Erderwärmung
26.01.2018

„Richtig und genau zählen“: Wie Wissenschaftler den Klimawandel berechnen

Foto: istockphoto/cestes001
Hurrikan Maria zerstörte große Teile der Karibikinsel Puerto Rico. Solche Extreme könnten sich durch den Klimawandel weiter verstärken

Wissenschaftler untersuchen mit komplexen Modellen, wie sich das Klima in den kommenden Jahrzehnten entwickeln wird. Das Zwei-Grad-Ziel haben sie nie als sichere Grenze bezeichnet.

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Wenn Wissenschaftler die ökonomischen Folgen des Klimawandels erforschen oder für diese Folgen Gegenmaßnahmen suchen, spielt die Mathematik ebenfalls eine wichtige Rolle. Etwa dann, wenn ermittelt werden soll, was nötig wäre, um die CO2-Emissionen bis zum Jahr 2050 um 80 Prozent zu reduzieren. Wieder treffen die Forscher zuerst Grundannahmen.

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So können sie bei der Heizölverbrennung entstehende Emissionen mit dem Faktor 1,1 multiplizieren, um bei Förderung und Transport des Öls entstehende Emissionen mit einzubeziehen. „Das hängt aber von statistischen Konventionen ab, welche je nach Land unterschiedlich sind“, weiß Jakob Wachsmuth, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI im Competence Center Energiepolitik und Energiemärkte.

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Differenzialrechnung ist gefragt

Immer wieder taucht die Frage auf, ob und wie bekannte Phänomene in die Berechnungen eingehen. So erhalten erneuerbare Energien bei der CO2-Bilanzierung oft einen Faktor von 0. „Dabei entstehen bei Biogas durchaus schon vor der Verbrennung Emissionen“, nennt Wachsmuth eine Schwachstelle. Obwohl am Ende einige Optimierungsprobleme mit einer Vielzahl an Dimensionen zu lösen seien, sei ein Großteil des Modells aus mathematischer Sicht ganz einfach, sagt Mathematiker Wachsmuth: „Flapsig formuliert ist es an vielen Stellen am wichtigsten, richtig und genau zu zählen, zu addieren und zu multiplizieren.“

Das klingt zwar nach Grundschulwissen, ist aber mehr. Geht es zum Beispiel um die Optimierung eines Kraftwerksparks, ist Differenzialrechnung gefragt. Ableitungen dürfte mancher noch auch der Schule kennen, doch spätestens bei Matrizen mit zahlreichen Dimensionen steigen die meisten Laien aus. Dabei sind diese ebenso wichtig für die Szenarien wie die Vektorrechnung. „Es geht darum, Vektoren zu finden, die bestimmte Bedingungen erfüllen“, sagt Wachsmuth. Im Grundsatz ist ein Vektor ein mathematisches Konstrukt aus einer oder mehreren Komponenten. Er kann beispielsweise den europäischen Kraftwerkspark in Abhängigkeit von der Zeit beschreiben, wie Wachsmuth erläutert. Dabei wäre Komponente eins die Kapazität der Kohlekraftwerke in Deutschland, Komponente zwei die Kapazität der Kohlekraftwerke in Frankreich – und so weiter.

Temperatur hat vier Dimensionen

In die Berechnungen gehen außerdem  fixe oder variable Randbedingungen ein - etwa die Kapazität der Leitungen zwischen zwei Staaten, Brennstoff- und CO2-Preise oder der regionale Strombedarf. Bestimmte Vorgaben setzen die Wissenschaftler konstant. „Wenn wir untersuchen, welche Folgen eine Restlaufzeit der Kohlekraftwerke von x Jahren hat, dann ist x ein fester Wert“, sagt Wachsmuth. Die Forscher arbeiten mit diskreten Parametern, die mehrere, aber nicht beliebig viele Werte annehmen können. „Wenn es beispielsweise um drei Szenarien geht, eins mit den aktuellen politischen Rahmenbedingungen, eins mit einem Reduktionsziel von 80 Prozent und eins mit 95 Prozent Reduktion, dann ist diese Reduktion ein diskreter Parameter“, erklärt der Wissenschaftler. Er nimmt dann nur drei Werte an.

Egal, ob ökonomische Auswirkungen oder Klimaprognose, am Schluss erstellen die Wissenschaftler immer eine oder mehrere Gleichungen. Ähnlich wie in der Schulphysik für den Wurf eines Balls, nur eben viel komplexer. „Allein die Temperatur hat vier Dimensionen, drei räumliche und eine zeitliche“, sagt Knutti. Die Verdunstung hängt wiederum von der Temperatur ab, aber nicht nur. Luftfeuchtigkeit, Vegetation und andere Komponenten fließen ebenfalls ein. Mal ist der Zusammenhang linear, mal exponentiell. Wie viel Wärme kommt von links, rechts, oben oder unten, wie bewegt sich der Wind und wie verändert die vertikale Bewegung bei der Verdunstung den Druck und damit die Temperatur: All diese Fragen berechnet das Modell mit Hilfe von Differentialgleichungen.

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Keywords:
Klimawandel | Wissenschaft | Erderwärmung | Klimasystem
Ressorts:
Governance | Technology

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