Die klimatische Zukunft der Erde ist ungewiss, aber die Welt muss sich auf Veränderungen vorbereiten.

Mit Hilfe von Klimasimulationen werden die physikalischen Wechselwirkungen zwischen Land, Meer und Himmel anhand bekannter physikalischer Gesetze und Gleichungen nachgebildet. Solche Modelle können in die Vergangenheit blicken und mit Hilfe von Daten aus Gesteinen und Eisbohrkernen alte Eiszeiten oder Treibhauswelten rekonstruieren.

Aber Klimawissenschaftler nutzen diese Simulationen auch, um sich eine Reihe verschiedener möglicher Zukünfte vorzustellen, insbesondere als Reaktion auf klimawirksame Treibhausgasemissionen. Diese “Choose-Your-Own-Adventure”-Szenarien zielen darauf ab, vorherzusagen, was in den nächsten Jahrzehnten als Ergebnis verschiedener Emissionsniveaus zu erwarten ist. Das bedeutet, dass die Antworten auf Fragen wie folgende nach oben und unten begrenzt werden: Wie heiß wird es werden? Wie hoch werden die Meere ansteigen?

Die gute Nachricht ist, dass Klimasimulationen immer besser darin werden, selbst die subtilsten Aspekte des Klimawandels nachzubilden, wie etwa die komplizierte Physik der Wolken, die Auswirkungen von Aerosolen und die Fähigkeit des Ozeans, Wärme aus der Atmosphäre aufzunehmen.

Aber es gibt auch schlechte Nachrichten: Mehr Informationen bedeuten nicht immer mehr Klarheit. Und das führt jetzt zu Unsicherheit darüber, wie schlimm das “Worst-Case-Szenario” für das Klima der Erde sein könnte.

Vor fünf Jahren waren die wahrscheinlichen Worst-Case-Klimaszenarien beunruhigend genug. In einem so genannten “Business-as-usual”-Szenario, in dem die Menschheit keine Maßnahmen zur Verringerung der Treibhausgasemissionen ergreift, wurde bis zum Jahr 2100 eine Erwärmung des Planeten um 2,6 bis 4,8 Grad Celsius im Vergleich zur durchschnittlichen Erdtemperatur zwischen 1986 und 2005 prognostiziert (SN:4/13/14). Laut dem Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) aus dem Jahr 2014 wird der mittlere globale Meeresspiegel in diesem Szenario wahrscheinlich um bis zu einem Meter ansteigen.

Die neueste Generation von Klimamodellen deutet jedoch darauf hin, dass das Klima der Erde möglicherweise noch empfindlicher auf sehr hohe Kohlendioxidwerte in der Atmosphäre reagiert als bisher angenommen. Und das wiederum erhöht die Prognosen darüber, wie heiß es werden könnte.

“Wir diskutieren darüber, ob wir diesen Modellen Glauben schenken sollen”, sagt Andrew Gettelman, ein Klimawissenschaftler am National Center for Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, Colo.

Das liegt daran, dass die Simulationen die gleichen Gleichungen verwenden, um vergangene und zukünftige Klimabedingungen zu betrachten. Und viele Simulationen haben immer noch Schwierigkeiten, das Klima sehr warmer Zeiträume in der Vergangenheit, wie z. B. des Eozäns, genau nachzubilden (SN: 11/3/15). Je heißer die Welt wird, desto größer werden die Unsicherheiten, wie sich herausstellt. “Niemand streitet darüber, ob es weniger als 2 Grad sind”, sagt Gettelman. “Wir streiten uns über das obere Ende.”

Die Hitze erhöhen

Der erste Hinweis darauf, dass mit den neuesten Modellen etwas sehr Seltsames vor sich geht, kam im März bei einem Treffen von Wissenschaftlern und Modellierern in Barcelona, die an Klimasimulationen der nächsten Generation arbeiten. Viele der Simulationen sollen in den nächsten IPCC-Bewertungsbericht einfließen, dessen erster Teil im April 2021 veröffentlicht werden soll.

Alle Simulationen enthalten Schätzungen der so genannten Gleichgewichts-Klimasensitivität (ECS). Das bedeutet im Wesentlichen, wie das künftige Klima der Erde auf eine neue Normalität reagieren wird – insbesondere auf eine Atmosphäre, die doppelt so viel Kohlendioxid enthält wie in vorindustrieller Zeit.

Einen ähnlichen Trend zeigen mehrere bekannte Simulationen, die von Teams am NCAR, dem US-Energieministerium, dem englischen Hadley Centre for Climate Prediction and Research in Exeter und dem Pariser Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) entwickelt wurden. In diesen Modellen war der ECS höher, d. h. die Erde reagierte empfindlicher auf Kohlendioxid als in früheren Modellgenerationen. Wenn dies zutrifft, deutet dies darauf hin, dass die Gase einen noch größeren Einfluss auf die Erdatmosphäre ausüben können als bisher angenommen. Letztlich könnte das bedeuten, dass die Temperaturen höher werden könnten als selbst die höchsten bisherigen Prognosen vermuten ließen.

Im September haben Wissenschaftler des IPSL und des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS), ebenfalls in Paris, ihre Simulationen veröffentlicht. Auf der Grundlage von Projektionen zweier separater Klimamodelle berichteten die Teams, dass die durchschnittliche globale Erwärmung bis zum Jahr 2100 im Vergleich zur vorindustriellen Zeit auf 6 bis 7 Grad Celsius ansteigen könnte (oder etwa 11 bis 13 Grad Fahrenheit).

Wie viele Klimasimulationen der neuen Generation zeichnen sich auch die beiden französischen Modelle durch eine feinere Auflösung und eine bessere Darstellung der realen Bedingungen aus als frühere Simulationen. Im Vergleich zu den heutigen Klimabeobachtungen geben die neuen Simulationen diese Beobachtungen auch besser wieder, sagt der CNRS-Klimatologe Olivier Boucher.

Doch der hohe ECS-Wert bleibt eine Überraschung: “Unserer ist besser”, sagt Boucher, “was die Physik angeht. “Aber das bedeutet nicht automatisch, dass wir mehr Vertrauen in die Zukunftsprognosen haben.”

Dieses ECS-Rätsel, das einige der Modelle immer noch aufweisen, kam am 21. November auf einer Sitzung des Atmosphären- und Klimawissenschaftsausschusses der Nationalen Akademie der Wissenschaften in Washington, D.C., erneut zur Sprache. Die wahrscheinlichste Ursache für den hohen ECS, so Gettelman auf der Sitzung, liege darin, wie stark die Modelle die Erwärmung durch Wolken einschätzen (SN: 3/22/14). Neben anderen Faktoren spielt es eine Rolle, wie hoch die Wolken in der Atmosphäre sind: Wolken in niedrigeren Höhen können das Sonnenlicht zurück in den Weltraum reflektieren, während Wolken in höheren Höhen die Wärme zurückhalten können. Gettelman und seine Kollegen erörterten die Bedeutung von Wolken bei der ECS-Modellierung im Juli in Geophysical Research Letters.

“Wolken in hohen Breitengraden scheinen ziemlich wichtig zu sein”, sagt Gettelman. Die Region über dem südlichen Ozean ist von besonderem Interesse, aber es gibt jetzt auch Studien, die die Auswirkungen von Wolken in großen Höhen in der Arktis sowie von Wolken in niedrigeren Höhen in den Tropen untersuchen.

Ein neues Paradigma

Die Autoren des nächsten IPCC-Berichts werden sich wahrscheinlich Gedanken darüber machen, wie sie die Hoch-ECS-Modelle diskutieren sollen. Die Landschaft der Klimasimulationen wird auch auf andere Weise immer komplizierter.

Für den IPCC-Bericht 2014 nahmen Klimamodellierer auch an der fünften Iteration eines Projekts zur Festlegung von Standards und Szenarien für Klimaprojektionen teil. Dieses Projekt heißt “Coupled Model Intercomparison Project” des Weltklimaforschungsprogramms, kurz CMIP5.

Die Zukunftsprojektionen des CMIP5 wurden nach einem Konzept organisiert, das als “repräsentative Konzentrationspfade” oder RCPs bezeichnet wird. Jeder Pfad skizzierte eine mögliche Klimazukunft auf der Grundlage der physikalischen Auswirkungen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid und Methan, die in der Atmosphäre verweilen und die Sonnenstrahlung einfangen. Eine Erde, auf der die Treibhausgasemissionen drastisch und schnell reduziert werden, wurde durch ein Szenario mit der Bezeichnung RCP 2.6 dargestellt. Das Business-as-usual-Szenario wurde als RCP 8.5 bezeichnet.

Der bevorstehende sechste Bewertungsbericht des IPCC wird sich auf Projektionen von CMIP6 stützen, den neuen, empfindlicheren Modellen. Darin werden die RCPs gestrichen und ein neues Paradigma namens “sharedsocioeconomic pathways” (SSPs) eingeführt.

Während die RCP-Projektionen ausschließlich auf der Erwärmung der Atmosphäre durch die verschiedenen Gaskonzentrationen beruhen, beziehen die SSP-Projektionen auch gesellschaftliche Veränderungen ein, wie z. B. Veränderungen in der Demografie, der Urbanisierung, dem Wirtschaftswachstum und der technologischen Entwicklung. Indem sie nachverfolgen, wie sich solche Veränderungen auf den künftigen Klimawandel auswirken können, hoffen die Wissenschaftler, dass die SSP den Nationen helfen können, besser einzuschätzen, wie sie ihre eigenen Emissionsziele, die sie im Rahmen des Pariser Abkommens zugesagt haben, erreichen können (SN: 12/12/15).

Data drive

Das menschliche Verhalten ist nicht die einzige Quelle der Unsicherheit, wenn es darum geht, Worst-Case-Szenarien zu entwerfen. Wissenschaftler ringen auch mit der Simulation der komplizierten physikalischen Wechselwirkungen von Eis, Ozean und Atmosphäre, insbesondere wenn die Temperaturen weiter steigen.

“Auf den meisten Ozeanen befindet sich Luft, und auf den Ozeanen befindet sich Eis. Und das Eis bewegt sich, das Eis interagiert. Das ist eine sehr schwierige Sache”, sagt Richard Alley, Aglaziologe an der Penn State.

Die Klimamodelle sind gerade erst so weit, dass sie viele dieser Wechselwirkungen reproduzieren können, indem sie sie in einer Simulation “koppeln”, sagt Alley. Dies ist der Schlüssel zu einer genauen Vorhersage möglicher Zukünfte: Solche gekoppelten Simulationen zeigen, wie sich diese Wechselwirkungen gegenseitig beeinflussen, was das Potenzial für noch höhere Temperaturen oder noch höhere Meere erhöht.

Bei der Vorhersage des so genannten Worst-Case-Szenarios bleiben jedoch zahlreiche Quellen möglicher Unsicherheiten. Wie schnell die Meere steigen werden, hängt zum Beispiel davon ab, wie schnell die großen Eisschilde, die Grönland und die Antarktis bedecken, durch Schmelzen oder Zusammenbruch Eis an den Ozean verlieren (SN: 25.9.19).

Klimasimulationen geben dieses Schmelzen immer noch nicht gut wieder, auch nicht im Sonderbericht des IPCC über die Auswirkungen des Klimawandels auf Eis und Ozeane, der im Oktober 2019 veröffentlicht wird. Das liegt zum Teil daran, dass die Wissenschaftler nicht vollständig verstehen, wie das Eis auf den Klimawandel reagiert, sagt der Glaziologe Eric Rignot von der University of California, Irvine. “Wir machen Fortschritte”, sagt er, “aber wir sind noch nicht am Ziel.”

Eine der größten Ungewissheiten ist, wie die Erwärmung der Ozeane mit den riesigen Unterbäuchen der Gletscher am Rande der Eisschilde interagieren und sie erodieren kann, sagt Rignot. Um herauszufinden, wie eine solche Erosion ablaufen könnte, sind detaillierte bathymetrische Karten erforderlich, die tiefe Kanäle aufzeigen können, durch die wärmeres Ozeanwasser in Fjorde eindringt und die Gletscher abträgt (SN: 4/3/18).Er und seine Kollegen haben einige dieser Karten für Grönland erstellt.

Wissenschaftler versuchen auch, Daten aus dem Boden zu gewinnen, um andere Ungewissheiten zu beseitigen, etwa wie die Erwärmung das Verhalten der Eisschilde selbst verändern kann, wenn sie sich über den Boden strecken, biegen und gleiten. 2018 begann eine internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern ein fünfjähriges Projekt, um den Abbruch des Thwaites-Gletschers von der Größe Floridas im Westantarktischen Eisschild in Echtzeit zu untersuchen. Warmes Ozeanwasser dünnt den Gletscher aus, der den Eisschild wie ein Stützpfeiler stützt, und verlangsamt den Eisfluss in Richtung Ozean. Thwaites wird wahrscheinlich zusammenbrechen, möglicherweise innerhalb der nächsten Jahrzehnte.

Und es gibt noch andere Prozesse, die in den CMIP-Modellen noch nicht berücksichtigt sind und das Eis schnell ins Meer stürzen lassen könnten: Schmelzwasser sickert durch Risse und Spalten an die Basis des Eisschildes und schmiert dessen Gleiten vom Land ins Meer. Schmelzwasser kann auch zu festen, undurchlässigen Platten gefrieren, die den Fluss neueren Schmelzwassers in den Ozean beschleunigen können (SN: 9/18/19). Am beängstigendsten ist vielleicht die Vermutung einiger Forscher, dass eine künftige Erwärmung dazu führen könnte, dass die riesigen, steilen Eisklippen der Antarktis plötzlich große Eisbrocken an den Ozean verlieren und der Meeresspiegel rasch ansteigt (SN: 2/6/19).

Es gibt einen guten Grund, warum die derzeitigen Klimamodelle die Hypothese der Eisklippen nicht berücksichtigen, sagt Alley. “Die besten Modelle, bei denen man am ehesten darauf vertrauen kann, dass sie die jüngsten Ereignisse rekonstruieren, verwenden im Allgemeinen nicht viel Mühe darauf, die Dinge abzubrechen”, sagt er. Das Problem liegt nicht darin, die Physik des Abbruchs von Eisstücken zu simulieren, sondern darin, genau zu simulieren, welche Schelfeisplatten abbrechen werden – und wann. Das macht den potenziellen Fehler bei der Simulation dieser Prozesse sehr groß.

“Darin liegt im Moment ein großer Teil der Spannungen in der Gemeinschaft”, fügt Alley hinzu. “Wie man damit umgeht, ist immer noch sehr schwierig.”

Der Sonderbericht des IPCC für 2019 nimmt die Eisklippen-Hypothese zur Kenntnis, hält sie aber für extrem unwahrscheinlich. Das heißt aber nicht, dass sie unmöglich ist, sagt Alley – oder dass sie in der Vergangenheit nicht schon vorgekommen ist. Beweise aus Ozeansedimenten zeigen, dass riesige Eisberge in der Vergangenheit von kontinentalen Klippen abgebrochen und auf das Meer hinausgeschmolzen sind. Wenn sich der Thwaites-Gletscher bis ins Innere der Antarktis zurückzieht, könnten durch das fortgesetzte Kalben gewaltige Klippen entstehen, die doppelt so hoch und zehnmal so breit sind wie die in Grönland beobachteten, stellte er im Dezember auf der Jahrestagung der American Geophysical Union in San Francisco fest.

Der IPCC “geht davon aus, dass wir Glück haben und es nicht passieren wird”, sagte Alley. Aber die Daten zu den Meeressedimenten werfen “wirklich ernste Fragen zu dieser Annahme auf.”

Gettelman mahnt unterdessen, dass die anhaltende Ungewissheit bei den Zukunftsprognosen nicht bedeutet, dass die Welt abwarten sollte, was passiert, oder dass die Wissenschaftler es herausfinden. “Es bedeutet vielmehr, dass wir bald etwas tun müssen”, sagt er. Unabhängig davon, ob sich die Prognosen für die hohen Temperaturen oder den Anstieg des Meeresspiegels als wahr erweisen oder nicht, “es ist immer noch ziemlich schlimm”.