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Die Energiefrage

 
 
 
 
 
 

Dr. Björn Peters, Ressortleiter Energiepolitik beim DAV

Die Energiefrage - #27
Welche Erkenntnisse der Klimaforschung sind gesichert?

Was die Wissenschaft über das Klima und dessen Veränderungen weiß, fließt unmittelbar in die Klimapolitik ein.  Umso wichtiger ist es nachzuvollziehen, welcher Methoden sich die Klimawissenschaften bedienen, wo die Grenzen der gewählten Erkenntnismethoden sind und was als gesicherte Erkenntnis gelten darf.  Tatsächlich bestehen in allen Kernaussagen der Klimaforschung noch große Unsicherheiten.  Die Frage ist, welche Politik wir daraus ableiten sollten.

Ein kurzes Wort vorweg: Im Physikstudium war mein Hauptschwerpunkt, möglichst alles über komplexe dynamische Systeme zu lernen, also über die Systeme selbst, die Methoden zu ihrer Erforschung und die zugehörige Mathematik.  Eine wesentliche Erkenntnismethode sind Simulationen von "dynamischen Systemen", ähnlich wie sie in den Klimawissenschaften eingesetzt werden.  Sowohl im Diplom als auch in der Promotion programmierte ich die damaligen Supercomputer von Cray, der Schwerpunkt der Dissertation war allerdings in der Methodenentwicklung für Zeitreihenanalysen.  Als Nebenjob gab ich für einen berühmten Professor ein Buch über Atmosphärenchemie heraus.  Während ich im Studium also mit den Klimawissenschaften nur am Rande zu tun hatte, konnte ich fast alle wesentlichen Methoden der Klimaforschung kennenlernen. 

Im dritten Sachstandsbericht (Third Assessment Report, TAR) des Weltklimarats IPCC fiel mir auf Seite 78 der Satz auf "Das Klimasystem ist ein gekoppeltes, nicht-lineares chaotisches System, daher ist die Vorhersage von zukünftigen Zuständen des Klimas nicht möglich."  Die Aussage wurde von ‚Klimaskeptikern' häufig zitiert und hat mathematischen Charakter, denn man kann nachweisen, dass nicht-lineare Differentialgleichungen wie die sog. Navier-Stokes-Gleichungen, die das Klimasystem beschreiben, keine geschlossenen Lösungen haben.  Wenn man versucht, das System auf Supercomputern numerisch zu berechnen, dann hängt das Simulationsergebnis ‚empfindlich' vom Anfangszustand ab.  Dies bedeutet, dass kleinste Änderungen der Anfangsparameter in zwei Simulationsläufen bereits nach kurzen simulierten Zeiten zu völlig verschiedenen Endzuständen führen können.  Dies ist das Hauptcharakteristikum sog. "chaotischer" Systeme.  Der Satz geht aber noch weiter.  Es heißt darauf: "Stattdessen muss der Fokus auf der Vorhersage der Wahrscheinlichkeitsverteilung der zukünftig möglichen Systemzustände liegen, indem Ensembles von Lösungsmodellen geschaffen werden." (1)

Prof. Thomas Stocker, einer der drei Leitautoren im fünften Sachstandsbericht des IPCC, drückte dies sinngemäß so aus: Erwärmt man einen Topf mit Wasser, bilden sich irgendwann Dampfblasen, die nach oben steigen. Mit Hilfe der Physik können wir nicht genau wissen, wann und wo die nächste Blase aufsteigt.  Trotzdem können wir dank der physikalischen Gesetze relativ genau den Verlauf der Wassertemperatur berechnen, wenn wir die Eigenschaften von Wasser und Topf kennen.(2)  Angesprochen auf die seit 15-20 Jahren anhaltende Erwärmungspause, sagte Stocker, dass die Klimamodelle besser geeignet seien, um langfristige Trends abzubilden als Schwankungen im Bereich von 15 Jahren.  Die Frage ist also nicht, ob wir das Wetter am 16. Oktober 2073 berechnen können, sondern ob wir die Physik der Atmosphäre hinreichend genau verstanden haben, um sie so gut zu simulieren, dass Ergebnisse von Klimasimulationen Aussagekraft für Politik und Gesellschaft haben.  Für diese Klimasimulationen müssen sehr umfangreiche und komplexe Computerprogramme geschrieben und die größten Supercomputer der Welt eingesetzt werden.  Um die Frage nach der Qualität dieser Klimamodelle besser zu verstehen, gibt es glücklicherweise es einen einfachen Test, um die Qualität der Klimamodelle zu untersuchen: Man lässt sie vergangenes Klima berechnen und vergleicht die Vorhersage mit der tatsächlich eingetretenen Witterung.  Diesem Vorgehen ist im fünften Sachstandsbericht des Weltklimarats ein ganzes Kapitel gewidmet.

Wie arbeiten Klimamodelle?

Um zu verstehen, wie der Weltklimarat (IPCC) zu seinen Aussagen kommt, ist erstens festzuhalten, dass er ein politisches Gremium ist.  Dadurch gibt es statt naturwissenschaftlicher soziologische Entscheidungsprozesse:  Alle Klimamodelle (etliche Dutzend) werden gemittelt und fließen gleichberechtigt in die Vorhersagen des Weltklimas ein, unabhängig von deren Qualität.  Andererseits unterscheiden sich die Klimasimulationen teilweise erheblich in ihren Methoden und in ihren Aussagen über das zukünftige Klima(3).  Der Mittelwert über viele verschiedene fehlerbehaftete Modellsysteme hat daher geringe wissenschaftliche Aussagekraft. Generell sind demokratische Mehrheitsentscheidungen in den Naturwissenschaften fehl am Platze.  Eine wissenschaftliche Theorie hat entweder Aussagekraft oder nicht.  "Echte" Theorien lassen sich durch Experimente bestätigen oder widerlegen, es wird aber nirgendwo sonst in den Wissenschaften ein wie auch immer gearteter ‚Mittelwert' über Aussagen mehrerer Theorien als Stand des Wissens angesehen.

Die wichtigste Unterscheidung zwischen Simulation und Experiment ist zweitens der Umgang mit Raum und Zeit.  Während im Experiment oder in der Atmosphärenmessung Raum und Zeit beliebig unterteilt werden können, wird für eine Simulation der Atmosphäre auf einem Computer der Raum in ein grobes Gitter unterteilt und die Zeit typischerweise in Stunden.  Dies führt dazu, dass alle Wetterphänomene, die kleiner sind als die gewählten Gitterabstände, von der Simulation grundsätzlich nicht abgebildet werden können.  Die Abstände zwischen Gitterpunkten wurden in den vergangenen Jahren zwar von 50 km auf 25 km reduziert – wodurch sich der Rechenaufwand vervielfacht hat – aber Wetterphänomene wie der Aufstieg warmer Luftschichten im Rahmen von Konvektion und Wolkenbildung wären erst durch Simulationen mit Gitterabständen von wenigen Kilometern zugänglich.  Bei Meeresströmungen konnten Verwirbelungen erst bei Gitterabständen von 10-30 km erkannt werden, was zu einer sprunghaften Verbesserung der Simulation des Energiehaushalts der Ozeane führte(4).  An Gebirgsketten regnet es besonders viel an deren windiger Seite, da Luftschichten nach oben abgelenkt werden, dadurch abkühlen und weniger Wasserdampf speichern können, der dann als Niederschlag ausfällt.  Dadurch sind der Alpennordrand und die Westseite des Dalmatischen Gebirgszugs auf dem Westbalkan besonders niederschlagsreich.  Auf einem Gitter mit einem Abstand von 25 km schlagen sich einzelne wetterbestimmende Gebirgszüge aber nur durch eine Erhöhung um wenige hundert Meter nieder.  Dies schränkt die Aussagekraft von grobmaschigen Klimasimulationen weiter ein.

Drittens gibt es extrem komplexe Wechselwirkungen, beispielsweise zwischen Landflächen, dem saisonal schwankenden Bewuchs, Ozeanen, deren Salzgehalt, Meereis, Luft, den Spurengasen und atmosphärischen Schwebeteilchen, die Kondensationskeime für Wolken bilden können.  Diese Wechselwirkungen können nur zum Teil modelliert werden.  Einige dieser Phänomene werden direkt simuliert, andere fließen als "Strahlungsparameter" in die Simulationen ein.  Um den Einfluss der Phänomene zu bestimmen, wird deren Einfluss auf die Änderung der Wärmestrahlung zwischen Erdoberfläche, Luft und Weltall berechnet und dann in der Einheit Watt pro Quadratmeter (W/m²) in die Modelle eingearbeitet.  Je W/m² gehen die Forscher im Mittel davon aus, dass die Erde bei einer Verdoppelung des Kohlendioxidgehalts um ein Grad wärmer wird(5).  Anschließend werden die Werte der Strahlungsparameter durch Messungen festgelegt.  Weil nun aber das Modell insgesamt an den selben Messungen kalibriert wird, ist die Bestimmung der Strahlungsparameter potentiell ungenau.  Auch könnte es sich bei genauerem Hinsehen herausstellen, dass die Strahlungsparameter nicht überall gleich hoch, sondern je nach Region unterschiedlich gewählt werden müssten.

Viertens ist die direkte Wirkung von Kohlendioxid (und anderer Treibhausgase), dass sie die Wärmekapazität der Luft leicht erhöhen und die Atmosphäre dadurch etwas mehr Wärme speichern kann – also wärmer wird.  Bei einer Verdoppelung der Treibhausgas-Konzentrationen vom sog. "vor-industriellen" Zeitalter ergibt sich ein leichter Temperaturanstieg von ca. einem halben Grad Celsius.  Die Temperaturerhöhung auf besorgniserregende Werte errechnen die Klimaforscher durch Verstärkungseffekte.  So wird in den Modellen ein Anstieg der Wasserdampf-Konzentration gerade in der Nähe der Tropen errechnet, der die Erderwärmung auf Werte von mehreren Grad Celsius vergrößert.  Da Wasserdampf ein starkes Treibhausgas ist, klingt das Ergebnis der Rechnung zunächst plausibel.  Allerdings findet der Anstieg der Wasserdampf-Konzentrationen und mit ihnen der Temperaturanstieg fast ausschließlich in den Modellen statt, während unabhängige Messungen beide Effekte nicht bestätigen(6).  Generell empfehlen die Klimaforscher, die Wirkung von Treibhausgasen in ihren Modellen herunterzuskalieren(7) – ein klarer Hinweis darauf, dass die Wirkung von Treibhausgasen auf das Klima überschätzt wird.

Große Unsicherheiten beim Verständnis von Klima

Die Klimaforscher stehen nicht nur beim Thema Wasserdampf-Verstärkung des Treibhauseffektes vor einem Rätsel.  Ganz offensichtlich werden wesentliche physikalische Prozesse in der Atmosphäre nicht verstanden.  Wenn zu verschiedenen Klimaparametern die Modelle mit dem tatsächlichen Geschehen verglichen werden, gibt es viele weitere Fälle, in denen fast alle Modelle weit neben den Daten liegen.  Im Fünften Sachstandsbericht des IPCC von 2013 sind dies beispielsweise die Erwärmungspause zwischen 1998 und 2012 (S. 771), die Eisbedeckung in der Antarktis (S. 789), Schneebedeckung auf der Nordhalbkugel (S. 790), Aerosol-Belastung der Atmosphäre (S. 794) und das quantitative Verständnis der El Niño-Zyklen (S. 804 ff.). 

Besonders groß sind die Verständnislücken bei der Wolkenbildung.  Wolken haben eine helle Oberfläche und strahlen daher einen Teil der solaren Einstrahlung ins Weltall zurück.  Dieser sog. "Albedo-Effekt" sorgt für eine Kühlung des Planeten.  Andererseits halten Wolken die Wärme, die sich tagsüber auf dem Boden gebildet hat, zurück, und halten die Temperaturen hoch.  Dies ist der Grund, warum über der extrem trockenen arabischen Halbinsel große Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht gemessen werden, während die Temperaturen in Indien, das ein feuchtwarmes Klima hat, zwischen Tag und Nacht kaum schwanken.  Im Durchschnitt aller Klimamodelle (!) gibt es Regionen auf der Erde, an denen die Klimawissenschaftler die Strahlungswirkung von Wolken um bis zu 40 W/m² über- oder unterschätzen.  Hierzu zählen gerade äquatoriale Regionen und die Gebiete um die Antarktis, also wesentliche Wetterküchen, die das Klima der Erde insgesamt stark beeinflussen(8).  Während sonst unter Klimaforschern über Strahlungsparameter im Bereich von Zehnteln W/m² gestritten wird, sind die systematischen Unsicherheiten in Bezug auf die Klimawirkung von Wolken noch gewaltig.  Ein anerkannter Strahlungsphysiker wie Prof. Michael Wendisch (Leipzig) ließ sich im ‚Spiegel' jüngst sogar mit den Worten zitieren, dass er die gängigen (Wolken-) Modelle der Klimaforscher für die Arktis für "pure Phantasie" hält, da sie einige der wichtigsten Eigenschaften jener Himmelsgebilde ignorierten, etwa die Größe der Tröpfchen und ihren Gehalt an Eis(9).

Stand des Wissens

Fassen wir zusammen:  Der Anspruch, dass die Klimaphysik heute bereits in der Lage sei, aussagefähige Modelle der Atmosphäre zu erstellen, wird durch die Klimaforscher an vielen einzelnen Stellen im ausführlichen physikalischen Sachstandsbericht widerlegt.  Wesentliche physikalische und chemische Einflussfaktoren auf das Klima sind immer noch so gut wie unbekannt, und dadurch können die Klimamodelle vergangene Witterung nicht reproduzieren, obwohl alle externen Einflussgrößen bekannt sind.  Zu diesen zählen die Sonnenaktivität, Vulkanausbrüche und die Ausrichtung der Erdbahn.  Die Aussage, dass die Klimamodelle geeignet seien, langfristige Klimatrends zu verstehen, auch wenn sie kurzfristigere Trends im Bereich von Jahrzehnten übersehen, kann daher nicht aufrechterhalten werden, auch wenn dies in der Zusammenfassung für Politiker so beschrieben wird.  Wie wird der Planet also auf eine wahrscheinliche Verdoppelung des Kohlendioxid-Gehalts der Atmosphäre im Verhältnis zum "vor-industriellen" Niveau(10) reagieren?  Ich weiß es nicht, aber es gibt auch niemanden sonst, der dies mit den heutigen Mitteln der Atmosphärenphysik seriös voraussagen kann.

"Post-glaziales" Zeitalter

Was lässt sich aus dieser Erkenntnis für die heutige Klimapolitik ableiten?  Wir lesen ja allerorten, der Planet habe "Fieber" und wir müssten alles daransetzen, die Erderwärmung im Verhältnis zum "vor-industriellen" Zeitalter auf höchstens zwei Grad zu begrenzen.  Allerdings liegt bereits hier eine sprachliche Verwirrung vor, denen wohl auch die Klimaforscher aufgesessen sind.  Das "vor-industrielle" Temperaturniveau der Erde ist die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts, seit die systematischen Wetteraufzeichnungen praktisch überall auf der Welt begannen.  Wir erinnern uns aber an die Kleine Eiszeit, die etwa im Jahr 1850 endete.  Statt "vor-industrielles" Temperaturniveau sollte man daher präziser vom "post-glazialen" Temperaturniveau sprechen.  Um im Gesundheitsbild zu bleiben:  Der Planet hat heute kein Fieber, sondern vor 150 Jahren begann er sich von einer schweren Erkältung zu erholen, die Millionen von Menschen das Leben kostete.  Heute liegt das Temperaturniveau auf einem eher durchschnittlichen Level, und auch ein Grad mehr als heute wäre noch im Bereich dessen, was für die letzten Jahrtausende mehrfach von den Forschern rekonstruiert wurde(11).  Eine Katastrophe wäre eine Erwärmung um 2° C mit Sicherheit nicht.

Dies lässt uns Zeit, in der Energie- und Klimapolitik einen Neustart zu versuchen.  Dabei sollten die Prozesse im Weltklimarat an naturwissenschaftliche Standards angepasst werden, weg von den derzeitigen "demokratischen" aber unwissenschaftlichen Entscheidungsprozessen.  Am Verständnis des Klimas sollte erst danach intensiv weitergeforscht werden.  Und im Bereich der Energie sollte die Forschung an echten Alternativen zu den chemischen Energieträger Öl, Kohle und Gas endlich intensiviert werden, damit sie uns in der zweiten Jahrhunderthälfte großtechnisch zur Verfügung stehen.  Jedweder Aktionismus ist aber fehl am Platze – weder in der Klima- noch in der Energiepolitik.

(1) Climate Change 2001: The scientific basis; Original-Zitat: "The climate system is a coupled non-linear chaotic system, and therefore the long-term prediction of future climate states is not possible. Rather the focus must be upon the prediction of the probability distribution of the system's future possible states by the generation of ensembles of model solutions."

(2) Neue Züricher Zeitung vom 27. Mai 2016, S. 10, "Klimaszenarien als Entscheidungshilfe", Gastkommentar von Thomas Stocker und Reto Knutti.

(3) IPCC, Climate Change 2013, The Physical Science Basis, Tabelle 9.5, S. 818.

(4) IPCC, Climate Change 2013, The Physical Science Basis, Abschn. 9.1.3.3, S. 753.

(5) IPCC, Climate Change 2013, The Physical Science Basis, Tabelle 9.5, S. 818

(6) IPCC, Climate Change 2013, The Physical Science Basis, Abschn. 9.4.1.4.2, S. 772; ebda, Bild 9.9, S. 774.

(7) IPCC, Climate Change 2013, The Physical Science Basis, Box 9.2, "Model Response Error", S. 771

(8) IPCC, Climate Change 2013, The Physical Science Basis, Abb. 9.5, S. 764.

(9) Der Spiegel' Nr. 24/2017, "Mission in den Wolken", S. 108.

(10) An dieser Stelle ist die Bezeichnung "vor-industriell" sinnvoll, hat die massenhafte Eintragung von Kohlendioxid in die Atmosphäre doch erst nach 1950 begonnen, also lange, nachdem die Temperaturen nach der Kleinen Eiszeit stark stiegen.

(11) IPCC, Climate Change 2013, The Physical Science Basis, Kap. 5.5, S. 417ff.  Man beachte, dass die historischen Erkenntnisse über Klimaveränderungen wie der Zeitpunkt der japanischen Kirschblüte mit den Methoden der Klimaforscher immer noch nicht rekonstruiert werden können.  Im IPCC-Bericht werden sie nicht erwähnt.

03. Juli 2017

Dr. Björn Peters

Peters beschäftigt sich seit vielen Jahren mit dem Energiesektor in Zeiten der Energiewende unter wissenschaftlichen, volks- und betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten. Er ist Inhaber der Unternehmens- und Politikberatung Peters Coll.