Den meisten Erdsystemmodellen fehlt ein entscheidender Teil des zukünftigen Klimapuzzles, sagen Forscher

Die Art und Weise, wie die Wissenschaft finanziert wird, beeinträchtigt die Modellierung des Erdsystems und verzerrt möglicherweise wichtige Klimavorhersagen, heißt es in einem neuen Kommentar veröffentlicht in Natur Klimawandel vom Woodwell Climate Research Center und einem internationalen Team von Modellexperten.

Emissionen aus auftauendem Permafrost, gefrorenem Boden im Norden, der doppelt so viel Kohlenstoff enthält wie die Atmosphäre und aufgrund der vom Menschen verursachten Klimaerwärmung auftaut, sind eine der größten Unsicherheiten bei zukünftigen Klimaprojektionen. In den wichtigsten Modellen, die zukünftige Kohlenstoffemissionen prognostizieren, fehlt jedoch eine genaue Darstellung der Permafrostdynamik.

Nur zwei der elf Erdsystemmodelle (ESMs), die im letzten Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) verwendet wurden, berücksichtigen überhaupt den Kohlenstoffkreislauf im Permafrost, und diejenigen, die dies tun, verwenden derzeit zu stark vereinfachte Näherungen, die die vollständigen dynamischen Prozesse nicht erfassen dass Permafrostkohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt werden kann, wenn sich das Klima erwärmt. Prozesse, die Forscher in diesem Bereich beobachtet haben, wie beispielsweise die Art und Weise, wie abruptes Auftauen des Permafrosts Teiche und Seen entstehen und die Oberflächenhydrologie verändern kann, widersprechen diesen Schätzungen, haben aber große Auswirkungen auf den Kohlenstoff des Permafrosts und seine potenziellen Auswirkungen auf das globale Klima.

„Was mit dem Kohlenstoff im Permafrost passiert, ist eine der größten Unbekannten für unser zukünftiges Klima“, sagte Christina Schaedel, leitende Wissenschaftlerin am Woodwell Climate Research Center und Hauptautorin des Berichts. „Erdsystemmodelle sind von entscheidender Bedeutung für die Vorhersage, wo, wie und wann dieser Kohlenstoff freigesetzt wird, aber Modellierungsteams verfügen derzeit nicht über die Ressourcen, die sie benötigen, um Permafrost genau darzustellen. Wenn wir genauere Klimavorhersagen wollen, muss sich das ändern.“

Erdsystemmodelle, die von Supercomputern gesteuerten Programme, die zukünftige Kohlenstoffemissionen und Klimadynamik vorhersagen können, können nur die Prozesse vorhersagen, die sie darstellen. Und da Wissenschaftler mehr über die komplexen physikalischen und biogeochemischen Wechselwirkungen erfahren, die das Erdsystem ausmachen, sind ESMs immer komplexer geworden und umfassen immer mehr Prozesse. In der Praxis bedeutet das jahrelange hochtechnische Codeentwicklung, die Integration von Beobachtungsdaten sowie die Parametrisierung und das Testen des Modells.

Die meisten Fördermittel für die wissenschaftliche Forschung basieren jedoch auf einem dreijährigen Finanzierungszyklus und sind auf Projekte ausgerichtet, die sich mit neuartigen wissenschaftlichen Fragen befassen. Dieser relativ kurze Zyklus ist zu kurz, um Modellentwickler auszubilden oder wichtige und komplexe Modellentwicklungsschritte abzuschließen, bevor die Teams übergeben werden, sagen die Autoren.

„Da diese Modellierungssysteme immer komplexer werden, ist es für einen Doktoranden oder Postdoktoranden immer schwieriger, sich schnell genug einzuarbeiten, um wirklich den gesamten Umfang der Modellentwicklungsanforderungen zu verstehen und ein Entwicklungsprojekt abzuschließen.“ auf dem typischen dreijährigen Zeitrahmen eines Vorschlags“, sagte David Lawrence, Co-Leiter des Community Terrestrial Systems Model am National Center for Atmospheric Research. „Leider bleiben dadurch viele Projekte unvollendet.“

Lawrence, Mitautor des Berichts, sagte, dass die kollaborativen Modellierungsteams, mit denen er zusammenarbeitet, zwar Fortschritte bei der Darstellung komplexer Permafrostprozesse machen, die begrenzte Finanzierung jedoch dazu führt, dass „das Tempo, mit dem Verbesserungen wieder in die CTSM-Kerncodebasis übernommen werden, relativ langsam ist.“ „

„Erhebliche Mittel in der Größenordnung von mehreren Millionen Dollar pro ESM sind erforderlich, um die notwendige Infrastruktur und Unterstützung für die Modellentwicklung bereitzustellen“, schreiben die Autoren. Sie behaupten, dass eine solche gezielte Finanzierung und hochqualifizierte Softwareentwickler und Programmierer dazu beitragen können, die laufende Modellverbesserung zu beschleunigen.

„In den letzten Jahren ist die Arktisforschung sehr kollaborativ und komplex geworden – Wissenschaftler untersuchen nicht mehr nur eine Pflanze an einem Ort“, sagte Schaedel. „Und obwohl der Bedarf an langfristigen Daten und der Entwicklung komplexer Modelle immer offensichtlicher wird, hält die Verfügbarkeit von Finanzmitteln nicht Schritt. Wir möchten, dass die Finanzierungsmöglichkeiten den Klimaherausforderungen, vor denen wir stehen, gerecht werden.“

„Unser Verständnis darüber, wie Permafrost auftaut und Kohlenstoff freisetzt, hat sich in den letzten 15 Jahren drastisch verbessert“, sagte Brendan Rogers, außerordentlicher Wissenschaftler am Woodwell Climate Research Center und Co-Leiter des Permafrost Pathways-Projekts. „Die Finanzierung von Erdsystemmodellen zur Darstellung des Auftauens von Permafrost würde sicherstellen, dass diese Fortschritte in den Modellen realisiert werden und dass kritische Klimaziele und Kohlenstoffbudgets auf den besten wissenschaftlichen Erkenntnissen basieren, die uns zur Verfügung stehen.“