischen Juni. Dabei konnten wir auf Ergebnisse jahrzehntelanger Forschungsarbeiten in einem wenig beachteten Feld der Klimatologie zurückgreifen, das die Zusammenhänge zwischen Klimagrößen wie der großräumigen Temperaturverteilung und der Zirkulation der Atmosphäre erforscht.

Unser Simulationsverfahren braucht nur etwa ein Tausendstel der Rechenzeit eines GCM. Selbstverständlich kann es die bisherigen Modelle nicht ersetzen – die Ergebnisse sind bei weitem nicht so detailliert. Es eröffnet aber viele neue An-wendungsmöglichkeiten, die herkömmlichen Programmen wegen des hohen Rechenaufwandes verschlossen waren.



Im Zeitraffer in die Vergangenheit




Dazu gehört insbesondere die Simulation des Eiszeitklimas. Für diese Berechnung stellten wir die vor 21000 Jahren herrschende Sonneneinstrahlung im Modell ein, setzten die bekannten Eismassen auf die Kontinente und erniedrigten den Kohlendioxidgehalt der Luft auf den damaligen Wert. Letzte Ursache der periodisch wiederkehrenden Eiszeiten sind kleine Schwankungen in der Erdbahn und daraus resultierende Änderungen der Sonneneinstrahlung; die kontinentalen Eispanzer und der verringerte Kohlendioxidgehalt gehören eigentlich bereits zu den Folgen. Da das Modell aber nur das Meereis simuliert und noch kein Kontinentaleis berechnen kann, schrieben wir dessen Existenz einfach vor. Ebenso verfuhren wir mit dem Kohlendioxid. In Zukunft sollen freilich auch diese Klimaparameter mit berechnet werden.

Unter den geschilderten Bedingungen ließen wir das Modell 5000 Jahre simulieren, bis sich ein neues Klimagleichgewicht eingestellt hatte. Dabei ergab sich eine bodennahe Lufttemperatur, die im globalen Mittel um sechs Grad Celsius unter der heutigen liegt. Dieser Wert und die errechneten regionalen Unterschiede – wesentlich stärkere Abkühlung in hohen nördlichen Breiten als in den Tropen und auf der Südhalbkugel (Bild 1) – stimmen gut mit dem überein, was aus geologischen und fossilen Zeugnissen über die einstigen Temperaturverhältnisse bekannt ist. Auch andere Ergebnisse der Simulation erwiesen sich als realistisch – zum Beispiel eine Ausdehnung der Westwindzone und eine Intensivierung der Passatwinde auf der Nordhalbkugel sowie eine große Trockenheit in Europa.



Der Einfluß der Meeresströmungen




Das vielleicht interessanteste Resultat war, daß die besonders starke Abkühlung auf dem europäischen Kontinent wesentlich von Änderungen der Meeresströme herrührte. Von den insgesamt etwa achteinhalb Celsiusgraden, um welche die mittlere Lufttemperatur auf der Nordhalbkugel insgesamt sank, waren den Berechnungen zufolge allein drei Grad der Verlagerung der Nordatlantikströme zuzuschreiben; einige Gebiete kühlten dadurch sogar um mehr als zwanzig Grad ab. Diese Umstellung des marinen Zirkulationsmusters vollzog sich im Modell im wesentlichen so, wie es Geologen aus Sedimentbohrkernen für die Eiszeit rekonstruiert haben (Bild 2).

Damit bestätigte sich die große Bedeutung der Meeresströme für das Klima. Ihr Einfluß ist auch bei Prognosen über die Folgen einer anthropogenen Verstärkung des Treibhauseffektes zu berücksichtigen. Während eine Erwärmung der Erde um zwei bis drei Grad bis zum Ende des nächsten Jahrhunderts schon länger vorhergesagt wurde, befürchten viele Klimaforscher inzwischen zudem, daß es durch die Emission von Treibhausgasen auch wieder zu einer weiträumigen Abschwächung oder Verlagerung von Meereströmen kommen könnte (siehe "Plötzliche Klimawechsel" von Wallace S. Broecker, Spektrum der Wissenschaft, Januar 1996, Seite 86). Ob dies für Nordeuropa den Erwärmungstrend umkehren oder nur abmildern würde, läßt sich mit den heutigen Modellen noch nicht sicher vorhersagen. In jedem Falle dürfte aber die Sauerstoffversorgung der Tiefsee beeinträchtigt werden – mit fatalen Folgen für die Biologie der Meere.

Wir haben mit unserem Modell inzwischen auch Zukunftsszenarien durchgerechnet; im Einklang mit den bisherigen Simulationen ergibt sich eine deutliche Erwärmung des Planeten einschließlich einer Verlangsamung der Meerwasserzirkulation, falls die Menschheit weiterhin ungebremst Treibhausgase emittiert. Der erfolgreich bestandene Eiszeittest verleiht diesem Ergebnis besondere Glaubwürdigkeit.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 1998, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
5 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 5 / 1998

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