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Der Beitrag der Nobelpreisträger für Physik
Wie Sie vielleicht in den Medien gelesen haben, wurde der Nobelpreis für Physik 2021 zur Hälfte an die beiden Klimawissenschaftler Syukuro Manabe und Klaus Hasselmann verliehen, «für das physikalische Modellieren des Klimas der Erde, die quantitative Analyse von Variationen und die zuverlässige Vorhersage der Erderwärmung», so die Jury. Die zweite Hälfte erhielt Giorgio Parisi «für die Entdeckung des Zusammenspiels von Unordnung und Fluktuationen physikalischer Systeme von der atomaren bis hin zur planetarischen Ebene». Was ist der Zusammenhang zwischen diesen beiden Teilen des Nobelpreises? Beide haben zu einem besseren Verständnis komplexer Systeme wie der Erde beigetragen. In diesem Blog präsentieren wir eine Zusammenfassung der Arbeiten von S. Manabe und K. Hasselmann und ihrer Beiträge zur Klimaforschung.
S. Manabe: Die globale Erwärmung als Folge der steigenden Kohlendioxidkonzentration
Der Treibhauseffekt erklärt die Fähigkeit bestimmter Gase, sogenannter Treibhausgase in der Atmosphäre, Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) zu absorbieren und wieder abzugeben und so die Erdoberfläche auf einer globalen Durchschnittstemperatur von etwa 14 °C zu halten. Dies war bereits Anfang des 19. Jahrhunderts bekannt: Im Jahr 1824 beschrieb Joseph Fourier die Strahlungsbilanz für die Erde, also das Gleichgewicht zwischen der von der Erde empfangenen Sonnenstrahlung und der von der Erdoberfläche abgegebenen Infrarotstrahlung. Er zeigte, dass ein Teil der ausgesandten Infrarotstrahlung in der Atmosphäre absorbiert wird und so zu einer Erwärmung führt. Es lässt sich ganz einfach zeigen, dass die globale durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde ohne diesen Treibhauseffekt bei etwa -18 °C liegen würde. Die Fähigkeit der Atmosphäre, Infrarotstrahlung zu absorbieren, ist daher entscheidend für das Leben auf der Erde. Die Wissenschaft hat dann versucht, die Auswirkungen eines Anstiegs der CO2-Konzentration auf die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde zu quantifizieren. Ihre Schätzungen waren sehr empfindlich gegenüber den Annahmen in ihren Modellen und daher unzuverlässig. Hier setzte S. Manabe mit einer Publikation an, die einen grossen Einfluss auf die Klimaforschung hatte: Manabe und Wetherald 1967.
Der Durchbruch dieser Arbeit liegt in der Konfiguration des Modells (Abbildung 1): Durch die Unterteilung der Atmosphäre in mehrere Schichten und die Berücksichtigung des Wärmeaustauschs zwischen diesen Schichten, nicht nur durch Strahlung, sondern auch durch Leitung und Konvektion, konnten die Autoren in ihrem Modell Aufwärtsbewegungen der Luft feststellen. Die beiden wichtigsten Folgen dieser Aufwärtsbewegungen sind (i) der Transport der an der Oberfläche angesammelten Wärme nach oben (wodurch die Konvektion verstärkt wird) und (ii) die globale Umverteilung dieser Wärme über die Erde. Da die absolute Luftfeuchtigkeit mit der Temperatur zunimmt und Wasserdampf ebenfalls ein Treibhausgas ist, berücksichtigen sie damit auch die folgende positive Rückkopplung: ein Anstieg der Wasserdampf-Konzentration führt zu einem Temperaturanstieg, der wiederum zu einem Anstieg der Wasserdampfkonzentration (d. h. der absoluten Luftfeuchtigkeit) führt. Es konnte zudem berücksichtigt werden, dass bei der Verdunstung an der Oberfläche Wärme verbraucht wird, die bei der Kondensation in den Wolken wieder freigesetzt und dadurch umverteilt wird. Diese Neuerungen ermöglichten es ihnen bereits in den 1960er Jahren, den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration zu schätzen, dieser wurde auf 2,4 °C geschätzt. Dies deckt sich recht gut mit den Schätzungen im jüngsten Bericht des Weltklimarates (IPCC).
Die Autoren beschränkten sich nicht nur auf CO2, sondern schätzten auch den Einfluss der Wolken auf die Strahlungsbilanz ab. Sie zeigten, dass Wolken in mittleren und niedrigen Höhen eine kühlende Wirkung haben, während hohe Wolken eine geringe wärmende Wirkung haben. Wie lässt sich das erklären? Wolken reflektieren einen Grossteil der Sonnenstrahlung, gleichzeitig absorbieren sie hervorragend die Infrarotstrahlung, die sie in Richtung Erde und Weltraum wieder abgeben. Ihre Strahlungsbilanz wird daher durch ihren Beitrag zur Sonnen- und Infrarotstrahlung bestimmt. Während niedrige und mittlere Wolken in der Regel relativ dick sind und somit fast die gesamte Sonnenstrahlung reflektieren, können hohe Wolken sehr dünn sein und somit einen grossen Teil der Sonnenstrahlung durchlassen. Die Infrarotstrahlung kann daher grösser sein als die reflektierte Sonnenstrahlung, so dass die Bilanz positiv ausfällt, und insgesamt zu einer geringen Erwärmung durch die Wolken führt. Wolken sind immer noch eine der Hauptquellen für Unsicherheiten in Klimamodellen (Boucher et al. 2013), da ihre Strahlungswirkung von ihrer Dicke, Höhe und Lebensdauer abhängt. In jedem Fall ist dieser Einfluss gering im Vergleich zur Erwärmung, die durch Treibhausgase verursacht wird.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Innovation der Arbeit von S. Manabe darin besteht, dass er die Erdoberfläche mit der Atmosphäre durch sein Mehrschichtenmodell gekoppelt hat, im Gegensatz zu seinen Vorgängern, die die Oberfläche isoliert betrachteten.
K. Hasselmann: Zuverlässigkeit von Klimamodellen und Ermittlung des menschlichen Einflusses
Die beiden wichtigsten Beiträge von K. Hasselmann, die vom Nobelkomitee gewürdigt wurden, sind der Nachweis der Fähigkeit von Klimamodellen, Vorhersagen zu treffen, und die Entwicklung einer Methode zur Ermittlung des menschlichen Einflusses auf die globale Erwärmung. Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie ein Klimamodell Vorhersagen für das Jahr 2050 machen kann, wenn ein Wettermodell nicht mehr als zehn Tage zuverlässig ist? Die Antwort liegt in dem grundlegenden Unterschied zwischen Klimatologie und Meteorologie. Die Klimatologie befasst sich mit den durchschnittlichen Bedingungen, die an einem bestimmten Ort oder, häufiger, in einer bestimmten Region zu erwarten sind. Die Meteorologie befasst sich mit dem Wetter zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort. Es handelt sich also um eine Frage der Zeitskala: Wetter ist die momentane Wetterlage, Klima ist die über Jahrzehnte gemittelte Lage. Dieser Unterschied ist für die Klimamodellierung von grundlegender Bedeutung: Während ein Wettermodell äusserst empfindlich auf die Anfangsbedingungen (z.B. gemessene Temperatur, Wind, Luftfeuchtigkeit) reagiert, darf ein Klimamodell nicht von ihnen abhängig sein. Ein Klimamodell hingegen reagiert empfindlich auf die Rahmenbedingungen (z.B. Sonnenkonstante, Treibhausgaskonzentration).
Dies können wir anhand von einem einfachen Beispiel verdeutlichen (Abbildung 2). Das Modell wird zum einen mit einer höheren CO2-Konzentration durchgerechnet (Szenario 1, gelbe Linien in Abbildung 2), zum anderen mit einer niedrigeren Konzentration (Szenario 2, blaue Linien). In beiden Fällen erzeugt man zwei Varianten mit leicht unterschiedlichen Temperaturbedingungen zu Beginn (zwei Berechnungen pro Szenario). Es ist zu erkennen, dass die Temperaturunterschiede zu Beginn (also die unterschiedlichen Ausgangsbedingungen) für den weiteren Verlauf nicht massgeblich sind, der nach einer gewissen Zeit hauptsächlich von der CO2-Konzentration bestimmt ist. Die Wettervorhersage ist also ein Problem der Ausgangswerte, während die Klimavorhersage ein Problem der Rahmenbedingungen ist. Die beiden Szenarien bilden zwei entgegengesetzte Trends: eine Erwärmung für Szenario 1 (höhere CO2-Konzentration) und eine Abkühlung für Szenario 2 (niedrigere CO2-Konzentration). Genau das ist der Zweck eines Klimamodells: die Ermittlung von Trends, Durchschnittswerten und Extremen, die in den kommenden Jahrzehnten zu erwarten sind.
Die Innovation von K. Hasselmanns Arbeit besteht darin, dass er verdeutlichen konnte, dass Klimamodelle verlässlich sein können, obwohl sich das Wetter selbst chaotisch verhält.
Hasselmanns zweiter Beitrag bestand darin, mit seinem Klimamodell die Auswirkungen der Rahmenbedingungen auf den Klimawandel zu ermitteln. Indem er diese Bedingungen getrennt voneinander variierte, konnte er deren einzigartige Langzeitsignaturen identifizieren. Dies öffnete die Tür zu Studien über die Zuordnung des Klimawandels und ermöglichte den Nachweis, dass die beobachtete globale Erwärmung auf menschliche und nicht auf natürliche Treibhausgasemissionen zurückzuführen ist. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel, bei dem deutlich wird, dass die Berechnung nur unter Einbeziehung menschlicher Quellen gut mit den Beobachtungen übereinstimmt, während die Berechnung, die lediglich natürliche Quellen einbezieht, die beobachtete Erwärmung nicht erklärt.
Die Botschaft des Nobelkomitees
Die Arbeiten von S. Manabe und K. Hasselmann bilden die Grundlage für Klimamodelle, die zeigen, dass die globale Erwärmung auf einen Anstieg der Treibhausgaskonzentration zurückzuführen ist und dass die durch den Menschen verursachten Emissionen dafür verantwortlich sind. Mit der erstmaligen Nominierung von Klimawissenschaftlern für den Nobelpreis für Physik sendet das Komitee die klare Botschaft an die Menschheit, dass Klimamodelle auf soliden physikalischen Erkenntnissen beruhen und die daraus gezogenen Schlussfolgerungen unwiderlegbar sind.
Referenzen und weitere Informationen
- MLA style: The Nobel Prize in Physics 2021. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021. Thu. 7 Oct 2021. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/summary/
- https://www.carbonbrief.org/prof-john-mitchell-how-a-1967-study-greatly-influenced-climate-change-science
- Manabe, S. and Wetherald, R. T. (1967). Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity, Journal of Atmospheric Sciences, 24(3), 241-259. Retrieved Oct 7, 2021, from https://journals.ametsoc.org/view/journals/atsc/24/3/1520-0469_1967_024_0241_teotaw_2_0_co_2.xml
- Boucher, O., D. Randall, P. Artaxo, C. Bretherton, G. Feingold, P. Forster, V.-M. Kerminen, Y. Kondo, H. Liao, U. Lohmann, P. Rasch, S.K. Satheesh, S. Sherwood, B. Stevens and X.Y. Zhang, 2013: Clouds and Aerosols. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
- Hegerl G. and Zwiers, F. (2011): Use of models in detection and attribution of climate change. WIREs Climate Change. Vol 2 (4). 570-591. https://doi.org/10.1002/wcc.121