Klima ist bekanntlich verallgemeinertes Wetter. Was schnell zu der Frage führt, wieso das Wetter von nächster Woche außerhalb der Reichweite von Prognosen liegt, aber das Wetter (eigentlich Klima) für August 2050 genau vorhersagbar ist. Wie geht das?

Die Wettervorhersage basiert auf der computerbasierten Simulation der Atmosphäre. Dazu wird die Atmosphäre in kleine Volumeneinheiten und die Erdoberfläche in kleine Flächenstücke zerlegt. Den aktuellen Zustand der einzelnen Komponenten kennt man einigermaßen gut: das aktuelle Wetter. Die einzelnen Elemente tauschen mit ihren Nachbarn Materie, Wärme-Energie und Strahlungs-Energie aus. An den Grenzen des Systems wird Strahlungs-Energie von der Sonne zugeführt oder Wärme/Strahlung und teilweise auch Materie vom Erdboden. Innerhalb der Zellen könne sich weitere Änderungen wie die Bildung oder Auflösung von Wolken vollziehen. Alles zusammen eine Vielzahl von Parametern, die man aber recht gut theoretisch in den Griff bekommen kann. In kleinen Schritten wird nun durchgerechnet, wie sich das System durch die Austauschprozesse zwischen den Elementen verändert, und wenn das schneller gelingt als in der Natur, landet man bei einer Wettervorhersage.

Nun weiß man schon vom Wetterbericht, dass die Rechnung mit solchen Modellen nicht lange gut geht. Für den Hochsommer in Mitteleuropa kann man bei mehr als 5 Tagen Voraussage zwar mit Sicherheit 1 m Neuschnee ausschließen, aber das ist auch schon fast alles. Der Grund dafür ist, dass man den Zustand der vielen Volumenelemente nicht hinreichend genau kennt. Weiß man beispielsweise, dass die Temperatur bei 15,8±0,15°C liegt, so kann man zwei Grenzrechnungen mit 15,65°C und 15,95°C durchführen, de je nach den mathematischen Details in mehr oder weniger kurzer Zeit zu deutlich unterschiedlichen Ergebnissen führen, mit der Rechnung mit dem Mittelwert 15,80°C als bester Näherung. Die Temperatur ist aber nur einer unter sehr vielen Parametern, die nur begrenzt genau bekannt sind, was schnell zum sprichwörtlichen Chaos führt.

Wenn man den Wetterverlauf auf größere Zeit hin betrachtet, beispielsweise im Verlauf eines Jahres, ändert sich am Chaos kaum etwas. Der Wetterverlauf variiert stark in verschiedenen Jahren. Man kann lediglich feststellen, dass sich das Ganze in einem Verlaufskorridor abspielt, der es einer bestimmten Anzahl von Tier- und Pflanzenarten erlaubt, langfristig zu überleben. Wer nicht reinpasst, wird nach einiger Zeit eliminiert. Dabei ist auch klar, dass das nicht an einem einzigen Parameter, beispielsweise der mittleren Temperatur, aufgehängt werden kann. Eine ungenügende Adaption an Temperaturausschläge und Extremwerte, Niederschläge, Luftfeuchtigkeit, Wind, usw. Nichtwetterbezogene Parameter wir konkurrierende Arten, Bodenbeschaffenheit, usw. machen die ganze Sache noch komplizierter. Bleiben wir aber beim Wetter/Klima.

Vereinbarungsgemäß fasst man Klima als den gemittelten Verlauf über eine Zeitraum von etwa 30 Jahren auf. Leider wird das (aus weiter unten erläuterten systematischen Gründen) derzeit auf die mittlere Temperatur verdichtet, was aber zur Beschreibung des Phänomens „Klima“ alles andere als ausreichend ist, wie gerade erläutert. Blödsinn noch höherer Art sind Aussagen wie „jeder konnte im letzten Sommer den Klimawandel spüren„, denn das ist gemäß Begriffsdefinition Wetter und nicht Klima. Leider aber ein sehr eingängiger Betrug: 30 Jahre sind eine Generation. Kaum jemand ist in der Lage, mehrere Jahre zu überblicken. So kann man den Leuten recht erfolgreich Wetterschwankungen zwischen den Jahren als Klimaänderungen verkaufen. Meteorologen, die das wissen, laufen gegen solche Darstellungen aber vergebens Sturm.

Wenn von Klima die Rede ist, ist eigentlich immer eine Klimaänderung gemeint. Das ist so ähnlich wie beim Wetterbericht, wo es auf die Änderung im Laufe der Zeit ankommt. Nun dürfte klar sein, dass man nicht einfach die Wetterrechnung auf 30 Jahre in der Hoffnung ausdehnen kann, dass sich das Chaos verflüchtigt. Wird es nicht tun. Klimatologen werden daher im ersten Schritt versuchen müssen, den aktuellen Klimastand zu berechnen, d.h. so etwas wie den 30-jährigen Mittelwert bestimmter Parameter, und da alles irgendwie zusammen hängt, auch nicht für Berlin-Kreuzberg sondern gleich global. Im Prinzip müssen sie dazu ähnlich vorgehen wie die Meteorologen und sich die Bilanzen anschauen und verdichten. Aber welche? Also welche Bilanzen verdichtet man und auf welche Werte wird verdichtet?

Das führt auf einen Haufen von komplizierten Gleichungen, die auch in der Meteorologie auftauchen. Unten sind für die, die sich das aus welchen Gründen auch immer antun möchten, ein paar technische Dokumente zum Download aufgeführt. Zusätzlich analysiert man die Vergangenheit, um heraus zu bekommen, auf was man sich konzentrieren sollte. Als Ergebnis konzentriert man sich im Wesentlichen auf die Strahlungsbilanz der Sonne und die daraus resultierende Temperatur auf der Erde. Das führt zu dem bekannten Bild

Die gesamte Energie, die die Erde wohnlich macht, stammt von der Sonne und erreicht die Erde auf der Tagseite in Form von elektromagnetischer Strahlung. Letzten Endes wird die Erde diese Energie spätestens auf der Nachtseite durch Strahlung wieder so weit los, dass sich ein Geichgewicht mit lebenswerten Bedingungen einstellt. Die Atmosphäre ist dabei ein Puffer, der dafür sorgt, dass die Temperaturdifferenzen erträglich bleiben.

In der Atmosphäre treten nun so genannte Treibhausgase auf – eigentlich ein völlig falscher Begriff, der sich aber genauso eingebürgert hat wie der physikalische Unsinn erneuerbarer Energie. Die sind in der Lage, Strahlungsenergie zu absorbieren, und zwar vorzugsweise von der Sorte, die Nachts von der Erde selbst ausgestrahlt wird. Die Absorption ist natürlich nur vorübergehend: nach kurzer Zeit wird die gleiche Energie wieder abgestrahlt, nur halt nicht in der gleichen Richtung. Ungefähr die Hälfte der absorbierten Photonen wird wieder in Richtung Erde zurück geschickt und heizt sie auf.

Zum besseren Verständnis sei das einmal in Form eines Rechenbeispiels formuliert: der Boden sende 200 Photonen aus, von denen 120 so beschaffen sind, dass sie absorbiert werden könnten, und von denen wiederum 50 absorbiert werden. Von den 200 Photonen gelangen 80 (falsche Eigenschaften) + 70 (nicht absorbiert) + 25 (in Richtung Weltall emittiert) = 175 in den Weltraum, 25 kommen wieder am Boden an. Steigt die Konzentration des Treibhausgases so, dass nun 80 von den 120 absorbiert werden, so entkommen 160 und 40 kommen wieder zurück. Die Erde wird weniger Energie los und heizt sich auf. Das Aufheizen führt dazu, dass sie mehr Photonen als 200 emittiert. Das steigert sie so lange, bis sich wieder ein neues Gleichgewicht einstellt, bei dem alles, was tagsüber absorbiert wurde, nachts abgegeben werden kann.

So weit das an sich einfache Modell, das Temperaturänderungen auf der Erdoberfläche mit dem Gehalt der Atmosphäre an bestimmten Gasen verknüpft. Leider geht die ganze schöne Physik für die Konstruktion des Bilanzdiagramms drauf, wobei trotzdem noch ein paar Lücken bleiben, und es reicht auch nur für eine globale Temperatur. Weiter geht das Modell nicht, kann also nicht genauer sagen, wo welche Temperaturen herrschen.

Im Modell ebenfalls nicht drin stecken andere im Diagramm berücksichtigte Parameter wie beispielsweise Wolken (wir beschränken uns einmal auf die; andere Parameter kann man genauso diskutieren, aber nicht so anschaulich). Die Modelle beschränken sich auf eine Prognose, wie sich die globale Temperatur bei Änderung der Treibhausgaskonzentration ändert, beinhalten aber nicht, wie sich die Wolken verhalten. Wenn die bei einer Klima=Temperaturänderung mehr oder weniger werden, ändert sich nicht nur die „Rückstrahlung“ durch die Klimagase, sondern auch die Primärbilanz, was bei einer Berücksichtigung zu ganz anderen Schlüssen führt.

Als Konsequenz können die Klimamodelle keine Prognose liefern wie die Wettermodelle, sondern nur eine Projektion unter der Annahme, dass die nicht berechnungsfähigen Parameter sich in einer bestimmten Weise verhalten. Das kann stimmen, muss es aber nicht. Die Klimamodelle sind deshalb auch nicht in der Lage, vergangene Warm- und Kaltzeiten zu simulieren. Was ist aber dann mit den Projektionen in die Zukunft?

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Noch mal zusammen gefasst

1. Klima-Modelle prognostizieren Veränderungen einer globalen Temperatur bei Veränderungen bestimmter Gase in der Atmosphäre unter sonst konstanten Bedingungen.
2. Klima-Modelle sind nicht in der Lage. lokalen Temperaturveränderungen zu prognostizieren. Alle diesbezüglichen Aussagen sind Meinungen und nicht wissenschaftlich begründet.
3. Klima-Modell sind nicht in der Lage, die Änderung anderer Wetter-Parameter zu prognostizieren. Alle diesbezüglichen Aussagen sind Meinungen und nicht wissenschaftlich begründet.
4. Klima-Modelle sind nicht in der Lage, Veränderungen der Biosphäre zu prognostizieren. Alle diesbezüglichen Aussagen sind Meinungen und nicht wissenschaftlich begründet.
5. Klima-Modell sind nicht geeignet, Veränderungen der Polkappenvereisung in größerem Maß zu prognostizieren. Alle diesbezüglichen Aussagen sind Meinungen und nicht wissenschaftlich begründet.
6. Klima-Veränderungen sind aufgrund der Zeitkonstanten nicht direkt erfahrbar. Alle diesbezüglichen Aussagen sind Meinungen und nicht wissenschaftlich begründet.

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Hier der „Hard Stuff“ mit viel Mathematik und Details.

Rechtehinweis: beide Dokumente sind im Internet als PDF frei verfügbar und werden daher hier gespiegelt.