Sie sind wichtig für die Zukunft der Erde. Denn mit ihrer Hilfe verhandeln Staaten über den Schutz der Erde, ihrer Bewohner und ihrer Ökosysteme. Klimamodelle sind die Grundlage für internationale Gesprächsrunden wie die Weltklimakonferenz, die am Montag beginnt. „Mit Klimamodellen ist es möglich, in die Zukunft zu schauen. Sie sind notwendig, um zu sehen, wie sich das Klima in den nächsten Jahren entwickeln könnte“, sagt Jochem Marotzke, Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg.

„Außerdem können Forscher mit ihrer Hilfe das Klima der Vergangenheit verstehen und herausfinden, ob es erkennbare Ursachen für beobachtete Klimaveränderungen gab.“ Die meisten Forscher fokussieren sich auf das 20. Jahrhundert, weil es aus dieser Zeit direkte Beobachtungen gibt. „Die Wissenschaft kann auch 1000 Jahre zurückgehen. Dafür werden beispielsweise Baumringe untersucht und Korallen chemisch analysiert“, erklärt der Physiker.

Ein Klimamodell soll das gesamte Klimasystem der Erde abbilden: mit allen atmosphärischen Bewegungen, Temperaturunterschieden, Meeresspiegelanstiegen und Veränderungen in der Vegetation. Darum besteht das Modell aus verschiedenen Teilen. Diese werden in mathematischen Gleichungssystemen beschrieben: „Wir legen sozusagen ein dreidimensionales Netz auf die Atmosphäre, Landoberfläche und die Ozeane der Erde. An den Knotenpunkten des Netzes werden die mathematischen Gleichungen gelöst, die den Bereich um den Knoten herum beschreiben“, sagt Marotzke. In der Atmosphäre werden dadurch zum Beispiel Bewegungen und Energieflüsse berechnet.

Diese Gleichungen beruhen auf Naturgesetzen, beispielsweise, dass Energie und Masse erhalten bleiben. Außerdem beschreiben sie Änderungen von Temperatur und Niederschlag zu einer bestimmten Zeit. „Zum Beispiel gibt es für die Veränderung der Temperatur mehrere Ursachen wie die Kondensation von Wasserdampf und die Sonneneinstrahlung. Sie alle werden in Gleichungen formuliert und in das Modell eingearbeitet“, erklärt der Physiker. Diese mathematischen Gleichungen zu lösen, ist aufwendig, außerdem enthält ein Klimamodell ungefähr eine Million Programmzeilen. Deshalb brauchen Klimaforscher sehr leistungsfähige Computer.

Es gibt aber auch Prozesse, die Forscher nicht mithilfe des dreidimensionalen Netzes erfassen können. Wie die Wolkenbildung. „Wolken sind klein im Vergleich zu den Netzlöchern, also nur wenige Meter oder Kilometer. Deshalb müssen wir plausible Annahmen über ihre Größe und den Niederschlag treffen“, erklärt Marotzke.

„Diese Annahmen sind nicht beweisbar, und daraus entsteht eine grundlegende Unsicherheit. Wir wissen nicht, welche Rechnung richtig ist.“ Wie Hans Joachim Schellnhuber, Physiker und Gründer des Potsdam-Institus für Klimafolgenforschung (PIK), in seinem Buch „Selbstverbrennung“ schreibt, werden diese feinen Prozesse mithilfe von festen Kennzahlen beschrieben. Diese Hilfsgrößen sind dem Physiker zufolge eine bunte Mischung aus Empirie, Theorie und Rätselraten. Diese Kennzahlen seien in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich besser geworden – zumal es Strategien gibt, um falsche Annahmen zu entfernen.

Höchsttemperaturen auf den Punkt genau

Marotzke und seine Kollegen prüfen die Zuverlässigkeit ihres Modells, indem sie es mit Daten der Vergangenheit abgleichen. Zum Beispiel, ob sich die globalen Temperaturen so entwickelt haben, wie ihr Modell es berechnet hat. „Bei einigen Faktoren haben die Modelle teils erhebliche Fehler – das wissen wir. Einige davon konnten wir beheben, andere noch nicht.“ Neben diesen Unwägbarkeiten gibt es eine andere unsichere Variable: das Chaos. Denn manchmal ändert sich das Klima. Ohne Grund. „Zum Beispiel kann man sagen, dass es dieses Jahr weltweit wärmer ist, weil es einen El Niño gibt. Aber warum sich El Niño dieses Jahr bildet und nicht nächstes – darauf gibt es keine Antwort“, sagt Marotzke.

Auch Schellnhuber greift das atmosphärische Chaos auf. Oftmals würden sich Skeptiker des Klimawandels darauf berufen und sagen, dass es deshalb unmöglich sei, das Wetter in 100 Jahren zu berechnen. Das sei auch gar nicht möglich. Denn Wetter beschreibt das tägliche Geschehen aus dem aktuellen Zustand der Atmosphäre. Die Modellierer wollen aber das Klima vorhersagen, also langfristige Durchschnittswerte des regionalen und globalen Wetters.

Die Klimamodellierung hat sich aus der Wettervorhersage entwickelt und bedient sich aus deren System. Mittlerweile sind die Wettervorhersagen so gut, dass regionale Höchsttemperaturen punktgenau angekündigt werden können, wie Schellnhuber schreibt. Selbst bei der Drei-Tage-Prognose landeten die Meteorologen in einem Trefferbereich von 80 Prozent. Komplexe Simulationen können außerdem die aktuelle Klimadynamik mit ihren Hochdruck- und Tiefdruckgebieten, Wolkenfeldern und Passatwinden darstellen. Angewendet auf die Zukunft werden diese komplexen Berechnungen zu Klimamodellen. Sie lassen erkennen, welche Folgen eine Erderwärmung hat: Überschwemmungen, veränderte Vegetation und extreme Wetterlagen – auch in Deutschland.