Für Christoph Schär, ETH-Professor für Klima und Wasserkreislauf, ist „globale Erwärmung“ nicht ganz zutreffend, wenn es darum geht, den Treiber des Klimawandels zu beschreiben. „Ein besserer Begriff wäre ‚Klimabefeuchtung‘“, erklärt er. „Der größte Teil der Sonnenenergie, die auf die Erde gelangt, dient der Verdunstung von Wasser und treibt so den Wasserkreislauf an.“ Die daraus resultierenden Auswirkungen richtig zu berücksichtigen, ist für Klimamodellierer die schwierigste Aufgabe überhaupt.
Um ein globales Klimamodell zu erstellen, werden Gitterpunkte verwendet, die etwa 50 bis 100 Kilometer voneinander entfernt liegen. Dieser Maßstab ist zu grob, um kleinräumige, lokale Gewitterzellen abzubilden. Doch genau diese Gewitterzellen – und wo sie auftreten – treiben die atmosphärische Zirkulation an, insbesondere in den Tropen, wo die Sonneneinstrahlung am höchsten ist.
Die derzeitige Lösung besteht darin, dem Modell zusätzliche Parameter hinzuzufügen, um Wolken abzubilden. „Aber die Vorhersage des zukünftigen Klimawandels ist immer noch ziemlich ungenau“, sagt Schär. „Wenn wir nicht wissen, wie viele Wolken sich in den Tropen bilden, dann wissen wir auch nicht, wie viel Sonnenlicht auf die Erdoberfläche trifft – und daher kennen wir auch nicht die tatsächliche Größe der globalen Energiebilanz.“
Erstaunliche Präzision
Wissenschaftler hoffen, diese Ungenauigkeit in den nächsten Jahren beheben zu können. Schär beispielsweise arbeitet mittlerweile mit Modellen mit einer viel höheren Auflösung von 1 bis 2 Kilometern, die ein viel genaueres Bild der meteorologischen Aktivität liefern. Um dies zu veranschaulichen, lassen er und seine Gruppe eine Sequenz auf einem Supercomputer laufen, die Wetterereignisse im tropischen Atlantik über einen Zeitraum von Jahren bis Jahrzehnten simuliert.
Die Visualisierung ähnelt auffallend einem Satellitenbild: Regenfronten verschieben sich von Ost nach West über Afrika; Vor der Küste Brasiliens bilden sich fein strukturierte Wolkenfelder. Hurrikane entwickeln sich in der Mitte des Atlantiks und ziehen dann nach Norden. „Das Modell weiß überhaupt nichts über das tropische Klima“, schwärmt Schär. „Aber allein auf der Grundlage der Gesetze der Physik kann es uns immer noch ein realistisches Bild davon liefern, was vor sich geht.“ Mit solchen hochauflösenden Modellen lassen sich zwar noch keine längerfristigen Szenarien erstellen, aber sie tragen dazu bei, aktuelle globale Modelle genauer zu machen.
Am Beispiel Südwesteuropas zeigt Schär, wie hochauflösende Modelle auch extreme Wetterereignisse viel genauer vorhersagen können. Aktuelle Modelle unterschätzen die Regenmenge, die in einer Stunde fallen kann, massiv. Hochaufgelöste Modelle hingegen erzeugen sehr realistische Verteilungen und erkennen richtig, dass im Herbst beispielsweise am Alpensüdrand, an der ligurischen Küste und in der Provence besonders starke Regenfälle und Überschwemmungen wahrscheinlich sind.
Die heutigen Prognosen extremer Niederschlagsereignisse stehen im Einklang mit einem physikalischen Gesetz, das im 19. Jahrhundert von Rudolf Clausius und Émile Clapeyron formuliert wurde. „Sie haben nur Grundlagenforschung betrieben“, erklärt Schär. „Praktische Anwendungen im Klimawandel hatten sie damals noch nicht einmal auf dem Schirm.“ Die Clausius-Clapeyron-Beziehung besagt, dass die Atmosphäre pro Grad Celsius Erwärmung etwa 6 % mehr Wasserdampf aufnehmen kann. Mit anderen Worten: Wir können in Zukunft mit deutlich stärkeren Niederschlagsereignissen rechnen. „Das wird Konsequenzen für den Hochwasserschutz haben“, sagt Schär. „Wir werden den Hochwasserschutz nicht mehr auf Basis vergangener Ereignisse gestalten können.“
Die Gesetze der Physik besagen, dass eine wärmere Atmosphäre mehr Wasserdampf absorbiert. Dennoch wird erwartet, dass viele Regionen unter Wasserknappheit leiden werden. Schär erklärt das scheinbare Paradoxon: „Der absolute Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre steigt insgesamt, regional kann die relative Luftfeuchtigkeit aber auch sinken. Das heißt, es wird mehr Wasser vom Boden verdunsten, aber gleichzeitig wird auch die Wolkenbildung abnehmen.“ bestimmte Regionen, in denen es dann weniger Niederschläge geben wird. Dies werde schwerwiegende Folgen nicht nur für Südeuropa haben, sagt Schär, sondern auch für nordafrikanische Länder, die bereits mit Wasserknappheit zu kämpfen haben.
Überschwemmungen und Waldbrände
Zu viel oder zu wenig Wasser ist auch für die Hydrologin Manuela Brunner ein zentrales Anliegen. Als Assistenzprofessorin an der ETH beschäftigt sie sich mit den Auswirkungen extremer Klimaereignisse auf Bergregionen. „Gebirgswasser spielt eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Überschwemmungen und Dürren“, erklärt sie. „Und Berge sind vom Klimawandel besonders betroffen, weil die Temperaturen dort stärker ansteigen als in Tieflandregionen.“
Um zu untersuchen, ob Überschwemmungen in Zukunft wahrscheinlich häufiger und intensiver werden, nutzt Brunner eine Kombination aus Beobachtungsdaten und modellbasierten Simulationen. „In den Alpen ist das Bild bei moderaten Überschwemmungen, wie sie typischerweise alle 10 bis 20 Jahre auftreten, sehr gemischt“, erklärt sie. „In einigen Bereichen ist dieses Risiko gestiegen, in anderen ist es sogar rückläufig.“ Ein entscheidender Faktor hierbei ist der Zustand des Bodens. „Wenn der Boden trocken ist, kann er viel Wasser aufnehmen und dadurch Überschwemmungen abmildern. Ist der Boden jedoch bereits gesättigt, geht dieser Effekt verloren.“
Allerdings rechnet Brunner mit einem zunehmenden Risiko extremer, 100-jähriger Hochwasserereignisse im gesamten Alpenraum. „Dann fallen so viele Niederschläge, dass die Beschaffenheit des Bodens keinen großen Unterschied macht“, sagt sie. Und obwohl wir die einzelnen Faktoren kennen, die Überschwemmungen verursachen können, erklärt sie, fehlt uns noch das Verständnis für deren Wechselwirkung. „Was passiert zum Beispiel, wenn es während der Schneeschmelze stark regnet?“ Sie fragt. „Wann entwickelt sich daraus ein Extremereignis? Und wie oft werden wir diese Kombination erleben?“
Überschwemmungen sind nicht die einzige Bedrohung für den Alpenraum. „Am Alpennordhang wird es in Zukunft häufiger zu Dürreperioden und möglicherweise sogar zu Waldbränden kommen“, sagt Brunner. Dabei spielen mehrere Faktoren eine Rolle: Erstens nehmen die Niederschläge im Sommer ab; zweitens nimmt die Bodenverdunstung aufgrund der höheren Temperaturen zu; und drittens sinkt die Schneehöhe im Frühling, was wiederum dazu führt, dass die Vegetation anfälliger für Austrocknung ist.
„Obwohl die Niederschläge in den Wintermonaten generell zunehmen, führen höhere Temperaturen dazu, dass immer weniger davon in Form von Schnee gespeichert werden“, erklärt Brunner. „Und wenn es im Frühling zu Beginn der wärmeren Monate weniger Schnee gibt, kann dies die Wasserknappheit in trockenen Sommern verschlimmern.“
Besonders beunruhigt ist Brunner über die Aussicht auf mehrjährige Dürreperioden. „Früher mussten wir uns nach einem trockenen Sommer in den Alpen keine Sorgen machen, weil es bis zum Ende des folgenden Winters immer genug Niederschlag gab, um das auszugleichen“, sagt sie. „Aber in Zukunft könnte sich die Wasserknappheit über den Winter hinweg tatsächlich verschlimmern.“
Wie schnell schmelzen Gletscher?
Erschwerend kommt hinzu, dass jetzt klar ist, dass die Gletscher im Sommer bald nicht mehr so viel Schmelzwasser liefern werden wie in der Vergangenheit. „Im besten Fall wird die Schweiz im Jahr 2100 immer noch über 40 Prozent ihres heutigen Gletschervolumens verfügen“, sagt Daniel Farinotti, Professor für Glaziologie an der ETH Zürich. „Im schlimmsten Fall bleiben nur noch wenige Prozent übrig.“ Wie dem auch sei, er ist zuversichtlich, dass die Schweiz diesen Veränderungen folgen kann. „Wir wissen genau, wie viel Eis noch vorhanden ist, weil wir auf den meisten Gletschern bereits Radaruntersuchungen durchgeführt haben.“
Komplizierter ist die Sache im Himalaya, wo Farinotti und sein Team ebenfalls ein Projekt betreiben. Dort liegen die Gletscher deutlich höher, was eine Vermessung erschwert. Gleichzeitig zögern die umliegenden Länder aus strategischen und geopolitischen Gründen, Daten für die Forschung bereitzustellen. Prognosen darüber, wann die Gletscherschmelze im Himalaya ihren Höhepunkt erreichen wird, können daher um bis zu ein Jahrzehnt schwanken. „Für das Tiefland, das viel dichter besiedelt ist, macht das einen riesigen Unterschied“, sagt er.
Auch in der Schweiz besteht dringender Bedarf zu wissen, wie viel Wasser die Gletscherschmelze in Zukunft beisteuern wird – nicht zuletzt, weil in den nächsten Jahren die Konzessionen für eine Reihe von Wasserkraftwerken erneuert werden müssen. Solche Betreiber müssen nicht nur wissen, wie viel Wasser ihnen in Zukunft zur Verfügung steht; Sie erfordern außerdem detaillierte Vorhersagen zu extremen Wetterereignissen. „Sie sind besorgt darüber, ob die Wassereinlässe ausreichend Kapazität haben“, erklärt Farinotti.
Noch größere Sorge bereitet ein anderes Problem: das Abschmelzen der polaren Eisschilde. „In unserer Gruppe erstellen wir derzeit ein detailliertes Strömungsmodell des grönländischen Eisschildes, das vollständig auf physikalischen Prozessen basiert“, erklärt Farinotti. „Wir kartieren die Eismassen mit einer Auflösung von 25 Metern, um abzuschätzen, was mit dem Eisschild in den nächsten Jahrzehnten passieren wird.“ Um diese komplexe Simulation durchzuführen, wird das Team LUMI nutzen, Europas schnellsten Supercomputer.
Gemeinsam mit anderen Forschern untersucht Farinottis Gruppe auch den antarktischen Eisschild, der einer Reihe von Bedrohungen ausgesetzt ist. Insbesondere gibt es Probleme mit dem westantarktischen Eisschild, das auf Grundgestein unter der Meeresoberfläche ruht. „Die Topographie dieses Grundgesteins spielt eine entscheidende Rolle dabei, wie schnell sich das Eis zurückzieht“, erklärt er.
Dies ist zweifellos eine lebenswichtige Frage für eine Reihe von Küstenregionen auf der ganzen Welt. „Wenn der westantarktische Eisschild zu schmelzen beginnt, könnte der Meeresspiegel bis zum Ende des 21. Jahrhunderts um bis zu einen Meter ansteigen“, sagt Farinotti. Angesichts der Tatsache, dass 250 Millionen Menschen in Gebieten leben, die dann unter Wasser wären, muss man sich nicht fragen, warum die Zukunft der polaren Eisschilde auch in niedrigeren Breiten von so großer Bedeutung ist.