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Schritte der Modellerstellung

Warum geht das Abschmelzen der Polkappen so schnell?

Die Temperatur auf der Erde steigt. Deshalb schmilzt das Eis an den Polen nach dem Winter früher ab und im Herbst bildet sich später neues Eis. Klimaforscher halten es für möglich, dass in einigen Jahrzehnten das gesamte Eis am Nordpol verschwunden sein könnte. Die böse Überraschung: Das Polareis schmilzt viel schneller, als zunächst vermutet wurde. Woran kann das liegen?

Ein Teufelskreis - positive Rückkopplung

Versuchen wir, uns erst einmal klarzumachen, was die Klimaforscher genau beobachtet haben. Womit jeder - und bestimmt nicht nur die Klimaforscher - gerechnet hätte, war:

• Je höher die Wassertemperatur in arktischen Gewässern, desto schneller schmilzt das Eis bzw. desto schneller geht die Eisfläche zurück.

Nun wissen wir aber auch, dass die Eisflächen einen großen Teil der Sonneneinstrahlung reflektieren. Durch das Verschwinden dieser reflektierenden Flächen wird das Sonnenlicht jedoch vom Meerwasser absorbiert, so dass die Wassertemperatur ansteigt. Daher gilt auch:

• Je mehr Eis schon geschmolzen, d.h. je kleiner die Eisfläche ist, desto schneller steigt die Wassertemperatur.

Wir sind also in einen "Teufelskreis" geraten:

Ein solches Diagramm nennt man auch Wirkungsgraph: Wir haben die Zustände von zwei Größen, die Wassertemperatur und die Eisfläche, mit Pfeilen verbunden und diese mit einem Minuszeichen markiert. Das Minus soll bedeuten, dass beide Zustandsgrößen sich "negativ" beeinflussen: Wenn die Wassertemperatur steigt, nimmt die Eisfläche ab und wenn die Eisfläche abnimmt, steigt die Wassertemperatur: Das Wasser schmilzt, also gibt es weniger Eis, wenn es weniger Eis gibt, wird das Wasser wärmer, darum schmilzt wieder mehr Eis, ...

Was müssen wir wissen?

Scheinbar haben wir die Beobachtungen in unserem Wirkungsgraphen gut zusammengefasst. Berücksichtigen wir in einem ersten einfachen Modell nur die Eisfläche sowie das umgebende Wasser, charakterisiert durch eine bestimmte Wassertemperatur. Die Zustandsgrößen, die das System zu jedem Zeitpunkt der Simulation vollständig widerspiegeln, sind also in unserem Fall die Größe der Eisfläche und die Wassertemperatur. Wir wissen aber nicht, ob es wirklich einen direkten Zusammenhang zwischen Eisfläche und Wassertemperatur gibt. Haben wir wichtige Einflüsse wie Strömungen, Jahreszeiten, Treibhausgase (und vieles andere) tatsächlich zu recht nicht berücksichtigt?

Wir können einen genaueren Blick auf den Zusammenhang von Wassertemperatur und Eisfläche werfen. Im Wirkungsgraphen haben wir nur Minuszeichen eingetragen. Um herauszubekommen, wie schnell die Eisfläche abnimmt, müssen wir statt der Minuszeichen Raten an die Kanten schreiben. Damit kommen wir auch zu einer der größten Schwierigkeiten in der Modellierung: die Parametrisierung des Modells. Wie groß ist die Eisfläche zu Beginn? Welche Starttemperatur hat das Wasser? Mit welcher Rate ändert sich die Wassertemperatur in Abhängigkeit von der Eisfläche? Und mit welcher Rate ändert sich die Eisfläche in Abhängigkeit von der Temperatur? Hier hilft nur, Experten zu befragen und/oder zugehörige Literatur zu studieren. Sind die Werte erst einmal gewählt, kann die Simulation gestartet werden und die Analyse der Modellergebnisse beginnt. Was sagt mir das Modellergebnis? Ist der Zeitverlauf für Eisfläche und Temperatur konsistent? Stimmen die Modellergebnisse mit Messergebnissen überein? Wie hoch kann die Wassertemperatur tatsächlich steigen? Was passiert, wenn ich die Raten minimal ändere (Sensitivität)? Gibt es Parameterwerte, bei denen das Eis nicht wegschmilzt? Reichen die Modellannahmen aus, um das Abschmelzen der Polkappen abzuschätzen? Bei all diesen Fragen kann uns das Modell gut weiterhelfen, komplexe Zusammenhänge besser zu verstehen. Oft muss der Modellierungsprozess auch mehrere Male durchlaufen werden, bevor die Frage, die am Anfang eines jeden Modells steht, beantwortet werden kann. Und oft wirft die Beantwortung einer Frage viele neue Fragen auf, die weitere Modelle erfordern...