Die Wissenschaften hinter Klimamodellen

Dieser Artikel wird im Rahmen des nächsten Wissenschaftsfestes (das vom 2. bis 12. Oktober 2020 in der französischen Metropole und vom 6. bis 16. November in Korsika, Übersee und international stattfinden wird) veröffentlicht, dessen The Conversation France ist Partner. Das Thema dieser neuen Ausgabe lautet: „Planet Natur“. Alle Veranstaltungen in Ihrer Region finden Sie auf der Website Fetedelascience.fr.


Der Klimawandel ist heute ein großes soziales Problem, das Wissenschaftler, Politiker und Bürger beunruhigt. Aber wie messen und prognostizieren wir insbesondere den Temperaturanstieg unserer Atmosphäre? Auf welchen Klimamodellen basieren die IPCC-Berichte? Über die Modelle hinaus sind diese Berichte das Ergebnis einer langen Forschungskette, an der viele Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen beteiligt sind.

Skalierungsprobleme

Die Erdatmosphäre ist ein sehr komplexes System. Zu verstehen, wie es funktioniert, und seine Entwicklung zu berechnen, ist eine besonders schwierige Aufgabe, die es erfordert, sehr unterschiedliche Raum- und Zeitskalen zu untersuchen: vom Molekül bis zum gesamten Planeten, von einer Millionstel einer Milliardstel Sekunde für chemische Reaktionen – deren Details sind Stellen Sie sich auf die Femtosekunde ein – auf das Jahrhundert für die Klimaskala.

Zuallererst sollten wir die Meteorologie, bei der das Wetter mehr oder weniger lokal innerhalb weniger Tage untersucht wird, und das Klima, das das Ganze betrifft, nicht verwechseln. des Planeten über sehr lange Zeiträume, Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte.

Um das Klima zu verstehen, muss das „Erdsystem“ als Ganzes verstanden werden, wobei die Wechselwirkungen zwischen all seinen Elementen zu berücksichtigen sind: Atmosphäre, Ozeane, Landformen zum Beispiel, aber auch mit der Sonne, der Hauptwärmequelle. Es muss detailliert berechnet werden, wie der Energieaustausch zwischen Sonnenstrahlung und den Gasen, aus denen unsere Atmosphäre besteht, sowie mit dem Boden stattfindet. Dies liegt daran, dass durch Sonnenlicht erwärmter Boden Infrarotstrahlung wieder abgibt, die wiederum mit der Atmosphäre interagiert.

Die Erde vom Himmel
Die Erde, gesehen von Apollo 17 am 7. Dezember 1972. Wie kann man die Verbindung zwischen der planetaren Skala und denen der Moleküle der Atmosphäre herstellen?
Apollo 17 / NASA

Diese komplexen Berechnungen basieren auf Methoden, die seit etwa einem Jahrhundert von Forschern nach und nach entwickelt werden und unter dem Begriff „Strahlungstransfer“ zusammengefasst sind. Die von unserem Planeten empfangene Strahlung hängt auch von den Bewegungen der Erde in ihrer Umlaufbahn und sogar von der Entwicklung dieser Umlaufbahn ab – über mehrere hunderttausend Jahre.

Für den Strahlungstransfer müssen die Bestandteile der Atmosphäre bekannt sein: Welche Moleküle sind vorhanden? Wie absorbieren und emittieren sie verschiedene Arten von Strahlung?

Die Zusammensetzung der Atmosphäre hängt von der Höhe, den Winden und den Emissionsquellen oder dem Einfangen chemischer Verbindungen, beispielsweise Kohlendioxid oder Methan, auf regionaler Ebene ab. Wir haben daher eine komplexe 3D-Struktur, die sich im Laufe der Zeit entwickelt, sowohl mit vertikalen als auch mit horizontalen Strukturen.

Um die Absorption, Emission und Streuung von sichtbarem, infrarotem und ultraviolettem Licht durch Moleküle in der Atmosphäre zu modellieren, müssen die Moleküle selbst durch experimentelle und theoretische Arbeiten im Labor sowie durch Untersuchungen untersucht werden chemische Reaktionen zwischen Molekülen, weil sie die atmosphärische Zusammensetzung verändern.

Erste Herausforderung: Messung des Erdsystems in seiner Komplexität

Diese Arbeit basiert daher auf vielen wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen. Daran sind Wissenschaftler aus vielen Bereichen beteiligt: ​​natürlich Klimatologen, aber auch Geologen, Physiker und Chemiker.

Zunächst müssen überall und jederzeit die physikalischen (Temperatur, Druck) und chemischen Bedingungen der Atmosphäre gemessen werden. Dies erfolgt über Messungen am Boden von Geräten, die über den gesamten Globus verteilt sind, aber auch an Bord von Flugzeugen, Stratosphärenballons und Satelliten.

In den letzten 50 Jahren war der Beitrag der Raumfahrtindustrie zu diesem Thema absolut entscheidend. Heutzutage kultiert eine große Anzahl von Satelliten kontinuierlich alle Punkte der Welt aus, indem sie Temperaturen, chemische Spezies, Eisentwicklung, Wolkendecke usw. messen. Diese Werkzeuge sind äußerst wertvoll und unverzichtbar. Sie liefern eine beträchtliche Menge an Daten, die gesammelt, analysiert und modelliert werden müssen.

Ankunft des Astrolabe-Schiffes in der französischen Basis Dumont d’Urville.
Matthew Weber / Wikimedia

Darüber hinaus bedeutet das Verständnis des Klimas von heute und morgen auch ein gutes Verständnis der Vergangenheit unseres Planeten. Hier kommen Geologen ins Spiel, die dank der Untersuchung von Felsen oder Eis – zum Beispiel in der Antarktis – die Geschichte vergangener Klimazonen über Millionen von Jahren rekonstruieren können. Sie tun dies in Zusammenarbeit mit Astronomen, die ihrerseits die Entwicklung der Erdumlaufbahn sowie die Sonnenaktivität rekonstruieren.

Zweite Herausforderung: Verständnis dieser Messungen mit experimentellen und digitalen Laborwerkzeugen

Innerhalb dieser umfangreichen Forschung zum Klima steht die Arbeit in unserem Team im Mittelpunkt: Für uns geht es darum, die Wechselwirkungen zwischen Molekülen und Strahlung (zum Beispiel von der Sonne) zu verstehen. Dieses Verständnis ist entscheidend und muss sehr präzise sein. In der Tat werden unsere Modelle, die vorhersagen sollen, wie Moleküle Licht absorbieren und emittieren (was als “molekulare Spektroskopie” bezeichnet wird), in die Strahlungstransferberechnungen injiziert, die selbst in den Modellen enthalten sind. Atmosphären auf planetarischer Ebene.

Da sich Fehler in dieser Arbeit von Schritt zu Schritt ausbreiten, versteht es sich, dass kleine Ungenauigkeiten, beispielsweise bei der Absorption von Infrarotstrahlung für ein bestimmtes Molekül, wichtige Konsequenzen haben und die Schlussfolgerungen zum langfristigen Klimawandel ändern können. Begriff.

Es gibt drei Arten von atmosphärischen Komponenten. Dies sind vor allem die beiden Grundmoleküle der Luft: Distickstoff (78%) und Disauerstoff (21%). Dann kommt alles, was den verbleibenden Prozentsatz ausmacht, der im Hinblick auf Umweltverschmutzung und Klima am wichtigsten ist: einerseits reaktive Verbindungen, die die Chemie der Atmosphäre schnell verändern (zum Beispiel Verbindungen, die die Produktion oder Zerstörung begünstigen Ozon) und andererseits Arten, die chemisch neutral, aber daher langfristig stabil sind und die Infrarotstrahlung sehr stark absorbieren und daher Wärme speichern. Diese letzte Art von Molekülen bildet das, was wir Treibhausgase nennen.

Zwei atmosphärische Modelle zeigen die Methankonzentration in der Atmosphäre, an der Oberfläche und in der Höhe in der Stratosphäre (Volumenteile pro Million).
Wikipedia

Die bekanntesten Treibhausgase sind Wasserdampf (H.2O) und Kohlendioxid (CO2). Aber auch andere sind sehr wichtig, auch wenn sie nur in sehr geringen Mengen vorhanden sind, da sie eine sehr starke Infrarotabsorption und damit eine starke globale Erwärmungskraft haben. Unser Forschungsteam ist auf die Untersuchung mehrerer von ihnen spezialisiert, hauptsächlich menschlichen Ursprungs: Methan (CH₄), aber auch verschiedener fluorierter Gase industriellen Ursprungs wie Schwefelhexafluorid SF₆ und Tetrafluorid-CF₄.

Die “Ausbreitung von Fehlern”

Im Labor zeichnen unsere experimentellen Kollegen mit Hilfe von als Spektrometer bezeichneten Geräten und unter Verwendung verschiedener optischer Techniken Daten (“Spektren”) unter verschiedenen Bedingungen von Temperatur-, Druck- und Gasgemischen auf. Es liegt dann an uns, diese Daten zu analysieren und Modelle zu extrahieren, die in der Lage sind, die Spektren über einen weiten Bereich physikalischer und chemischer Bedingungen zu reproduzieren, indem Modelle verwendet werden, die auf komplexen mathematischen Werkzeugen und dedizierter Software basieren.

Die Genauigkeit der Modelle, die durch den Vergleich zwischen Experiment und Berechnung bestimmt wird, muss sehr hoch sein. In der Tat messen Satelliten immer genauer: dann das CO2 Noch vor wenigen Jahren ein paar Prozent, heute ein Zehntel Prozent. Wir sind mit einem Problem konfrontiert, das als “Fehlerausbreitung” bekannt ist. Kleine Fehler bei der Modellierung des Spektrums eines Moleküls führen zu größeren Fehlern bei der Messung seiner Konzentration, was zu noch größeren Fehlern bei der Klimavorhersage führt.

Sie könnten denken, dass kleine Moleküle wie CH4 sind seit langem bekannt. Es ist nicht so. Die globale Modellierung ihres Spektrums mit hoher Präzision bleibt bis heute eine Herausforderung, und die Arbeiten zu diesem Thema sind noch lange nicht abgeschlossen.

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