Der Klima-Code

Wie der globale Temperaturanstieg von der blossen Theorie zur mess- und modellierbaren Realität wurde: Teil 2 unserer Serie über die Wissenschaftsgeschichte des Klimawandels.

Von Arian Bastani (Text) und Kwennie Cheng (Illustration), 11.12.2018

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An seinem Schreibtisch, zu Hause in West Sussex, geht Guy Callendar Temperaturmessungen durch. Ihn interessiert nicht, wie warm es morgen wird. Nein: Der Brite will wissen, wie sich die Temperatur in den letzten Jahrzehnten entwickelt hat, seit benzinbetriebene Automobile auf den Strassen fahren und Kohle in Kraftwerken zu Strom verfeuert wird.

Es ist eine Herkulesarbeit für den Mann, der seit Kindesalter nur auf einem Auge sieht – Leslie, sein älterer Bruder, hat ihm beim Spielen einst einen Reissnagel ins andere Auge gebohrt. Doch die Arbeit sollte der Menschheit wichtige Einsichten bringen: übers Klima und über dessen Veränderbarkeit.

Niemand glaubt einem einfachen Ingenieur

Um sein Unterfangen in die Tat umzusetzen, muss Callendar die Messdaten von zweihundert Wetterstationen zusammentragen, verstreut über den ganzen Globus. Er muss jede einzelne Station minutiös überprüfen und unplausible Daten aussortieren. Und er muss über fünfzig Jahre hinweg Durchschnittstemperaturen berechnen – mit Bleistift und Papier.

Doch die Mühsal lohnt sich, glaubt der Ingenieur, der damals in seinen Dreissigern ist und als Dampfexperte für einen Turbinenhersteller arbeitet. 1937 reicht er bei der Royal Meteorological Society in London sein Resultat ein: Die Temperaturen seien seit 1888 um etwa ein Viertel Grad gestiegen.

Der Grund dafür sei der Mensch. Respektive: das Kohlendioxid, das dieser im Zuge der industriellen Revolution produziert habe. Rund ein Drittel davon sei in der Atmosphäre verblieben und habe dort den Treibhauseffekt verstärkt.

Sechs Klimatologen der Society hören sich die Ausführungen an. Doch sie schenken dem Hobbywissenschaftler, der sich nur freizeithalber mit der Atmosphäre beschäftigt, keine Beachtung. Nichtmeteorologen wüssten einfach nicht genug Hilfreiches übers Klima, sagt einer der sechs Gutachter, der kurz zuvor selbst eine Studie publiziert hatte – und darin zum Schluss gekommen war, CO2 habe keinen nennenswerten Effekt aufs Klima.

Die Herren sollten sich täuschen – und Callendar in die Geschichte eingehen: als erster Forscher, der einen konkreten Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre dokumentiert (von etwa 292 auf 310 Teile pro Million innert rund fünfzig Jahren), und dies als Ursache für eine globale Erwärmung wertet.

Guy Callendar skizziert die Temperaturveränderung auf der Erde und den «CO2-Effekt».
Er hielt ein wärmeres Klima für eine angenehme Sache: Guy Callendar mit Gattin, circa 1960. G. S. Callendar Archive, University of East Anglia

Allerdings sieht der Brite darin keinen Grund zur Besorgnis. Im Gegenteil: Er glaubt, dass eine Erwärmung Vorteile bringen würde, beispielsweise für die Landwirtschaft in nördlichen Regionen oder für seinen Lieblingssport, das Tennis. Ausserdem würde so verhindert, dass im Zuge einer Eiszeit, die Forscher damals kommen sahen, «die tödlichen Gletscher zurückkehren».

Die Geschichte der Klimaforschung

Wie kam eigentlich die Idee auf, dass der Mensch etwas so unvorstellbar Grosses wie die Atmosphäre beeinflussen könnte? Wann realisierten Forscher erstmals, dass der Klimawandel von Menschen verursacht ist? Und aufgrund von welchen Experimenten und Messungen kam die Wissenschaft irgendwann zum Schluss: Jetzt muss gehandelt werden – sonst kommt es zur ökologischen Katastrophe?

Diesen wissenschaftshistorischen Fragen gehen wir in einer Serie nach. Sie erzählt von ersten Temperaturberechnungen bei Kerzenlicht, von militärischen Verwicklungen der Atmosphärenforschung, von Computern, die ganze Turnhallen füllen, und von Rechenmodellen, deren Vorhersagen immer dramatischer werden. Das Ziel: Das Verständnis dafür schärfen, warum die Klimawissenschaft heute mit einer nie da gewesenen Eindringlichkeit vor den Folgen des Wandels warnt.

Doch Callendar wird weiter nicht ernst genommen. Zu gross, so die gängige Meinung, sei die Atmosphäre, um vom Menschen beeinflusst zu werden.

Und selbst wenn: Sie würde rasch wieder ins Gleichgewicht finden.

Erst zwanzig Jahre später, der Zweite Weltkrieg ist bereits lange vorbei, greift die Wissenschaft Callendars Ergebnisse wieder auf. Angesichts zunehmender Kohle- und Ölverbrennung wächst die Neugier: Haben all die Heizungen und Motoren wirklich keinen Einfluss aufs Klima? Forscher ahnen nun, dass das letzte Wort in dieser Sache doch nicht gesprochen ist – und gehen dem in Fachkreisen mittlerweile bekannten Callendar effect erneut auf den Grund.

Der Planet atmet Kohlendioxid

Doch die Probleme sind immens. Unter anderem fehlen präzise Daten: Winde und Abgase aus Städten verfälschen die Luftmessungen. An belastbare Aussagen zum Klima ist unter diesen Umständen nicht zu denken.

Dies erkennt auch ein junger Chemiker aus den USA. Seiner Laborerfahrung als Doktorand verdankt er ein gutes Gespür für Mess- und Analyseverfahren, seiner Naturverbundenheit ein Interesse fürs Klima: Charles Keeling.

Wie der Ire John Tyndall knapp rund hundert Jahre zuvor tüftelt auch er in den 1950er-Jahren an eigenen Apparaturen. Und erfindet schliesslich eine neue Methode, um den Kohlendioxidgehalt in der Luft zu messen.

Sie funktioniert so:

  • Luftproben von einem bestimmten Ort werden in grossen Glasflaschen eingeschlossen, diese werden danach ins Labor gebracht.

  • Dort wird die Luft durch ein gekühltes Rohr geleitet. Dabei friert das Kohlendioxid in der Luft ein: Es lässt sich so vom Rest trennen.

  • In einem neuen Behälter wird das Kohlendioxid wieder erwärmt und dadurch zu Gas.

  • Dieses Gas drückt auf eine Quecksilbersäule: Je weiter sie sich verschiebt, desto mehr Kohlendioxid muss sich im Behälter befinden.

Keelings Apparatur erweist sich gegenüber den bisherigen Methoden als überlegen. Die CO2-Werte, die er ermittelt, sind an verschiedenen Orten und über Tage hinweg beständig. In den Messungen kristallisiert sich schliesslich eine «charakteristische Hintergrundkonzentration der Atmosphäre» heraus.

Für die Klimaforschung ist es ein Durchbruch. Und auch für Keeling. Viele seiner Studienkollegen verdienen gutes Geld in der Erdölindustrie. Er selbst verbringt Tage und Nächte im Freien, auf Bergen, in Wäldern, an Flüssen – Hauptsache fernab der Zivilisation, wo die Bedingungen für unverfälschte Luftproben ideal sind.

Tatsächlich werden in den Resultaten erstmals markante Muster sichtbar: Wellenlinien, die tagsüber nach unten und in der Nacht nach oben gehen und auch im Sommer einen tieferen CO2-Stand anzeigen als im Winter.

Keeling erkennt: Für dieses Muster ist die Vegetation verantwortlich.

  • Am Tag, wenn die Sonne scheint, betreiben Pflanzen mithilfe der Sonnenenergie Fotosynthese: Sie nehmen Kohlendioxid aus der Luft auf und verarbeiten dieses zu organischem Material.

  • In der Nacht läuft der Prozess umgekehrt: Pflanzen veratmen Zucker zu Kohlendioxid und stossen dieses aus.

Dasselbe passiert im Rhythmus der Jahreszeiten:

  • Im Sommer wachsen die Bäume und Blätter: Kohlendioxid wird aus der Luft gebunden.

  • Im Winter fallen die Blätter ab, zersetzen sich und geben einen Teil des Kohlenstoffs wieder frei.

Der Atmosphärenforscher Charles Keeling erklärt seine Messreihen, um 1995. Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego
Und stetig gehts bergauf: Charles Keelings CO2-Messreihe vom Mauna-Loa-Observatorium auf Hawaii beginnt 1958. Sie dauert bis heute an und ist die längste Messreihe für Kohlendioxid. SPL/Keystone

Der Planet hat somit eine Art Lunge: Er atmet Kohlendioxid ein und aus.

Die Qualität von Keelings Arbeit überzeugt. 1958 erhält er Forschungsgelder, um seine Messungen in grossem Stil fortzusetzen. Ein zentraler Punkt ist die Abgelegenheit der Messstationen. Und so zieht es ihn in die Antarktis und nach Hawaii, wo er automatische Messinstrumente installiert und mit ihnen die erste exakte und systematische Messreihe von Kohlendioxid in der Atmosphäre produziert.

Nach nur zwei Jahren sind genug Daten gesammelt, damit der inzwischen Dreissigjährige zeigen kann: Der CO2-Gehalt in der Atmosphäre nimmt zu.

Keelings Messungen auf dem Mauna-Loa-Vulkan in Hawaii werden bis heute weitergeführt. Die dazugehörige Messreihe, mittlerweile als Keeling curve bekannt, wird zu einem Sinnbild für den menschlichen Einfluss aufs Klima.

Die Mechanik von Wind und Regen

Guy Callendar hat also recht behalten: Die Zusammensetzung der Luft verändert sich. Und im Zuge dessen steigt die Temperatur: Würde der Mensch weiter CO2 emittieren, wäre eine globale Erwärmung die Folge.

Nur: Wie umfangreich wäre diese Erwärmung genau?

Während langer Jahre steckt die Wissenschaft hier in einer Sackgasse. Berechnungen wie jene, die der Schwede Svante Arrhenius um 1900 angestellt hat, wonach die Erde bei einer Verdoppelung des CO2-Gehalts um 5 Grad wärmer würde, basieren auf zu simplen Modellen der Atmosphäre. Sie werden ihrer physikalischen Komplexität nicht gerecht und sind deshalb nicht verlässlich.

Das Problem der Klimaforscher ist: Die Dynamik von Wärme, Wind und Feuchtigkeit zu simulieren, ist mit enormem Rechenaufwand verbunden. Die Atmosphäre adäquat zu modellieren, erweist sich so als schier unlösbare Aufgabe. Dies, obwohl Ideen dazu bereits Jahrzehnte zuvor aufgetaucht sind.

Ein Pionier stammt aus Norwegen: Vilhelm Bjerknes schlägt 1904 vor, die Atmosphäre mit einer Reihe von Gleichungen darzustellen. In der Stadt Bergen an der Atlantikküste, wo es gefühlt jeden Tag regnet, will er das Wetter vom «Standpunkte der Mechanik und der Physik» aus betrachten.

Bjerknes, der als Kind bereits seinem Vater bei Experimenten assistierte und die Wissenschaft als Dienst am Vaterland begreift, geht folgendermassen vor:

  • Zuerst werden messbare Grössen der Atmosphäre – wie Temperatur, Niederschlag, Druck, Wind – erfasst. Sie dienen zur «Diagnose des Zustands der Atmosphäre».

  • Dann werden diese Messwerte in physikalische Gleichungen eingesetzt, die deren weitere Entwicklung beschreiben. Damit wird die Prognose eines zukünftigen Zustands kalkuliert.

Über die Jahre errichtet Bjerknes ein Netzwerk von Messstationen, um eine bessere Prognose zu erstellen. Einer seiner vier Söhne unterstützt ihn dabei – die Wissenschaft hat Tradition in der Familie.

Doch auch mit vereinten Kräften ist die Berechnung des Wetters kaum zu bewältigen. Sie «übersteigt die Hilfsmittel der heutigen mathematischen Analyse», wie der Norweger ernüchtert konstatieren muss. Behelfsmässig bedient er sich daher handgezeichneter Darstellungen. Und prägt damit die Meteorologie: Vergleichbare Darstellungen sind auch noch heute üblich.

Ein neugieriger Pazifist

Ein Verbesserungsvorschlag folgt bereits wenige Jahre später aus England. Und zwar von Lewis Richardson, einem Quäker, Mitglied jener «Religiösen Gesellschaft der Freunde», die den Pazifismus über alle anderen Werte stellt.

Der Erste Weltkrieg ist inzwischen ausgebrochen. Richardson, 33 Jahre alt, verweigert den Kriegsdienst aus Gewissensgründen. Dies im Wissen, dass eine akademische Karriere dadurch verunmöglicht wird. Um sich dennoch ein Bild zu machen, meldet sich der neugierige Brite als freiwilliger Fahrer der Ambulanzeinheit der religiösen Gemeinschaft. Er landet in Frankreich und begleitet dort die 16. Division der französischen Infanterie an die Front.

Richardson ist Mathematiker, er hat beim britischen Wetterdienst gearbeitet. Wann immer er zwischen den Verwundetentransporten Zeit findet, schreibt er an einem Buch über Meteorologie. Die Bedingungen sind schwierig: Sein Büro ist ein Raum in einer Truppenunterkunft, sein Tisch ein Heuballen. Die erste Fassung des Manuskripts geht während der Schlacht um Champagne verloren, erst später wird sie unter einem Haufen Kohle wiederentdeckt.

Atmosphärische Drucklinien über Europa: Solche handgezeichneten Karten unterstützen Vilhelm Bjerknes beim Prognostizieren des Wetters.
Lewis Richardson erweitert die Methode einige Jahre später, indem er den Kontinent in ein meteorologisches Raster unterteilt. «Laax» heisst eines der Planquadrate darauf.

Im Buch schlägt der Brite vor, die Gleichungen, die Bjerknes aufgestellt hat, auf einem Raster zu lösen. Die Landkarte wird in Gitterzellen unterteilt, die Gleichungen werden pro Zelle gelöst. Ein grosser Vorteil: So können vereinfachte Modellgleichungen verwendet werden. Die Rechnung wird beschleunigt, ohne dass dabei grossflächige Ungenauigkeiten entstehen.

Richardson arbeitet bis übers Kriegsende an seinem Buch. 1922 wird es veröffentlicht – und wird ein völliger Reinfall. 750 Kopien werden gedruckt; sie sind auch nach dreissig Jahren nicht ausverkauft. Das Problem ist, dass die Methode noch immer zu langsam ist. Für die Praxis ist sie nicht tauglich.

Richardson sieht dies selbst ein. Für eine achtstündige Wetterprognose über Europa benötigt er sechs Wochen. Für eine dreistündige Prognose über den gesamten Globus würde er insgesamt 6400 Helfer benötigen, die seine Gleichungen lösen. Numerische Wetterprognosen bleiben vorerst ein Traum.

Nachdenklich wendet sich der Brite vermehrt anderen Themen zu. Etwa der Konfliktforschung. Richardson schreibt eine «Mathematische Psychologie des Krieges» und untersucht, ob die Abneigung zweier Staaten gegenüber einem dritten Staat das Kriegsrisiko unter den beiden Staaten reduziert. Immer wieder kommen dem umtriebigen Forscher neue Ideen. Er soll ein schlechter Zuhörer sein, ständig durch Träume und Gedanken abgelenkt.

Immerhin: Als Richardson bereits im hohen Alter ist, wird sein Traum der mathematischen Wettervorhersage doch noch wahr.

Im Land der unbegrenzten Möglichkeiten

Der Zweite Weltkrieg ist inzwischen ausgebrochen. Das Militär arbeitet mit Hochdruck an neuen Technologien. Unter anderem: an einer Maschine, die gegnerische Nachrichtencodes knacken und Atomexplosionen simulieren soll – dem Computer. Plötzlich lassen sich Gleichungen viel schneller lösen.

Die Meteorologie macht sich dies zunutze. Unterstützt von US Army, Airforce und Navy versucht der amerikanische Wetterdienst, Computer für die Wettervorhersage zu verwenden. Das Wissen über bevorstehende Stürme kann über den Erfolg oder Misserfolg militärischer Manöver entscheiden.

Die Massnahmen tragen über den Krieg hinaus Früchte. Computermodelle werden laufend verbessert und beginnen, mit dem Wetter Schritt zu halten.

1950 nimmt eine 24-stündige Wettervorhersage allerdings immer noch 24 Stunden Rechenzeit in Anspruch. Das genügt nicht, um die komplexen klimatischen Prozesse rund um die Zunahme von CO2 zu untersuchen.

Den Durchbruch schafft schliesslich ein Japaner: Syukuro Manabe.

Als die amerikanischen Bomber im Krieg über seine Geburtsstadt Ehime flogen, büffelte er noch im Luftschutzkeller für die Uni-Aufnahmeprüfung. Sein Grossvater war Arzt, sein Vater ist Arzt, und der Bruder studiert Medizin. In ihre Fussstapfen zu treten, scheint dem jungen «Suki» naheliegend.

Doch 1949 ändert er seine Pläne: Der Physiker Yukawa Hideki hat soeben als erster Japaner den Nobelpreis erhalten. Manabe ist elektrisiert – er studiert fortan Physik und promoviert mit einer Spezialisierung zur Atmosphäre.

Seine Dissertation über Niederschläge erregt Aufmerksamkeit – nicht nur an der Universität von Tokio, sondern auch bei den Amerikanern, die auf dem Gebiet führend sind. 1958 laden sie den jungen Forscher nach Washington D.C. ein. Manabe sagt sofort zu: Im Japan der Nachkriegszeit sind die finanziellen Perspektiven nicht rosig. Anders in den USA.

Diese Zusammenarbeit ist keine Selbstverständlichkeit. Seit dem Ende der alliierten Besatzung Japans sind bloss sechs Jahre vergangen. Doch die Kultur sagt Manabe zu, besonders was die Forschung betrifft. In seiner Heimat stand das Kollektiv stets im Vordergrund – doch in den USA wird Individualismus grossgeschrieben. Keiner schaut ihm ständig auf die Finger.

Syukuro Manabe programmiert das erste moderne Klimaprognosemodell. Manabe an seinem Arbeitsplatz an der Princeton University, Ende der 1970er-Jahre. AIP Emilio Segrè Visual Archives

Manabe nutzt dies aus und krempelt die Methoden um. «Wann immer der Arbeitgeber unterwegs war, habe ich die Gleichungen vereinfacht», sagt er.

Der Japaner entfernt jede unnötige Komplexität, reduziert die Auslastung der Computer. So weit, dass er das Klimamodell um einen Prozess ergänzen kann: um die Konvektion, also die vertikale Auf- und Abströmung der Luft.

Bisher haben Klimamodelle die Wärme nur in Form von Strahlung berücksichtigt. Manabe erkennt, dass damit nur die halbe Geschichte erzählt ist: Wärme kann auch ohne Strahlung verteilt werden, beispielsweise über ein Luftpaket, das nahe der Erdoberfläche erwärmt wird und dann aufsteigt.

Über diese vertikale Luftzirkulation wird Wärme transportiert. Wolkentürme sommerlicher Gewitter stellen dies eindrucksvoll zur Schau. Enthält die Luft zusätzlich Feuchtigkeit, wird der Wärmeaustausch sogar noch grösser. Dies ist für die Modellierung der Atmosphäre und ihrer Temperatur entscheidend.

Manabes Klimamodell wird daher unter heutigen Wissenschaftlern als das erste wirklich realistische betrachtet. Dasselbe gilt für die Vorhersage, die er 1967 veröffentlicht: Für eine Verdopplung von Kohlendioxid steige die Temperatur um rund 2,5 Grad Celsius. Siebzig Jahre, nachdem Svante Arrhenius mit rudimentären Methoden eine doppelt so hohe Zahl berechnet hat, wird diese Prognose nun wirklich ernst genommen.

Als die Welt noch einfach schien

Ende der 60er-Jahre ist also endgültig klar: Der CO2-Gehalt der Luft steigt. Vermutlich ist auch die Temperatur der Erde deshalb schon gestiegen – und eine weitere Erwärmung ist Computersimulationen zufolge sehr wahrscheinlich.

Doch die Forscher wissen zu diesem Zeitpunkt noch nicht, wie schnell diese Erwärmung eintreten wird. Ein bisschen Abgas, einige Millionstel-Anteile mehr CO2 in der Atmosphäre: Wie heftig all dies auf die Erde und ihr komplexes Klimasystem einwirkt, ist damals noch ein Geheimnis der Natur.

Ein Geheimnis, das sich jedoch bald auf chaotische Weise lüften wird.

Im dritten Teil der Serie kommt heraus, warum das Klima bereits auf kleine Mengen Treibhausgas sehr empfindlich reagiert.

Der Autor

Arian Bastani hat Klimawissenschaften an der ETH Zürich studiert. Er arbeitet als freischaffender Wissenschaftsjournalist und Illustrator.

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