Grenzen der Klimavorhersage

CO2-Budget oder Klimagas-Rückholung?



Zusammenfassung 

Die Klimaforschung kann nicht mit Sicherheit vorhersagen, ob - und unter welchen Umständen - eine Rückkehr in ein stabiles Klimageschehen noch möglich ist.

Die Festlegung eines CO2-Restbudgets erzeugt den Eindruck, es gäbe noch Spielräume zur Abwehr der finalen Klimakatastrophe. Doch dieser Eindruck täuscht.

Es gilt, die Klimagase aus der Atmosphäre zurückzuholen, schneller als die verheerenden positiven Rück- und Mitkopplungen neue Klimagase bilden können!.



Gedankenfehler bei Einführung von Klimagas-Budgets:

Die Vorstellung, dass es für die Menschheit noch ein Klimagas-Budget geben könnte, beruht auf einem Gedankenfehler. Man vergisst die zusätzlichen Emissionen infolge positiver Rückkopplungen, die einmal in Gang gesetzt, nicht von alleine aufhören werden, denn mehrere Kipppunkte wurden bereits überschritten.

Die Frage nach dem CO2-Restbudget ist so sinnlos, wie die Frage nach der Zahl der brennenden Streichhölzer, die man noch in einen völlig ausgetrockneten Heuhaufen werfen darf.

Linear oder Nichtlinear - Der entscheidende Unterschied

Die Vorstellung eines Restbudgets stammt aus der Zeit, als man noch glaubte, es gäbe eine einfache rechnerische Beziehung zwischen der Veränderung der Globaltemperatur und dem CO2-Gehalt der Atmosphäre. Die Fragwürdigkeit dieser Überlegungen ist allerdings schon lange bekannt. Siehe dazu die kritischen Ausführungen zu den Stichwörtern
Klimasensitivität oder Strahlungsantrieb

Die Probleme folgen aus der Tatsache, dass sich die gleichzeitig ablaufenden klimabestimmenden Prozesse in ihrer Wirkung nicht einfach addieren, sondern sich selbst durch positive Rückkopplungen und sich gegenseitig durch Mitkopplungen verstärken. Man spricht in der Wissenschaft dabei von Nichtlinearität.

Wer sich mit nichtlinearen Dynamik befassen will, lernt als erstes, dass kleine Änderungen der Anfangs- oder der Randbedingungen unerwartet erhebliche Auswirkungen auf den Verlauf und das Ergebnis eines physikalischen Vorganges haben und zu einer nicht vorhersagbaren Entwicklung des gesamten Systems führen können. Das ist hier der Fall.

Stößt man ein Fadenpendel zu stark an, so schwingt es nicht mehr um seine Ruhelage wie unser vergangenes Klima, sondern überschlägt sich unkalkulierbar. Ein warnendes Beispiel für nichtlineare Dynamik!
Die Klimaentwicklung des Planeten Erde ist unvorstellbar kompliziert. Sie wird von hunderten von Parametern beeinflusst: Änderung der Umlaufbahn um die Sonne, zunehmende Temperatur der Sonne, CO2-Gehalt der Atmosphäre, Methangehalt, CO2-Gehalt des Meerwassers, unterschiedliche Albedo der Erdoberfläche, Temperatur der Atmosphäre, Wasserdampfgehalt der Atmosphäre usw.
Zu den Parametern gehören auch Ereignisse, deren Auswirkung einerseits sehr hoch ist, deren Auftreten andererseits extrem schwer vorhergesagt werden kann - die also ganz offensichtlich zur nichtlinearen Dynamik gehören.
Hier sind insbesondere Vulkanausbrüche oder großflächige Waldbrände oder auch eine Pandemie zu nennen.

Nichtlineares Verhalten von Wasser:
Auch der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre wirkt sich nichtlinear aus, da Wasser in unterschiedlichen Erscheinungsformen (nicht nur in den drei Aggregatszuständen: fest, flüssig, gasförmig) vorkommen kann, z.B. als Wasser und Eis, als unsichtbarer Dampf, als Wolke, als Regen, Schnee, Hagel, Reif. Je nachdem, in welchem Zustand der Wasserdampf vorkommt, ändert sich sein Einfluss auf das Wettergeschehen. Schnee hat z.B. eine hohe Albedo (Rückstrahlfähigkeit für das Sonnenlicht).
Unsichtbarer Wasserdampf hat eine extrem verstärkende Klimagaswirkung. Regen transportiert große Wärmemengen in vertikaler Richtung. Die Aufzählung ist noch nicht einmal vollzählig. Und bereits ein geringer Temperaturunterschied kann zur raschen Änderung der Erscheinungsform führen. Außerdem ändern sich die Klimawirkungen in Kombination mit anderen Ereignissen. Man denke z.B. an die Kombination einer weißen rückstrahlfähigen Schneebedeckung mit herbeigewehten Rußflocken von einem weit entfernten Waldbrand.
Schließlich sind die Ozeane in der Lage, nahezu unerschöpfliche Mengen von Wasserdampf durch Verdunsten nachzuliefern. Man denke nur an die Hurricans, Taifune und Zyclone. Sie entstehen erst bei Wassertemperaturen von über 26,5 °C.
Das alles ergibt die Überraschungen der Nichtlinearitäten.

Von dem bekannten Klimaforscher Stefan Rahmstorf stammt der Satz: "Man kann nicht darauf vertrauen, dass das System einfach stabil bleibt, wenn man es so kräftig stört, wie wir Menschen das jetzt tun."

Klimavorhersage
mit Hochleistungscomputern und Klimamodellen

Da wegen der vielen Nichtlinearitäten ein System mit einer übergroßen Zahl nichtlinearer Gleichungen entsteht, für das es keine geschlossene Lösung gibt, hilft man sich durch numerische Klimamodelle.
Dazu werden die Troposphäre (die untersten 15 km der Atmosphäre, in denen sich das Wettergeschehen abspielt) und die Ozeane der Erde mit einem dreidimensionalen Gitternetz überzogen. Für jede Gitterzelle werden dann die einzelnen Parameter für den Energie-Austausch, den Druckaustausch, den Impulsaustausch, den Stoffaustausch mit den benachbarten Zellen berechnet. Sogar die Massenanziehung wird berücksichtigt. Dann werden in kleinen Zeitschritten die jeweilige Entwicklung jeder einzelnen Gitterzelle berechnet. Dank immer schnellerer Hochleistungscomputer konnten in die Klimamodelle immer mehr physikalische Prozesse integriert werden. Auch die Vorgänge in den Ozeanen und ihre Fernwirkung können nun wesentlich detaillierter und naturnäher in den Modellen dargestellt werden. Im Zeitraum von 2017 bis 2019 betrug die Gitterpunktweite für Ozean und Meereis zwischen etwa 8 km in den dynamisch aktiven Gebieten und etwa 80 km in den Subtropen. Für Aufgaben der kleinräumigen Wetterberechnung können auch kleinere Gitterpunktweiten von 100 m Verwendung finden. Die Zeitschritte lassen sich ebenfalls verkleinern, wenn höhere Genauigkeit verlangt wird. Es kommt auf die jeweilige Aufgabenstellung, auf die verfügbare Rechnerleistung und auf die verfügbare Zeit an.

Das Deutsche Klimarechenzentrum (DKRZ) in Hamburg ist eine nationale Service-Einrichtung für die Klima- und Erdsystemforschung. Sein derzeitiger Hochleistungsrechner HLRE-3 „Mistral“ soll im Jahr 2021 durch den HRLE-4 mit einer fünffach höheren Rechenleistung ersetzt werden.

Ändert man einzelne Parameter und lässt dann den Hochleistungcomputer für die gleichen Zeitschritte jeweils erneut eine Klimavorhersage durchführen, so kommt er natürlich zu anderen Ergebnissen. So wird er nach einem Vulkanausbruch vermutlich einen etwas verminderten Anstieg der Globaltemperaturen und andererseits wird er nach großflächigen Waldbränden einen dramatischeren Anstieg der Globaltemperatur vorhersagen. Die Auftraggeber müssen nun entscheiden, für wie wahrscheinlich sie einen solchen Vulkanausbruch oder großflächige Waldbrände halten. Eine Aufgabe für Statistiker. Aus diesem Grunde wird beim Endergebnis der Klimavorhersagen meist eine Spannbreite und eine Wahrscheinlichkeit angegeben.

Rückholen der Klimagase - ein Ausweg

Die Menschheit ist technisch und ökonomisch in der Lage, aus Wind- und Sonnenenergie sogar vielfach mehr als nur 100 Prozent ihres eigenen Energiebedarfs zu gewinnen.
Doch die Entscheidungsträger haben die Notwendigkeit noch nicht verstanden.
Dieses Mehr an Energie brauchen wir dringend für folgende Aufgaben:
  1. Die Klimagase aus der Atmosphäre zurückholen, schneller als die verheerenden positiven Rück- und Mitkopplungen neue Klimagase bilden können!
  2. Die rückgeholten Klimagase chemisch in klima-unschädliche Kohlenstoffverbindungen mit hoher Dichte umformen damit sie nicht zu viel Platz beanspruchen oder bei unbeabsichtigter Freisetzung das Klima beschädigen ("Klimagas-Recycling").
    Umwandeln zum Beispiel:
    - in Methanol (nicht verwechseln mit Methan!)
    - in Pflanzenkohle, die in einem noch zu verbessernden CO2- und schadstoffreien Verfahren aus Vegetationsabfällen erzeugt werden müsste,
  3. Die unschädlich gemachten Kohlenstoffverbindungen nutzbringend zu verwenden oder sie sicher lagern. Methanol könnte man möglicherweise in leergeförderten Erdölfeldern unterbringen oder in der Kohlenstoff-Chemie verwenden
  4. Schadstoff-frei erzeugte Pflanzenkohle könnte man zur Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit unterpflügen.
Dringendste Aufgabe für Verfahrenstechniker und Ökonomen ist es, beispielgebende Rückhol-Verfahren zu entwickeln, zu verbessern und einsatzbereit zu machen.

Nachtrag vom 20.09.2020

Rückholung von CO2 aus der Atmosphäre und Nutzung zur Langzeit-speicherung von Solar- und Windstrom
Methanol als Speichermedium
So könnte man in einem mittelständigen Unternehmen Methanol aus dem CO2 der Atmosphäre erzeugen und lokal zur Langzeitspeicherung einsetzen.
Entwickelt wurde ein solches Verfahren bereits Ende des vergangenen Jahrhunderts.
Das damals entwickelte Verfahren verfolgte allerdings nicht das Ziel, ein Medium für Langzeitspeicherung zu entwickeln, sondern einen Kraftstoff. Die Stromwirtschaft hatte nur wenig Interesse daran, die Speicherung von elektrischer Energie aus Wind- oder Solarenergie voranzutreiben und hat das Projekt deshalb nur halbherzig verfolgt.

Abgrenzung zur Kurzzeitspeicherung:
Kurzzeitspeicherung wird sich vorwiegend auf aufladbare Batterien stützen, die im Zuge der Elektromobil-Entwicklung einen großartigen Entwicklungsboom durchlaufen, was Wirkungsgrad, Volumen, Gewicht und Preis anbelangt.

Unser Appell an die Entscheidungsträger: Räumen Sie diesen Aufgaben absoluten Vorrang ein!
Die derzeitige GROKO allerdings scheint dazu nicht bereit zu sein.