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Treibhaus der Phantasie oder geistiges Gefängnis? - Über Sinn und Unsinn mathematischer Klimamodelle

von Edgar Gärtner

In der Klimaforschung hat ein Prozess des Umdenkens begonnen. Als Sackgasse erweist sich hier die den aufwändigen und dennoch wenig zuverlässigen mathematischen Klimamodellen zugrunde liegende Vorstellung vom «Treibhaus Erde». Danach soll vor allem der Ausstoß des «Treibhausgases» Kohlendioxid (CO2) durch Schornsteine und Auspuffrohre schuld daran sein, dass es auf der Erde in den letzten Jahrzehnten, wie es scheint, etwas wärmer geworden ist. Im zweiten von bislang drei dicken Berichten des 1988 von der World Meteorological Organization (WMO) und dem UN Umweltprogramm (UNEP) gegründeten International Panel on Climate Change (IPCC) las sich das 1996 so: «The balance of evidence suggests a discernible human influence on global climate.» Um einer drohenden Überhitzung unseres Planeten vorzubeugen, sei eine erhebliche Reduktion des Ausstoßes klimawirksamer Gase nötig. Auf den Weltklimakonferenzen Ende 1997 in Kioto und im November 2001 in Marrakesch einigten sich die Industrieländer (mit Ausnahme der USA) auf eine entsprechende, allerdings eher symbolische Verpflichtung.

Die Unterzeichner des Kioto-Protokolls tun vermutlich auch gut daran, ihre Versprechen nicht allzu ernst zu nehmen. Denn die Beweislage in Sachen Klimaentwicklung ist bei weitem nicht so eindeutig, wie interessierte Kreise vorgeben. Die seit 1958 auf dem erloschenen Vulkan Mauna Loa auf Hawaii aufgezeichnete Kurve des Anstiegs der CO2-Konzentration der Atmosphäre mit ihrem charakteristischen, durch die Jahreszeiten der Nordhemisphäre bedingten Sägezahnmuster (Abbildung) ist die einzige unumstrittene Datengrundlage, auf die sich die Computermodelle des Deutschen Klimarechenzentrums (DKRZ) am Hamburger Max-Planck-Institut (MPI) für Meteorologie und anderer Großforschungseinrichtungen stützen. Schon die Angaben über die möglicherweise mit dem CO2-Anstieg zusammenhängende Entwicklung der Durchschnittstemperatur über den Landflächen des Globus sind äußerst umstritten, denn sie stützen sich auf ein Netz meteorologischer Messstationen, das nicht zum Zwecke der Klimaforschung, sondern für die regionale Wetterbeobachtung, zum Beispiel in der Umgebung von Großflughäfen eingerichtet wurde. Die Messstationen befinden sich deshalb überwiegend in der Nähe großstädtischer Wärmeinseln. Es ist wohl kein Zufall, dass die insgesamt zuverlässigeren Satellitenmessungen für die letzten Jahrzehnte keinen eindeutigen Temperaturtrend zeigen.

Angesichts dieser Datenlage wäre es naiv, den ausschließlich mit Computerberechnungen und nicht mit der Erhebung von Messdaten befassten Klimaforschern kein Eigeninteresse zu unterstellen, zumal es dabei um beträchtliche Summen öffentlicher Forschungsgelder geht. Statt sich von Computersimulationen blenden zu lassen, ist es deshalb an der Zeit, die Monopolstellung, die Computermodelle in der Debatte um die richtige Klimapolitik“ erlangt haben, kritisch zu hinterfragen. Dabei hilft auch Schulwissen und gesunder Menschenverstand.

Die Temperatur der Erdoberfläche hängt wie die ihres Trabanten im wesentlichen von der Intensität der Sonneneinstrahlung und der Dauer nächtlicher Abkühlung ab. Die Energiezufuhr aus dem Erdinnern ist demgegenüber vernachlässigbar klein. Die Temperatur des Mondes schwankt im Rhythmus von 14 Tagen zwischen tödlicher Hitze (plus 120 Grad Celsius) in der Sonne und ebenso lebensfeindlicher Kälte (minus 160 ·C) auf der sonnenabgewandten Seite. Die Durchschnittstemperatur des Mondes beträgt also minus 40 Grad.

Für die Erde berechnete der schwedische Chemiker Swante Arrhenius im Jahre 1896 eine theoretische Durchschnittstemperatur von minus 18 Grad Celsius. Demgegenüber betrage die reale Mitteltemperatur plus 15 Grad. Die Differenz von 33 Grad bezeichnete er als «natürlichen Treibhauseffekt». Dieser gehe auf die Lufthülle zurück, durch die sich die Erde von ihrem Trabanten unterscheidet. Der spätere Nobelpreisträger vermutete, die Temperatur der Erde hänge in erster Linie von der CO2-Konzentration einer Strahlungsschicht“ in sechs Kilometern Höhe ab, die wie ein Glasdach durch «Gegenstrahlung» reflektierter Wärmeenergie dafür sorge, dass die mittlere Temperatur der Erdoberfläche nicht der des Mondes entspricht. Verdoppele sich die CO2-Konzentration, steige die durchschnittliche Temperatur um 4 bis 6 ·C. Sinke sie hingegen, komme es zur Abkühlung der Erdoberfläche und letztlich zu einer Eiszeit.

Mit dieser Hypothese konnte Arrhenius um die vorletzte Jahrhundertwende allerdings niemanden überzeugen, weil die Annahme einer CO2-reichen Schicht in sechs Kilometern Höhe schlicht der Tatsache widerspricht, dass Kohlendioxid schwerer ist als die Hauptbestandteile der Luft. Außerdem vermochte er nicht zu erklären, wie eine einmal eingetretene Eiszeit zu einem Ende kommen konnte. Den Nobelpreis für Chemie bekam Arrhenius 1903 für ganz andere Leistungen.

Gegen Ende der 30er Jahre des 20. Jahrhunderts grub dann der englische Ingenieur und Amateurforscher Gay Stewart Callendar die zwischenzeitlich völlig in Vergessenheit geratene Hypothese wieder aus und versuchte mit einigem Erfolg, ihr mit dem Hinweis auf Arrhenius Nobelpreis Autorität zu verleihen. Über Callendar gelangte die Treibhaus-Hypothese noch in den 40er Jahren zum deutschen Geophysiker Hermann Flohn, der später als Ordinarius an der Universität Bonn und Mitglied des NATO-Wissenschaftsausschusses maßgeblich am Ausbau der Klimaforschung zur «Big Science» beteiligt war.

Auch wenn sie über die Idee einer «Strahlungsschicht» nur den Kopf schütteln können, akzeptieren viele mit Klimafragen befasste Naturwissenschaftler bis heute Arrhenius Herleitung des «natürlichen Treibhauseffektes» von 33·C, weil sich offenbar niemand die Mühe machte, seine Originalarbeit zu lesen und zu überprüfen. Als sie das nachholten, stellten der Braunschweiger Physiker Prof. Gerhard Gerlich und der Mainzer Meteorologe Wolfgang Thüne fest, dass Arrhenius grobe Rechenfehler unterlaufen sind. Die Größe 33 Grad, die noch heute (in DIN-Normen!) als Basis für die Berechnung des Global Warming Potential (GWP) verschiedener Gase verwendet wird, kann nicht stimmen, sagen die beiden.

Die Temperaturunterschiede zwischen der Erde und Mond sind nach Thüne nicht in erster Linie die Folge des Gehaltes der irdischen Atmosphäre an «Treibhausgasen», sondern des viel rascheren Wechsels von Tag und Nacht (der Mond braucht für eine Umdrehung 772, die Erde hingegen nur 24 Stunden) sowie des Besitzes großer Wassermassen, die 71 Prozent ihrer Oberfläche bedecken. Das Wasser speichert große Mengen der eingestrahlten Sonnenwärme, und die Kürze der Nächte in den polfernen Regionen der Erde verhindert deren Auskühlung. Wären auf der Erde die Nächte länger und fehlte Wasser, wäre es hier annähernd so kalt oder so warm wie auf dem Mond, vermutet Thüne.

Das Prinzip von Gewächshäusern besteht bekanntlich darin, wärmende Lichtstrahlen durch eine Glasscheibe oder durchsichtige Plastikfolie eintreten zu lassen, die einmal erwärmte Luft jedoch an ihrem Aufstieg zu hindern. Der Erdatmosphäre fehlt eine solche Barriere. Deren Rolle soll nach gängigen Vorstellungen der Klimaforschung von CO2 und anderen fein verteilten Treibhaus-Gasen“ übernommen werden. Das sind drei- oder mehratomige Gase (Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Lachgas, Ozon und fluorierte Verbindungen), die im Unterschied zu den zweiatomigen Hauptbestandteilen der Luft (knapp 78 Prozent Stickstoff und knapp 21 Prozent Sauerstoff) Wärmestrahlung absorbieren. Von einer Analogie zu realen Vorgängen in einem Gewächshaus sind wir hier aber weit entfernt.

Eine Plastikfolien vergleichbare Barrierewirkung übt noch am ehesten der zu Wolken kondensierte Wasserdampf aus: Ist der Himmel bedeckt, kühlt sich die Luft nachts spürbar weniger ab als bei klarem und trockenem Wetter. Wie überragend die Wirkung der Wolken und der Luftfeuchtigkeit auf den Temperaturhaushalt der Erde ist, haben Satellitenaufnahmen mithilfe der Falschfarben-Fotografie zutage gefördert: Fast ganzjährig wolkenfreie und trockene Regionen der Erde wie die Sahara und die arabische Halbinsel haben eine deutlich negative Energiebilanz. Positiv ist die Energiebilanz der Erde ganzjährig nur in den Tropen und im Sommer in den gemäßigten Zonen (siehe Abbildung).

Von den 342 Watt je Quadratmeter, die die Erde im Jahresmittel am Oberrand der Atmosphäre von der Sonne empfängt, erreicht nur ein sehr variabler Teil die Erdoberfläche. Ausschlaggebend für diese Variabilität sind die Wolken, deren unterschiedliche Beschaffenheit die Rückstrahlung der eingetroffenen Solarenergie zu einem komplexen, turbulenten Energieaustauschprozess macht. Verdunstung und Kondensation des Wassers zu Wolken sind der mit Abstand wichtigste Energieumwandlungsprozess in der Atmosphäre. Dadurch angetriebene Winde und Ozeanströmungen sorgen zusätzlich für eine großräumige Umverteilung von Energie. Besser als das Bild vom Gewächshaus trifft dafür wohl die Vorstellung zu, dass die Sonnenenergie durch atmosphärische Umwandlungsprozesse wie durch einen Damm aufgestaut wird, bevor sie wieder in den Weltraum abfließen kann. Ist der Stausee gefüllt, ändert sich die Abflussmenge je Zeiteinheit aber nicht mehr.

Die Frage ist nun, wieweit daran neben den Wolken auch in der Atmosphäre enthaltene Spurengase beteiligt sind. Die rasche nächtliche Abkühlung bei wolkenfreiem Himmel rührt offenbar daher, dass das «atmosphärische Fenster», das heißt jener Bereich des Lichtspektrums, in dem keiner der Luftbestandteile Wärmestrahlen absorbiert, auf jeden Fall weit genug geöffnet ist, um die vom Boden reflektierte Wärme kaum gebremst in den Weltraum entweichen zu lassen (siehe Abbildung). Ein Treibhaus mit einem so weit geöffneten Dach verdient seinen Namen kaum.

Auf welchem Wege die von der Erde wieder abgestrahlte Wärme dieses Fenster erreicht, ist eher zweitrangig. Die Gelehrten streiten sich darüber, ob dabei der sogenannte Strahlungstransport oder der Segelfliegern wohlbekannte Wärmetransport durch aufströmende Luftmassen (Konvektion oder Thermik) überwiegt. Jedenfalls bevorzugen die den IPCC-Berichten zugrunde liegenden Klimamaodelle, die eine Erwärmung der Erde um bis zu 5,8 Grad bis zum Ende des Jahrhunderts errechnen, eindeutig den Strahlungstransport. Dieser könne aber nur in der dünnen Luft der oberen Atmosphäre die Hauptrolle spielen. Weiter unten überwiege der Energietransport durch Zusammenstöße zwischen Luftmolekülen, will der Wiesbadener Chemie-Dozent Heinz Hug mithilfe spektroskopischer Messungen an der Universität Jena nachgewiesen haben. Wer wieweit recht hat, ist für Laien schwer auszumachen.

Entscheidend für die Klimaentwicklung, da ist sich der britische Chemiker Jack Barret, ein heute im (Un-)Ruhestand lebender ehemaliger enger Mitarbeiter des ersten IPCC-Präsidenten Sir John T. Houghton, sicher, ist neben Variationen der Sonneneinstrahlung das Wasser in Form der Weltmeere und in Form von Wasserdampf, Wolken, Regen oder Schnee beziehungsweise Eis. Versuche, in den derzeitigen Klimamodellen den wechselnden Einfluss von Wolken zu berücksichtigen, haben jedoch zu Ergebnissen geführt, die um über 300 Prozent voneinander abweichen. Er frage sich deshalb, ob die jeweiligen Modellierer überhaupt mit der gleichen Physik arbeiten, bemerkte Barrett letztes Jahr auf einem Kolloquium der DECHEMA (Gesellschaft für chemische Technik und Biotechnologie) in Frankfurt.

Die Rolle der Wolken bei der Umverteilung der einfallenden kurzwelligen Solarstrahlung und der von der Erde zurück gestrahlten Wärme sei so überragend, dass der Modellierung des Strahlungshaushalts der wolkenfreien Atmosphäre nur eine begrenzte Aussagekraft zukomme, räumte denn auch der Atmosphären-Physiker Rainer Hollmann vom GKSS-Forschungszentrum Geesthacht auf dem besagten Kolloquium ein.

Er ließ deshalb auch den letztes Jahr in «Nature» veröffentlichten Vergleich von Satelliten-Messwerten von 1970 und 1997 nicht als Beweis für die These einer gefährlichen Verstärkung des menschengemachten Treibhauseffekt gelten. Satelliten messen die Differenz zwischen der am Erdboden in die Atmosphäre und der vom Oberrand der Atmosphäre in den Weltraum emittierten Strahlung, das heißt das Absorptionsvermögen der Atmosphäre für Wärmestrahlen. In den gängigen Klimamodellen hingegen werde der Treibhauseffekt als «ständiger Antrieb zur Aufrechterhaltung der derzeitigen vertikalen Temperaturstruktur in der wolkenlosen Atmosphäre» interpretiert. Der so definierte Treibhauseffekt könne aber nicht gemessen, sondern nur berechnet werden, stellte Hollmann klar.

Dabei, so Hollmann weiter, könnten sich schwere Fehler einschleichen, weil Klimamodelle oft aus mehr als einer Million von Befehlen zur Rechnung und internen Datenweiterleitung bestehen, wodurch weitere Fehlermöglichkeiten sich eröffnen.“ Das scheint umso bedenklicher, als der mit Abstand wichtigste Faktor der atmosphärischen Energieumwandlung, die Wolkenbildung, nur in Form grob geschätzter Durchschnittswerte in die Rechenmodelle eingeht. Damit nährt Hollmann (vielleicht ungewollt) den Vorwurf der «Klima-Skeptiker», die angeblich drohende Klimakatastrophe sei ein Produkt nicht mehr überschaubarer Verknüpfungen im Computer, denen bei Bedarf von Hand“ nachgeholfen werde, um zu politisch erwünschten Ergebnissen zu gelangen.

Inzwischen mehren sich die Stimmen, die davor warnen, die bisherigen Klimamodelle unhinterfragt zu Vorgaben der Politik zu machen. So heißt es in einem Ende 1999 im Bulletin der American Meteorological Society veröffentlichten Statusbericht über die Qualität mathematischer Klimamodelle, dass «realistische Szenarien-Berechnungen noch nicht durchgeführt worden sind.» Mit zunehmendem Aufwand würden die Klimamodelle nicht besser, sondern eher schlechter, weil offenbar ihre Grundstruktur nicht stimme. Sie seien nicht in der Lage, der wechselnden Wasserdampf-Konzentration und Wolkenbedeckung sowie Meeresströmungen Rechnung zu tragen und könnten das anthropogene Signal“ nicht ausmachen. Die führenden Autoren dieses Berichts, die Professoren Tim Barnett von der kalifornischen Scripps Institution und Klaus Hasselmann, der frühere Chef des Hamburger MPI für Meteorologie, sind als glühende Anhänger der mathematischen Klimamodellierung bekannt und stehen insofern nicht im Verdacht, unbelehrbare Querköpfe zu sein. Beide haben aber inzwischen das Rentenalter erreicht und können nun freier reden.

Eine ähnliche Wandlung war bei Rainer Hollmanns ehemaligem Chef, dem Hamburger Atmosphärenphysiker Prof. Ehrhard Raschke zu beobachten, nachdem dieser in den Ruhestand gegangen ist. Raschke warnt heute vor einer Überinterpretation der Klimamodelle, die den IPCC-Berichten und dem Kioto-Protokoll zugrunde liegen: «Viele der das Klima bestimmenden Prozesse sind nicht genau genug bekannt, um realistisch in Modellen nachvollzogen zu werden.» Deshalb, so Raschke weiter, müssten erst einmal die wichtigsten Klimamodelle mithilfe statistischer Methoden auf den Grad ihrer Übereinstimmung mit Messdaten überprüft werden.

Das hat ein deutsch-israelisches Team theoretischer Physiker unter Leitung von Prof. Armin Bunde (Gießen) und Prof. Shlomo Havlin (Tel Aviv) getan. Die Ergebnisse der Untersuchung wurden kürzlich in der angesehenen Fachzeitschrift Physical Review Letters unter dem Titel «Global climate models violate scaling of the observed atmosphere variability» veröffentlicht. Die ernüchternde Schlussfolgerung der Physiker: «Klimamodelle sind weit schlechter als ihr Ruf. Sie reproduzieren die Gesetzmäßigkeiten des Wetters längst nicht so wie erhofft.» Demgegenüber hätten sich die bekannten Bauernregeln als viel zuverlässiger erwiesen, weil sie auf jahrhundertelanger Erfahrung beruhen.

Das deutsch-israelische Team hat insgesamt sieben in Deutschland, in den USA, in Japan, Australien, England und Kanada erstellte Klimamodelle überprüft, die allesamt vielschichtige Erweiterungen von Modellen der Wettervorhersage darstellen. Dabei schnitt das Modell ECHAM4/OPYC3 des Hamburger MPI für Meteorologie am schlechtesten ab.

Fazit: Es ist erstens illusorisch, wenn nicht gefährlich, die (Fiskal-)Politik naturwissenschaftlich begründen zu wollen. Zweitens ist der gesunde Menschenverstand der kleinen Leute auch bei so komplexen Fragen wie der Klimaentwicklung nicht völlig machtlos und jedenfalls nicht schlechter als aufwändige mathematische Modelle und Szenario-Simulationen auf den größten Computern.

Äußerst brisant erscheint von daher ein Empfehlungspapier zur Verbesserung der Kommunikation zwischen Wissenschaft, Politik und Medien, insbesondere im Hinblick auf die «Wahrnehmung der Klimaforschung», das der Sachverständigenkreis des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) für Globale Umweltaspekte unter Vorsitz des Essener Physiko-Chemikers Prof. Reinhard Zellner im letzten Jahr vorgelegt hat. Herkömmliche rationalistische Vorstellungen vom «Primat wissenschaftlichen Wissens» seien überholt, heißt es dort. Die Nachfrage der Politik nach gesichertem Wissen zwingt die Wissenschaft zu Aussagen, die immer stärker durch Nichtwissen gekennzeichnet sind. «Die von der Sicherheit wissenschaftlicher Aussagen erwartete Legitimierung politischer Entscheidungen schlägt in ihr Gegenteil um.»

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gruß
proxi

[ConnorMcLoud]

Wozu der lange Artikel?
Daß Du Dich in einem geistigen Gefängnis befindest ist doch jedem hier klar.

[wolaufensie]

...Wolfgang Thüne, das war der Fernseh-Wetterfrosch, der
im 2.Programm während eines gesprochenen Satzes
immer so laut schluckte und dessen Stimme manchmal ein
wenig zitterte... ...einige kennen ihn sicher noch...
....es gibt ihn noch...http://www.ernst-vill-verlag.de/thuene.html

[proxicomi]

hallo liebe kinder,

wie schön das ihr auch schon das internetcafe im ferienlager entdeckt hab. doch nun connor und solaufenwie ab in die federn, sonst versinkt das wo-board im sumpf eures niveaulosen grundschulgeschreibsels......gute nacht

vielleicht wenn ihr artig seid, dürft ihr noch das sprechende brot auf dem kinderkanal sehen....aber erst zähneputzen


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gruß
proxi

[Art Bechstein]

@ all

denke auch, dass hier schnelles Handeln erforderlich ist, wie es die EU ja gezeigt hat. Dass Co2 schädlich ist, wird wohl niemand ernsthaft anzweifeln und ich denke der Einbeziehung externer Effekte in den Wirtschaftskreislauf durch einen Zertifikatehandel wird auch jeder zustimmen können. Es ist eher ein methodisches Problem, CO2 Ausstoßmengen festzulegen und in Bezug auf ihre Auswirkung zu bewerten, aber es geht ja erstmal um die Lenkungsfunktion eines solchen Handels - finde es jedenfalls eine Schande, dass der größte CO2 Emittent - die USA - gerade diesen Schadstoff nicht in den Zertifikatehandel einbezieht, aber was will man von einem solchen Präsidenten, der im Umweltbereich die Uhren weit zurückgedreht hat zugunsten seiner Erdöl-Lobbys ??

Interessant ist es aber wiedermal, dass man bei 10 befragten Forschern zu dieser Thematik 12 Meinungen bekommt - hier wurde sicherlich eine Außenseitermeinung vertreten und besobders skeptisch sollte man immer sein, wenn mit dem "Menschenverstand" argumentiert wird.

Da guck ich mir das sprechende Brot im Kika an...

Art

[wolaufensie]

....sag mal proxical...bekommst Du eigentlich Zeilenhonorar...? Anders kann ich es
mir nicht vorstellen, warum Du bei recht geringem Eigentext die Konvolute Anderer, die im Original
leserlicher und übersichtlicher sind , in Deiner
zähen Copy & Paste - Version hier
einfügst........wolln mal sehen , was von Deinem
vielen Text noch übrig bleibt...

[wolaufensie]

http://www.konservativ.de/umwelt/gaertner.htm
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gruß
proxi

[wolaufensie]

....naa...?...das ist doch schon viel übersichtlicher...,
und man kann den Eigenarbeitsanteil gut erkennen...
...dürfte sich Dein Arbeitgeber darüber freuen...

[wolaufensie]

...und da wir hier ein grosses Herz haben und Du Dich
und unsere Augen schonen kannst, kann jeder selber
suchen und rauslesen, was ihn interessiert....
http://www.konservativ.de/ ......ja-ja, proxical ....einfach Danke reicht...