Klimaforschung: Welche Auswirkung hat die vom Menschen beschleunigte Aufheizung der Erde?

In Sandalen die Welt von morgen suchen

Im Hamburger Max-Planck-Institut arbeiten 150 Wissenschaftler an Formeln, mit denen sich der Zustand des Planeten in 100 Jahren errechnen läßt

Von Peter Sartorius

Hamburg, im Oktober – Bakan, der

Bayer, studiert Wolken – manchmal von unten mittels eines Laser-Geräts aus der Abteilung des Kollegen Bösenberg, manchmal an Bord eines Spezialflugzeugs von oben oder, was noch spannender ist, von innen, etwa über Spitzbergen. Meistens aber macht Bakan Beobachtungen von seinem Hamburger Arbeitsplatz aus, wenn sich die Wolken in physikalische und chemische Formeln aufgelöst haben. Dann stellt er Fragen an sich selbst – die Teilchengröße im Wasserdampf betreffend oder den Umstand, daß sich Wolken über dem Nordatlantik in Hunderte von Kilometern langen, parallel laufenden Wolkenbändern organisieren. Welche Bedeutung könnte dies für den Wärmeaustausch zwischen Atmosphäre und Ozean haben? Eminent wichtig, sagt Bakan, ein Arbeitsschwerpunkt.

Aber was eigentlich ist nicht wichtig? Bakans Kollege Graf, der Sachse, verfolgt bei allem Mitgefühl für die Betroffenen begierig Vulkanausbrüche, egal in welcher Weltecke. Je mächtiger die Eruption, desto eindrucksvoller die Auswirkung auf Wolken, Winde, Wirbel und vieles andere, was das Klima der Erde bestimmt. Stundenlang kann Graf da erzählen, beginnend bei den vulkanischen Aerosolen, Rußpartikeln, die zur Wolkenbildung führen, was die Sonneneinstrahlung beeinträchtigt und die Mittelatmosphäre abkühlen läßt, auch wenn, andererseits, die Wolken die Wärmeabstrahlung der Erde absorbieren und eine Erwärmung bewirken. Jedenfalls verstärkt sich ein polarer Wirbel, der wiederum die planetaren Wellen beeinflußt, die als Führungsschienen der Tiefdruckgebiete fungieren . . . Graf ist erst am Anfang seines spannenden Kollegs, aber Wesentliches ist bereits gesagt: nämlich daß alles, was in der Natur geschieht, zu Kettenreaktionen führt.

Zerfranstes Biotop

Gleiches gilt, wenn der Mensch in die Prozesse der Natur eingreift und als Emission des Industriezeitalters seinen rasselnden Atem in die Atmosphäre stößt, anthropogene Treibhausgase, vor allem Kohlendioxid, wovon noch die Rede sein wird. Aber zu berichten ist zunächst von einer anderen Kettenreaktion, die ganz persönlich Hasselmann betrifft, einen in Ehren und mit silbernem Bart ergrauten Mann. Als Physikstudent hatte er vor fast einem halben Jahrhundert nach einer Systematik im Zusammenwirken von kurzen und langen Wellen im Meer gesucht, woraus sich folgerichtig ergab, daß er Ozeanologe, dann Klimaforscher, dann Professor und am Ende – indes auch schon vor mehr als 20 Jahren – Begründer und Direktor des Hamburger Max-Planck-Instituts für Meteorologie wurde.

Und dort haben wir uns eingefunden, um zu studieren, was das eigentlich ist: Klima. Und wie es erforscht wird in der doppelstöckigen Baracke, in der das Institut zwischen einem Uni-Hochhaus namens Geomatikum und einem zerfransten Biotop mit dazugehörendem Tümpel ein Hinterhofdasein führt, freilich eines, dem immer größere Bedeutung zukommt, jetzt, da eine vom Menschen mitverursachte allmähliche Klimaaufheizung registriert und die erhöhte Temperatur als ein ernsthaftes Krankheitssymptom der Welt erkannt worden ist. Wer sich professionell damit beschäftigt, muß nicht unbedingt Meteorologe sein. In der Mehrheit sind die 150 wissenschaftlichen Mitarbeiter des Instituts promovierte und habilitierte Physiker oder Chemiker, die indes mit ihren Titeln so lässig umgehen wie mit ihrem Outfit, zu dem kurze Hosen und Birkenstock-Sandalen gehören. Mit der mangelhaften Klimatisierung der Baracke könnte das zusammenhängen. Aber reizvoller ist der Gedanke, es könne sich um einen dezenten Hinweis der Fachwelt handeln, die weiß, was auf die Welt zukommt. Zwar steigt deren Mitteltemperatur, kurz Klima genannt, scheinbar minimal und liegt heute lediglich ein halbes Grad über jener vor hundert Jahren, als das Abgaszeitalter begann. Aber in nochmals hundert Jahren wird nach allen Berechnungen die Zunahme eben nicht nur weitere 0,5 Grad, sondern zwei volle Grad ausmachen, was ersichtlich macht, daß da ein Schwungrad in Gang ist, das die Aufheizung beängstigend beschleunigt.

Und was das zur Folge haben kann, wird jedem schlagartig klar, der Bengtsson zuhört, dem Schweden und Co-Direktor im Institut, der bei Tee und Keksen darauf zu sprechen kommt, daß das eigentlich Dramatische der Umstand sei, daß die Erwärmung, soweit der Mensch sie bewirkt, vermutlich nicht mehr rückgängig zu machen ist. Die Kettenreaktion, wie bei der Atomkraft. Aber Bengtsson hält sich bei der Analogie nicht auf, referiert jetzt über El Niño, das pazifische Klimaphänomen, das die Passatwinde erlahmen läßt und dadurch weltweit das Wetter durcheinanderbringt. Dürre in Australien, Waldbrände in Indonesien, Fischsterben vor Peru, winterliche Kältewellen in Regionen, wo es erst Herbst sein sollte. Vielleicht kommt zum Jahresende noch Schlimmeres, wenn El Niño seinen Kulminationspunkt erreicht haben wird. Man wird dann, soviel ist jetzt schon sicher, den stärksten El Niño aller Zeiten messen. Nicht, daß Bengtsson dies unbedingt der allgemeinen Erwärmung der Welt und menschlichem Einfluß zuschreiben würde. Dafür gibt es noch zu wenig Erkenntnisse, außerdem ist es, ein paar Türen weiter in der Baracke, der Forschungsgegenstand des Kollegen Latif. Aber Gedanken macht sich Bengtsson doch darüber, ob sich da nicht im Zusammenwirken von langfristiger Klimaerwärmung und kurzfristiger Wetteränderung Tiefdruckgebiete verschieben und dann eines Tages, zum Beispiel, in China der Gelbe Fluß überläuft, der bereits jetzt nur mühsam in seinen Dämmen gehalten werden kann. Das Oder-Hochwasser in fürchterlicher Potenz. Millionen Opfer denkbar, sagt Bengtsson leidenschaftslos, Todesopfer.

Aber es ist nicht die Stunde von Horror-Visionen. Ums Prinzipielle geht es, darum, daß sich der Planet eben in beschleunigtem Tempo erwärmt. Schon vor Jahren hat die Wissenschaft in einer Art Bibel mit dem Titel Climate Change 1995 darauf hingewiesen, daß nicht nur die Natur mit ihren Zyklen, sondern auch der Mensch mit seinen Emissionen schuld ist. Großen Eindruck hat dies nicht gemacht, und auch auf der bevorstehenden Weltklimakonferenz im japanischen Kyoto wird eine wirksame Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes der Industriestaaten kaum zu erreichen sein. Wer im Treibhaus sitzt, wirft ungern mit Steinen auf die eigene Industrie.

Angst vor dem Irrtum

Und ist es nicht tatsächlich beruhigend fürs Gewissen, daß man so ganz genau nun doch nicht weiß, in welchem Ausmaß der Mensch der Übeltäter ist? Hat sich nicht die Wissenschaft schon einmal geirrt? Hat sie nicht den Kühleffekt durch vulkanische und industrielle Aerosole unterschätzt und deshalb vor einem Jahrzehnt eine zu starke Erwärmung vorausgesagt, woraufhin ein Hamburger Nachrichtenmagazin bereits aufgeregt die Ozeane wegen des Abschmelzens der Polkappen überschwappen und den Kölner Dom untergehen sah? Jetzt also ist die Forschung zurückhaltender geworden, und von der Steinkohleindustrie bis zur Automobilbranche wird dies triumphierend als ein Gegenbeweis für die Aufheizthese ins Gefecht geführt.

Ein zäher Kleinkrieg ist da zwischen Klimaforschung und Industrielobby im Gang, wobei die Wissenschaft den Vorteil hat, mit den ganz schweren Waffen anrücken zu können, mit Großrechnern, blaugrau, raumfüllend wie Banktresore. Auch die Hamburger haben sie, wenn sie auch nicht eigentlich im Besitz des Max-Planck-Instituts sind. Sie gehören dem im Geomatikum untergebrachten Deutschen Klimarechenzentrum, einer Gemeinschaftseinrichtung deutscher Wissenschaftsinstitutionen, die sich mit Meteorologie beschäftigen. Aber weil das Max-Planck-Institut der hauptsächliche Nutzer ist, amtiert Hasselmann im Nebenjob auch als Co-Direktor des Rechenzentrums und kann alle paar Jahre für rund 20 Millionen Mark einen dieser Rechenkolosse anschaffen, der dann mit Kränen von außen bis hinauf ins 15. Stockwerk des Geomatikums gewuchtet werden muß – vermutlich, weil ein Gehirn immer irgendwie oben zu sitzen hat.

Praktischer wäre, es befände sich auf ebener Erde. Aber Hauptsache, es liefert Ergebnisse, und zwar schnell. Böttinger, der wissenschaftliche Betreuer des Computers, spricht zungeschnalzend von mehreren Milliarden Gleitkomma-Operationen in der Sekunde, was Hasselmann indes nicht zu beeindrucken vermag. Mit schnelleren Rechnern, sagt er, könne man ganz anders auflösen – die Welt ebenso wie deren Rätsel. Denn auflösen heißt, daß man einen Raster, ein Gitter um den Globus legt, in dem erfaßt wird, was die Natur an Zuständen, Aktionen, Reaktionen und sonstigem zu bieten hat. Je größer die Auflösung, desto schärfer das Bild – ähnlich wie am Fernsehschirm. 250 Kilometer beträgt die gebräuchliche Maschenweite des globalen Gitters, und man operiert in der Atmosphäre in 20 Schichten nach oben und im Ozean in weiteren 20 Schichten nach unten. Aber mit mehr Power, sagt Hasselmann, könnten mehr Gitterpunkte . . .

Stop. Haben wir da nicht noch ein Wort von Graf im Ohr? Graf hatte bis zur politischen Klimawende 1989 an der Humboldt-Universität in Berlin/DDR geforscht. Jedesmal, wenn er rechnen lassen wollte, mußte er mit seinen Unterlagen unterm Arm Tagesreisen um Westberlin herum zum DDR-Wetterdienst unternehmen. Man habe, hatte Graf gesagt, angesichts der Verhältnisse den eigenen Kopf zu gebrauchen gelernt. Tatsächlich ist die Unbestechlichkeit elektronischer Schaltkreise eine Sache, die Kompetenz des menschlichen Geistes eine andere. Bei Graf, bei Bakan, bei Bengtsson, bei Latif, bei Hasselmann und allen anderen geht es darum, gedanklich die Voraussetzung für eine Hochrechnung zu schaffen, für ein Modell, eine Weltformel, in der alle Erscheinungen der Natur enthalten und in Relation gebracht worden sind. Man kann das eine Denksportaufgabe nennen, bei der es eine komplette Lösung nie geben wird, sondern immer nur verbesserte Annäherungen. Man kann es auch die Herstellung von Software nennen, deren Computer-Ausdruck meterhohe Papierberge ergibt. Wie immer man es nennt: Es bleibt eine geistige Anstrengung, die nur im Team und im internationalen Austausch zu bewältigen ist.

Als sichtbares Produkt fördert sie zunächst einmal kunstvolle Bilder zutage, Schautafeln mit roten, blauen, honiggelben Schlieren, die sich über Kontinente ziehen: Simulationen klimatischer Zustände in einer existierenden oder nur vermuteten Welt, angefertigt in großer und geringer Auflösung, unter Verwendung aller verfügbarer oder auch ausgewählter Faktoren. Testbilder sind es oft nur, dazu dienlich, herauszufinden, wie fehlerhaft möglicherweise einzelne Vorgehensweisen beim Lösen der großen Aufgabe gewesen sind. Gleichwohl, wie exotische Pflanzen wachsen die Bilder aus Aktenschränken, setzen sich an Bürowänden fest, wuchern hinaus auf Flure und von dort in andere Büros hinein – von Arpe zu Roeckner, von Roeckner zu Latif. Von Latif zu Maier-Reimer.

Aber dort, bei Maier-Reimer, dem Schwaben, ist die Invasion zum Stehen gekommen. Ein anderes Kunstwerk, Botticellis Geburt der Venus, bedeckt die Wand, und man denkt sich: Wenn die Klimaforschung doch nur so bildhaft darzustellen wäre. Der Wind aus Engelsmund. Die Wolken als wehender Teppich. Der Ozean als gewellte Muschel. Maier-Reimers Welt ist profaner. Die Lösbarkeit von Kohlendioxid im Ozean. Maritime Biologie im Strömungssystem. Die Konzentration von Phosphat, Nitrat, Silikat, Sauerstoff in unterschiedlichen Tiefen. Wie wirkt es sich auf das ozeanische Kohlendioxid aus, wenn sich der atmosphärische Kohlendioxidgehalt erhöht? Welchen Einfluß hat es auf Algen, wenn sie mehr Kohlendioxid aufnehmen? Algen verändern die Farbe des Wassers und damit die Absorption der Sonnenstrahlung – was sind demnach die Folgen für die Erdtemperaturen, falls sich die Algenkulturen vermehren? Experimentell schwer zugänglich, sagt Maier-Reimer mehr zu sich selbst als zum Besucher.

Das Gehirn der Natur

Antworten führen zu immer neuen Fragen in diesem tiefen, rätselvollen Forschungsgebiet namens Ozean. Und wieder muß man von Hasselmann reden, den das Meer nie losgelassen hat. Das Phänomen der kurzen und langen Wellen in anderer, größerer Dimension. Konzepte der theoretischen Physik hat Hasselmann auf die Wetterforschung übertragen und für eine Formel verwandt, die den träge reagierenden Ozean und die rasch veränderbaren Verhältnisse der Atmosphäre miteinander verrechenbar macht. Latif – ein waschechter Hanseat trotz des Vornamens Mojib – kann in einer schönen Metapher ausdrücken, was da dahintersteckt. Die kurzfristigen Witterungsschwankungen in der Atmosphäre, so seine Erklärung, müsse man als Tennisbälle sehen, die unentwegt gegen einen Medizinball geschleudert werden: gegen den Ozean, der zunächst nicht reagiert, am Ende aber ins Rollen kommt, nein, etwas ins Rollen bringt – eben: diese langfristige Klimaänderung.

Will sagen: Der Ozean ist das Gedächtnis des Klimas. Wenden wir uns also an Roeckner, der in einem Zahlenwerk zu errechnen versucht, was das Gehirn der Natur für die Zukunft gespeichert haben könnte. Umgehend wirft Roeckner eine Formel aufs Papier, dabei erläuternd, es handele sich um eine partielle Differentialgleichung mit lokaler Ableitung von Modellgröße nach Zeit, und er wolle jetzt Delta hinschreiben und F . . . Nicht, daß wir Roeckner gern unterbrechen, aber unsere Wißbegierde geht eher ins Grundsätzliche: Welche Komponenten müssen im institutseigenen Klimamodell enthalten sein, von dem immer wieder die Rede ist, in dieser großen Gleichung, die die eigentliche Rechtfertigung des Max-Planck-Instituts darstellt und mit der sich jede Art von Klima simulieren läßt – das vergangene, das derzeitige, das künftige, mit und ohne Treibhausgas des Menschen? Jahrelang feilte man an dem Modell, und heute ist es der Stolz des Instituts. MP/EC Ham heißt es. Bei einem internationalen Leistungsvergleich hat es sich gegenüber anderen Modellen unlängst vorzüglich behauptet.

Also: Was alles ist in der Formel enthalten? Die Frage ist kaum ausgesprochen – schon ergießt sich eine Sturzflut von Fakten und Faktoren auf den Besucher. Atmosphären-Temperaturen, Wasserdampfgehalt, Winde in allen Himmelsrichtungen und in der Vertikalen, Luftdruck an der Erdoberfläche, Wolkenbedeckung mit Niederschlägen in flüssiger und gefrorener Form. Bakan sehen wir über Spitzbergen kreisen. Druck in allen Luftschichten. Prozesse im Erdboden. Wärme und Wassergehalt dort. Schneehöhen. Ozeantemperaturen an der Oberfläche und in allen Tiefen. Eisdicke. Eisverteilung. Salzgehalt. Dreidimensionale Strömung. Maier-Reimer erkennen wir hinter rutschenden Bergen von Papier, nachdenklich den Bart streichend.

Nicht enthalten, sagt Roeckner, seien Gletscher und Plattentektonik. Aber fertig ist er noch lange nicht. Die chemischen Komponenten. Grafs Vulkane und Aerosole. Das troposphärische Ozon. Autoabgase. Kohlenstoffkreislauf in der Atmosphäre und im Ozean. Dann, natürlich, die Biologie. Waldgebiete absorbieren die Sonnenstrahlung, im Gegensatz zu Wüsten. Vegetationsverteilung ist eine wichtige Komponente, Vegetationsentwicklung wäre es auch. Aber ein plausibles dynamisches Vegetationsmodell, sagt Roeckner, als ob er sich entschuldigen müsse, ein solches Modell gebe es noch nicht, also vom Klima keine Rückkoppelung zur Vegetationsänderung und von dort zurück zur Klimaänderung.

Gleichwohl: Eine schwindlig machende Fülle von Faktoren steckt in dem Modell, geordnet in einem vierdimensionalen Koordinatensystem, in dem Höhe, Breite und Länge das Gitter um die Erde betreffen, aber die vierte Koordinate die wichtigste ist: die Zeit, die Achse, auf der in die Vergangenheit zurückgegangen und in der die Zukunft hochgerechnet wird. Und alles wird in Hasselmanns Großrechnern mit Milliarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde verarbeitet zu diesen vom Computer ausgespuckten Kunstwerken mit ihren schillernden Schlieren: ein errechneter Zustandsbericht der Welt, wie geklaut, nein: geklont von der Wirklichkeit der Natur mit ihren über den Globus verstreuten Trocken- und Regengebieten?

Arpe hat die bunten Bilder vor sich ausgebreitet. Wahrheiten, sagt er, lägen in ihnen, wenngleich Wahrheiten unterschiedlicher Qualität – die eine geliefert von der Natur, die andere vom Computer. Identisch müßten beide sein, wenn die Denksportaufgabe richtig gelöst worden ist. Tatsächlich haben beide Versionen die gleichen Farben, die gleichen Schlieren. Aber Arpes geübte Augen entdecken feine Unterschiede. Ein pedantischer, unnachsichtiger Prüfer ist er, der festzustellen hat, wo die Theorie mit der Wirklichkeit kollidiert. Eine Stichprobe hat er gemacht für eine Qualitätskontrolle des hauseigenen Klimamodells. Aus Atmosphären- und Ozeanwerten ließ er vom Computer weltweit die Bodendruckverhältnisse im Winter und damit die Verteilung von Hochs und Tiefs errechnen. Nun hat er das Resultat vor sich, und sein Blick bleibt an Spanien hängen, dem winzigen Appendix eines kleinen Europa. Es ist das Gelb dort, das ihn stört. Ein winterliches Dauerhoch zeigt es an. Aber dieses Hoch kann nicht sein, darf nicht sein, weder im Interesse des Hamburger Max-Planck-Instituts noch in dem der Iberer.

Es grünt nämlich nur deshalb so grün, wenn Spaniens Blüten blühen, weil es im Winter in Spanien regnet. Und die Simulation besagt, daß genau dies nicht der Fall ist, sondern daß ein Dauerhoch herrscht und das Land mithin eine Wüste ist wie weiter südlich die Sahara. Keine Ahnung, sagt Arpe, was da schiefgelaufen ist, warum sich das Bild verschoben hat. Liegt die Fehlerquelle im Atmosphärischen oder eher im Ozeanischen? Wäre das Ergebnis besser ausgefallen, wenn man die Welt größer aufgelöst, das Gitter enger gezogen hätte? Hatte man es ursprünglich mit zwei Fehlern zu tun, die unbemerkt blieben, weil sie sich gegenseitig aufhoben, und von denen dann einer ausgemerzt wurde, so daß der andere in Erscheinung treten konnte?

Ein Joker bleibt

Es kann lange dauern, bis man Antworten finden wird. Aber keine Frage, daß die Annäherung an die Wirklichkeit immer genauer wird. Die großen klimatischen Zyklen, denen die Erde im Rhythmus von 20 000 und 40 000 Jahren ausgesetzt ist und die auf Variationen der Erdbahn um die Sonne zurückzuführen sind, lassen sich längst durch exakte astronomische Messungen berechnen. Und was die kürzerfristig, in Jahrhunderten auftretenden Klimaperioden betrifft, so hat Hasselmann mit seiner Formel, die das Meer mit der Atmosphäre verrechenbar macht, wichtige Voraussetzungen für ein Verständnis geschaffen. Die Tennisbälle, wie gesagt, die gegen den Medizinball prallen. Klimaschwankungen, präzisiert nun Hasselmann, entstünden in Analogie zu den langsamen Zufallsbewegungen schwerer Moleküle, die von leichten angestoßen werden. Das definiert einen Mechanismus. Aber erklären läßt sich damit natürlich nicht alles. Der variierende und sich in Sonnenflecken äußernde Energieausstoß der Sonne, der in seiner Auswirkung nicht richtig abschätzbar ist. Ein Joker sei dies, sagt Hasselmann, einsetzbar sowohl für Polemiken gegen die Schulwissenschaft wie auch für Erklärungen von Unerklärlichem. Gleichwohl, der Einsatz von Computern wird die Klimaforschung ebenso revolutionieren, wie dies der Fall bei der kurzfristigen Wetterforschung war, der Meteorologie, die sich schon lange nicht mehr der Meteorolüge bezichtigen lassen muß. Die Klimaforschung, notieren wir als Credo aus der Baracke, stehe erst am Anfang – dort, wo sich die Meteorologie vor vielleicht zwanzig Jahren befand. Der große Entwicklungssprung also steht erst noch bevor.

Immerhin kann Hasselmann die globale Erwärmung fürs nächste Jahrhundert schon heute zuverlässig prognostizieren. Und immerhin kann Latif schon ein halbes Jahr und länger vor dem Auftauchen El Niños die betroffenen Länder warnen. Und immerhin kann Roeckner kanadischen Fischern die freilich nicht sehr tröstliche Auskunft erteilen, ihre Lachsfischerei habe vermutlich keine Zukunft, weil das Wasser an der Pazifikküste im nächsten Jahrhundert zu lau für Lachse sein wird. Denn schon ist das alles, verpackt in Formeln, im Rechner – auch die Antwort auf die Frage, wo auf der Welt die Klimaerwärmung tatsächlich höhere Temperaturen erzeugen wird und wo nicht und wo sogar die Quecksilbersäule fallen könnte, zum Beispiel in Mittelindien, wenn dort durch Industrialisierung vermehrt schwefliger Ruß in die Luft geblasen wird, sich daraufhin Wolken bilden und die Sonnenstrahlung reduziert wird . . .

Wie im Fall der vulkanischen Aerosole. Aber nicht bei Graf sind wir, sondern noch immer bei Arpe, dem Wahrheitssucher. Spanien, sagt Arpe, denken Sie an Spanien! Und so begreifen wir am Ende Spanien als Synonym für verbleibende Unwägbarkeiten und als Metapher für den zusätzlichen Faktor, der sich zu den unzähligen physikalischen, chemischen und sonstigen festen und variablen Größen der großen Klimagleichung gesellt: den Unsicherheitsfaktor.

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