Das Chaos verstehen: Der Physiknobelpreis für die Klimaforschung

Das Klima ist komplex. Das ist trivial, aber auch mehr als richtig. Seit ich für den Podcast „Das Klima“ den fast 4000 Seiten langen Bericht des Weltklimarates (und das ist nur der erste Teil!) lese, verstehe ich erst so richtig, WIE komplex es ist, wenn man verstehen will, wie das Klima der Erde funktioniert. Alles hängt mit allem zusammen; es gibt fast nichts, was das Klima nicht beeinflusst und kaum etwas, was vom Klima nicht beeinflusst wird. Dass wir überhaupt vernünftig verstehen können, was da abgeht, ist beeindruckend genug. Und das wir es so gut verstehen, wie das mittlerweile der Fall ist, ist eine gewaltige wissenschaftliche Leistung. Eine Leistung, für die man mehr als nur einmal einen Nobelpreis vergeben könnte. Aber zumindest wurde in diesem Jahr der Nobelpreis für die Erforschung des Klimas vergeben und es lohnt sich, einen etwas genaueren Blick auf diese Forschung zu werfen.

Ausgezeichnet wurden 2021 Syukuro Manabe und Klaus Hasselmann “for groundbreaking contributions to our understanding of complex physical systems”. Außerdem auch noch Giorgio Parisi “for the discovery of the interplay of disorder and fluctuations in physical systems from atomic to planetary scales” (aber Parisis Arbeit spare ich mir für einen späteren Artikel auf, da blicke ich selbst noch nicht so ganz durch). Die Begründung des Nobelpreiskomitees ist wie üblich kurz und eher allgemein. „Bahnbrechende Beiträge“ sind ja schön und gut, aber um was geht es genau?

Schauen wir zuerst einmal zu Syukuro Manabe. Wir wissen heute mehr als gut, dass Kohlendioxid in der Atmosphäre für eine Erwärmung des Planeten sorgt. Das hat man schon im frühen 19. Jahrhundert vermutet, danach mit Experimenten demonstriert und spätestens seit der Arbeit von Svante Arrhenius zu Beginn des 20. Jahrhunderts wissen wir das auch genau. Der schwedische Chemiker hat damals berechnet, dass die Durchschnittstemperatur um 5 bis 6 Grad steigen würde, wenn sich die Menge an CO2 in der Atmosphäre verdoppelt. Diese Größe nennt man heute in der Klimaforschung die „Klimasensitivität“ und sie ist eine zentrale Zahl wenn es darum geht, das Klima und die menschengemachte Klimakrise zu erforschen.

Arrhenius‘ Arbeit war zwangsläufig noch etwas ungenau; Manabe wollte die Sache in den 1950er Jahren etwas genauer angehen. Er hat daher ein Modell entwickelt, mit dem sich auch die vertikale Bewegung der Luftmassen in der Atmosphäre beschreiben lässt. Warme Luft steigt auf, kalte Luft sinkt ab. Je wärmer die Luft ist, desto mehr Wasserdampf kann sie enthalten und auch das ist ein sehr starkes Treibhausgas. Wenn die warme, feuchte Luft hoch oben in der Atmosphäre abkühlt, können sich Wolken bilden und die Wärme wieder freisetzen. Diesen Zyklus muss man berücksichtigen, wenn man wissen will, wie sehr sich die Atmosphäre erwärmt. Es reicht nicht einfach nur zu schauen, wie sehr die Sonne den Erdboden erwärmt und wie viel von dieser Wärme dann in der Atmosphäre landet. Man muss auch berücksichtigen, wie diese Wärme die Luftmassen zirkulieren und Wolken entstehen lässt. Das lässt sich einfach beschreiben, aber auch berechnen? Das sind, selbst mit Vereinfachungen, sehr komplexe Gleichungen die man da lösen muss und das geht nur mit Computern. Die gab es damals natürlich noch nicht in der heutigen Form. Aber Manabe und seine Kollegen haben klein angefangen, mit einem eindimensionalen Modell. Also quasi einer Atmosphäre, in der es nur Bewegung nach oben und nach unten gibt, aber in keine andere Richtung. Schon diese einfachen Modelle brachten neue Erkenntniss und mit dem Fortschreiten der Computertechnik konnte Manabe auch die Modelle komplexer machen. Bis hin zu einer vollen dreidimensionalen Betrachtung der Atmosphäre; etwas, was heute Standard ist.

Schon Ende der 1960er Jahre konnte Manabe zeigen, dass (auch damals schon) beobachtete Erwärmung der Erde auf den Anstieg von Kohlendioxid zurück gehen muss. Seine Modelle demonstrierten, dass CO2 zwar in der unteren Atmosphäre für eine Erwärmung sorgt; sie am oberen Ende aber umso kälter wird, je mehr CO2 enthalten ist. Dort gibt die Atmosphäre Wärme ins All ab und kann schnell auskühlen; umso schneller, je wärmer sie ist. Wäre – wie früher immer wieder behauptet wurde und auch manche Klimawandelleugner es auch heute noch behaupten – ein Anstieg der Sonnenstrahlung verantwortlich, dann würde die Atmosphäre oben wie unten wärmer werden.

Manabe hat also die Grundlage der modernen Klimamodelle gelegt und konnte die Klimasensitivität auf 2,3 bis 3 Grad bestimmen. Die heutigen Modelle berechnen sie zu 2,5 bis 4 Grad; Manabe war also schon recht nahe dran. Mindestens ebenso wichtig wie die Arbeit von Manabe war auch die Forschung von Klaus Hasselmann. Er hat sich mit einem grundlegenden Problem der Klimaforschung beschäftigt: Das Wetter ist chaotisch. Das bedeutet, dass die Phänomene die das sich täglich ändernde Wetter verursachen so komplex und voneinander abhängig sind, dass langfristige Vorhersagen unmöglich sind. Schon kleinste Änderungen können zu extrem großen Änderungen beim Resultat einer Vorhersage führen. Das ist das, was man landläufig als „Schmetterlingseffekt“ kennt. Um das Wetter vorhersagen zu können, muss man sehr genau über den aktuellen Zustand der Atmosphäre Bescheid wissen. Man muss die Temperatur, die Windgeschwindigkeit, die Luftfeuchtigkeit, den Luftdruck, usw nicht nur sehr genau an einem einzigen Ort kennen sondern an so vielen Orten in der Atmosphäre wie möglich. Daraus kann man dann vorhersagen, wie sie sich in einem bestimmten Zeitraum verändern werden. Ist die Ausgangssituation aber nur minimal anders – illustriert durch die Veränderung die der Flügelschlag eines Schmetterlings in der Atmosphäre verursacht – dann kann die Vorhersage unter Umständen ein dramatisch anderes Resultat liefern. Echte Schmetterlinge spielen in der Wettervorhersage keine Rolle, aber man kann die nötigen Parameter nicht überall und beliebig genau bestimmen. Und deswegen kann man das Wetter auch nur für kurze Zeit halbwegs exakt prognostizieren.

Klima ist jetzt aber nichts anderes als die langfristige, statistische Betrachtung des Wetters. Wir können heute nicht vorhersagen, wie das Wetter an einem bestimmten Tag im kommenden Juli sein wird. Aber wir sind uns ziemlich sicher, dass der Juli tendenziell wärmer sein wird als der Oktober. Klar, es kann durchaus Tage im Oktober geben, an denen es wärmer ist als an manchen Tagen im Juli. Aber statistisch gesehen ist es im Sommer wärmer als im Herbst. Das „Rauschen“ des sich kurzfristig schnell verändernden Wetters macht es allerdings schwierig, das Klima vorherzusagen.

Hasselmann wollte dieses Problem lösen und hat sich dafür bei verschiedenen Quellen inspirieren lassen. Bei der Signalverarbeitung zum Beispiel, wo es ja gerade darum geht, Informationen aus verrauschten Signalen zu extrahieren. Aber auch bei Albert Einstein, der ja durchaus mehr als nur „E=mc²“ aufgeschrieben hat. Unter anderem auch eine Arbeit über die Brownsche Bewegung. Der Botaniker Robert Brown hat Pollenkörner unter dem Mikroskop betrachtet und gesehen, dass die Dinger sehr chaotisch hin und her zuckeln. Er hielt das für eine „Lebenskraft“ die in den Pollen steckt; später hat man es auf die Kollisionen der Pollen mit den auch unter dem Mikroskop unsichtbaren Molekülen des Wassers zurück geführt. Einstein konnte ein Modell entwickeln, mit dem er die chaotische Bewegung der Moleküle und so auch das Zucken der Pollen beschreiben konnte.

Der Zusammenhang mit dem Klima liegt nahe: Das Pollenkorn ist das Klima und wir wollen wissen, wie es sich im Laufe der Zeit verändern wird. Überlagert wird das ganze aber von der chaotischen, viel schneller ablaufenden Veränderung im Wetter. Was Einstein für die Bewegung der Moleküle getan hat, tat Hasselmann für das Klima. Er baute eine Modell, dass in der Lage war, das unregelmäßige Rauschen des Wetters zu inkludieren und dadurch das Klima zu beschreiben. Das war aber nur der erste Schritt: Danach entwickelte Hasselmann etwas, das sich „Fingerprinting“ nennt. Es gibt ja viele Möglichkeiten, wie sich das Klima verändern kann. Zum Beispiel durch Vulkanausbrüche. Oder durch Veränderungen in der Aktivität der Sonne. Durch Veränderungen in der Umlaufbahn der Erde. Und natürlich durch die von uns Menschen in die Atmosphäre entlassenen Treibhausgase. Beobachten tun wir aber nur die Mischung all dieser Effekte. Woher wissen wir nun, welche Anteile groß sind; welche relevant sind? Hasselmann konnte mit seinem Modellen zeigen, dass die unterschiedlichen Klimatreiber das chaotische Wettersignal auf unterschiedliche Weise verändern. Das sind die „Fingerprints“ und dank ihnen wissen wir, dass wir für die aktuelle Klimakrise verantwortlich sind.

Ganz vereinfacht gesagt kann man die Klimamodelle von Hasselmann (bzw die, die sich aus seiner Arbeit entwickelt haben) mal nur mit den Einflüssen von Vulkanen rechnen und alles was von uns Menschen stammt, ignorieren. Tut man das, dann sieht man recht klar, dass diese Modelle NICHT mit den Beobachtungen zusammenpassen. Die einzige Möglichkeit, die Beobachtungen mit den Modellen in Einklang zu bringen, besteht in der Inkludierung der menschengemachten Treibhausgase.

Dank der Arbeit von Manabe und Hasselmann haben wir heute Klimamodelle, die uns nicht nur mit Sicherheit zeigen, dass sich die Erde erwärmt und das es die Treibhausgase sind, die das verursachen. Sondern auch, dass es unmöglich ist, diese Erwärmung nur mit natürlichen Ursachen zu erklären. Die Klimakrise haben wir Menschen zu verantworten. Das mag deprimierend klingen und das ist es auch. Darüber hinaus ist es auch erschreckend. Aber immerhin wissen wir Bescheid. Und nur weil wir wissen, was mit dem Klima passiert, haben wir noch eine Chance, die schlimmsten Auswirkungen der Klimakrise noch zu verhindern. Die Forschung von Manabe und Hasselmann hat es uns nicht nur ermöglicht, die Klimakrise zu verstehen, sondern auch die Wege, die uns da wieder herausführen können. Und dafür kann man absolut zu Recht einen Nobelpreis vergeben.