Was ist eigentlich ein Modell?


Wer sich auch nur ein bisschen für Klimawissenschaften interessiert, wird schnell auf den Begriff Klimamodell stoßen.Oft dauert es allerdings deutlich länger, heraus zu finden, wofür so ein Modell eigentlich genutzt wird. Wobei normalerweise auch nur “Also du drückst auf Start und wartest dann bis schöne Bilder aus deinem Modell heraus fallen, oder was machst du eigentlich?” gefragt wird, was aber mehr oder weniger auf das gleiche abzielt. Deshalb möchte ich euch hier eine kleine Übersicht über meine Arbeit als Modellierer geben.

Komponenten eines Erd-System-Modells

Ein Überblick über die verschiedenen physikalischen Prozesse in einem aktuellen Klimamodell. (Unverändert aus [W. Washington et. al. 2009, Phil. Trans. R. Soc. A] unter CC-BY 4.0: Angepasst von Kevin Trenberth (NCAR). Copyright © University Corporation for Atmospheric Research. Illustration von Paul Grabhorn.)

Zuerst: Worüber spreche ich eigentlich, wenn ich Modell sage? Ein Modell ist für mich meistens ein Computerprogramm, das berechnet wie sich ein Teil der Welt verhält. Dieser Teil kann riesig sein, für ein Klimamodell zum Beispiel die kompletten Ozeane und Luftmassen der Erde. Aber ein Modell kann genauso gut beschreiben, wie sich ein einzelner Gletscher verändert, oder wie sich ein Eisblock verformt, wenn man fest genug drückt. Das Modellieren selbst besteht aus drei Schritten: (1) Wir müssen eine Idee von den physikalischen Prozessen haben, die wir beschreiben wollen; (2) wir formulieren diese Vorgänge als mathematische Gleichungen; und (3) wir schreiben ein Computerprogramm, das diese Gleichungen dann lösen kann. Am Beispiel des Meereis-Modells, mit dem ich arbeite, bedeutet dies: Das Eis schmilzt und friert; es treibt auf dem Ozean, wenn es vom Wind oder von Meeresströmungen angetrieben wird; und Lücken im Eis brechen auf oder Presseishügel schieben sich auf, wenn sich Eisschollen voneinander weg oder aufeinander zu bewegen (1. Schritt). Dieses Verhalten kann in zwei Gleichungen zusammengefasst werden, eine für die Bewegungen des Eises (“Impulserhaltung” – Yeah, Physik!) und eine für die Temperatur im Eis (2. Schritt). Die Lösung dieser Gleichungen beschreibt die Veränderungen im Eis in einem kleinen Zeitschritt. Wenn das Computerprogramm sie also immer wieder hintereinander löst, kann ich sehen, wie sich das Eis mit der Zeit entwickelt (3. Schritt).

Temperaturvorhersagen des IPCC

Es wäre wirklich schwierig die gesamte Erde für verschiedene Mengen an ausgestoßenem Treibhausgas in der Zukunft nur zu beobachten! (Fig 12.11 aus “Climate Change 2013: The Physical Science Basis”, Cambridge University Press)

Damit stellen sich die Fragen: Warum sollte sich jemand die ganze Arbeit machen? Und, insbesondere wenn man gehört hat, wie groß die Fehler sind, die diese Modelle immer noch machen: Ist es nicht besser, einfach dorthin zu fahren und direkt zu beobachten, was auch immer das Modell beschreiben soll? Die Antwort ist Ja und Nein. Es ist immer besser, wenn wir Beobachtungen aus der echten Welt haben, um zu wissen, was eigentlich passiert. Ohne Beobachtungen würden wir auch nie wissen, ob unsere Modellergebnisse irgendetwas mit der Realität zu tun haben oder nicht. Aber Modelle haben drei riesige Vorteile:
Erstens: Um beispielsweise einen Ozean zu beobachten, gibt es aktuell noch keine Technik, die es ermöglicht alle diese Wassermassen auf einmal zu analysieren. Messungen sind immer entweder an einen Punkt gebunden, an dem sich gerade ein Schiff oder eine Messboje befindet, oder sie decken zwar eine größere Region ab, dafür aber nur die oberste Wasserschicht (wenn Aufnahmen von einem Satelliten aus gemacht werden). Mit einem Modell erhalten wir Informationen über alle Punkte im Ozean zu jedem Zeitpunkt, der uns interessiert. Dieses Wissen können wir hervorragend nutzen, um zu verstehen was dort passiert, wo wir in der echten Welt nicht hinsehen können.
Zweitens: Häufig wollen wir als Forscher Experimente durchführen um zu verstehen, wie sich das Klimasystem verhält. Wie werden sich zum Beispiel die Ozeane verändern, wenn die Lufttemperatur um zwei Grad ansteigt? Oder um drei? Oder zehn? Es wäre wirklich praktisch, wenn wir ein paar weitere Erden herumliegen hätten um solche Szenarien “in echt” zu testen, aber leider haben wir nur die eine zur Hand. In der wunderbaren Modellwelt dagegen können wir so viele Erden verbrauchen, wie wir nur wollen!
Und drittens: Die Gleichungen können schnell gelöst werden, verglichen mit der Zeit, die diese Prozesse in der wirklichen Welt benötigen. Somit können wir nicht nur ausrechnen, wie das Klima sich über die letzten 50.000 Jahre verändert hat. Wir können auch vorhersagen, wie das Wetter in den nächsten zwei Wochen wird und wie warm und sauer die Meere in hundert Jahren sein werden, wenn wir weiterhin so viel Kohle und Öl verbrennen wie heutzutage. Und Wissen ist Macht, also sind diese Erkenntnisse der erste Schritt zur Weltherrschaft! … Naja, und selbst wenn das zu hoch gegriffen sein sollte, werden sie auf jeden Fall dazu beitragen, dass wir besser vorbereitet sind, was auch immer das Klimasystem für uns in petto hat.

Ich könnte hier noch ewig weiterschreiben, über die verschiedenen Teile eines Klimamodells, und die verschiedenen Teile dieser Teile, und irgendwann auch mal die Frage beantworten: Was mache ich eigentlich den lieben langen Tag, wenn ich arbeite? Und keine Angst: Das werde ich auch tun! Allerdings ist das ein Thema für einen eigenen Blogeintrag. Jetzt hoffe ich, dass ihr zumindest eine Idee habt, warum und wofür Modelle eigentlich verwendet werden, und weshalb wir nicht alle Probleme allein mit Beobachtungen lösen können.

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