Gymnasium Marktbreit/Wissenschaftswoche 2024/11aMatheInfo/Arbeitsgruppe 2/Simulationen - Schwerpunkt Klimwandel

Klimasimulation

Die Anwendung eines Klimamodells, um mögliche klimatische Szenarios auf Grundlage von bekannten Daten zu berechnen.

Klimamodelle

Ein Klimamodell ist eine vereinfachte Darstellung der Realität in Form eines Computerprogramms. Hierbei werden die verschiedenen Komponenten des Klimasystems Land, Eis, Ozean und Atmosphäre auf Grundlage von naturwissenschaftlichen Gesetzen und bestimmten klimatischen Szenarien simuliert.

Szenarien

Szenarien sind Zukunftsbeschreibungen, die auf vorher entwickelten Annahmen basieren. Man stellt eine Prognose für die Entwicklung des Bevölkerungswachstums, des Umweltmanagements, der technologischen Entwicklung und des Ressourcenverbrauchs auf und berechnet mithilfe dieser Annahmen mögliche Entwicklungen des Klimas, sogenannte Klimaprojektionen. Ein oft genutztes Beispiel ist das Treibhausgasszenario, welches anhand von aktuellen und wahrscheinlich stattfindenden Klimaschutzmaßnahmen und mithilfe eines Klimamodells die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre vorraussagt. Diese Szenarien werden verwendet, um "wenn-dann" Aussagen zu treffen.

Globale und regionale Klimamodelle

Man unterscheidet zwischen globalen und regionalen Klimamodellen. Erstere haben meist eine sehr grobe Auflösung und werden dafür verwendet, das Klimasystem der gesamten Erde zu illustrieren. Aufgrund der vergleichsweise großen Gitterzellen (ca. 100km * 100km) und des Fehlens von z.B. regionalen topographischen Details weisen diese somit keine hohe Genauigkeit für die einzelnen Regionen auf. Regionale Klimamodelle hingegen bestehen aus weitaus kleineren Gitterzellen (ca. 15km * 15km) und können somit Prognosen für das Klima in einer bestimmten Region akkurater berechnen.

Herausforderungen von Klimamodellen

1. Hohe Rechenleistung. Die Berechnung des Klimas in Gitterfeldern erfolgt durch das Lösen komplexer nichtlinearer Gleichungssysteme, was große Rechenleistungen erfordert und somit nur von Supercomputern durchgeführt werden kann. Dem gegenüber steht die Tatsache, dass immer mehr Rechenleistung benötigt wird, z.B. um die Prognosen zu präzisieren oder globale Klimamodelle auch für eine detaillierte isolierte Analyse des Klimas bestimmter Regionen verwenden zu können.

1. Fehlendes Systemwissen. Die Klimaentwicklung ist von mehreren Parametern abhängig, darunter auch das Wetter. Jedoch ist z.B. die Bildung von Gewitterwolken nicht ausreichend genug erforscht, um diese im Modell realitätsnah zu simulieren. Dies führt dazu, dass dem Detailanspruch einer Klimasimulation in mancher Hinsicht noch nicht ganz gerecht werden kann.

1. Unvorhersehbare Faktoren. Technologischer Fortschritt, Bevölkerungswachstum oder Ressourcenverbrauch sind einige Beispiele von Faktoren, die man nie eindeutig vorhersehen kann. So kann zum Beispiel eine genetisch veränderte Pflanze dafür sorgen, dass deutlich mehr CO₂ gebunden wird.Des Weiteren ist zu beachten, dass Klimakomponenten wie z.B. Luft- und Wasserströmungen chaotischer Natur sind, weshalb Ungenauigkeiten seitens der Parameter teilweise zu völlig anderen Ergebnissen führen können.

Geschichte von Klimamodellen

Klimamodelle ohne Computerprogramme

In den 1960er Jahren wurde hauptsächlich die Strahlungsbilanz der Erde und der Sonne betrachtet. Trotz der technischen Grenzen und fehlendem Wissen konnte man zum Beispiel schon die Veränderung der Jahresmitteltemperatur herausfinden, wenn man den CO₂ Gehalt der Atmosphäre verdoppeln würde. Es wurden auch verstärkende Effekte, wie die Schnee-/Eis-Albedo-Rückkopplung festgestellt, welche zu sogenannten Kipppunkten führen, an denen eine Entwicklung nur mit wesentlich mehr Aufwand aufgehalten werden kann.