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Wirkt die Ozonschicht stark auf das Klima? 08.03.2008 Der Klimawandel ist mit vielfältigen Untersuchungen bestätigt worden. Das Abschmelzen der Gletscher, Grönlands und der Antarktis sind augenfällige Indizien für den Klimawandel.In der vorliegenden Pressmitteilung wird auf eine Studie hingewiesen, wonach das Ozon in der Stratosphäre in 10km Höhe Auswirkungen auf die Winde und Wolkenbewegungen in der Erdnähe hat. Dies ist nicht ganz unwahrscheinlich, weil die harte UV-Strahlung der Sonne und damit sehr viel Energie in der Ozonschicht absorbiert wird. Die Pressemitteilung wurde von der Redaktion zum Anlass genommen, um die systematische Methodik der Klimasimulationen zu hinterfragen. Der Briefwechsel wird mit freundlicher Genehmigung hier zitiert..
[Anmerkung: Die Klimasimulationen sind tendenziell wertlos. Die Simulationen enthalten wahrscheinlich systematische Rechenfehler. Dr. Dieter Porth.]
Kommentar,Gedanken, Anmerkungen, ...Redaktion buergerstimmen.de - Dr. Dieter Porth, Göttingen:
Vorbemerkung
Diese kritische Anmerkung hätte jedes deutsche Institut erwischen können, welches sich mit dem Klimawandel beschäftigt. Der kritisierte Fehler ist systemisch und wird von der wissenschaftlichen Gemeinschaft wenig wahrgenommen, weil die Beseitigung des systematischen Fehlers in den Klimasimulationen wenig ruhmreich und sehr teuer ist.
Zur Anmerkung
In der Anmerkung wird behauptet, dass die Ergebnisse der Klimaforscher wertlos sind. Die Forscher verwenden veraltete Computer-Rechenverfahren, die Ergebnisse ohne Existenzzusicherung produzieren. Die Simulationen des Klimas sind numerisch kritisch, so dass die Annahme gerechtfertigt ist, dass die Rechenergebnisse systematische Rechenfehler enthalten. Dies ist umso bedenklicher, weil es seit zwanzig Jahren alternative und sichere Rechenverfahren gibt. Die sicheren Rechenverfahren erlauben dem Computer auch die Aussage, dass sie ein Ergebnis nicht in der geforderten Genauigkeit berechnen und damit zusichern können. Diese sicheren Rechenverfahren der Intervallarithmetik haben lediglich den Nachteil, dass sie den Rechenaufwand ungefähr um den Faktor drei bis vier erhöhen. Die wissenschaftliche Aussagekraft von
Warum gibt es Fehler?
Zur Durchführung von Simulationen, wie zum Beispiel Klimasimulationen, werden in der Forschung numerische Verfahren verwendet. Die Gültigkeit der numerischen Verfahren ist von früheren Mathematikern mit den üblichen Verfahren der Mathematik bewiesen worden. Für ihre Beweise gingen die Mathematiker davon aus, dass sie für die Berechnungen beliebig viele Ziffern zur Verfügung haben. In vielen Fällen ist dies eine vernünftige Annahme. Bei kritischen Problemen, wie zum Beispiel Klimamodellen, führen die Annahmen zu Problemen.
In diesen Fällen muss man berücksichtigen, dass der Computer nur eine begrenzte Anzahl von Stellen für Berechnungen zur Verfügung hat. Insbesondere das Problem der Ziffernauslöschung wird bei kritischen Berechnungen zum Problem Die Ziffernauslöschung sei an einem einfachen Beispiel erläutert. Die Zahl 123,456789 hat zum Beispiel neun signifikante Ziffern. Auch die Zahl 123,456701 hat neun signifikante Ziffern, weil nur die letzte Ziffer gerundet ist. Wenn man die beiden Zahlen voneinander abzieht, dann erhält man als Ergebnis 0,00088. Das Ergebnis hat nur noch 2 signifikante Ziffern. Wenn mit der Zahl 0,00088 weiter gerechnet wird, dann können alle nachfolgenden Ergebnisse nur noch bestenfalls auf zwei Ziffern signifikant sein. Wenn solche Auslöschungen mehrfach auftreten, dann können sich beliebige Rechenergebnisse einstellen. Der Computer zeigt ein Ergebnis an, was aber nichts mehr mit der Realität zu tun hat.
Dies Problem der Ziffernauslöschung kann insbesondere bei der Berechnung von größeren Skalarprodukten auftreten. Da das Skalarprodukt ist eine Standardoperation bei numerischen Simulationen, wenn diese Simulation auf der Basis von Matrizen durchgeführt werden, sind hier größere Fehlerquoten denkbar. Bei den meisten Klimamodellen wird man davon ausgehen dürfen, dass die Simulation mit Hilfe von Matrizen durchgeführt wird.
Gerade bei Klimasimulationen wird man mit sehr großen Datensätzen arbeiten. Weiterhin hat man es bei Klimasimulationen mit einem Anfangswertproblem zu tun. Man berechnet ausgehend von einem Jahr das Klima des nächsten Jahres. Die berechneten Daten nimmt man zu Berechnung der Daten für das darauffolgende Jahr. Und so geht der Prozess immer weiter. Rechenfehler potenzieren sich im Laufe der Zeit.
Wie geht die Intervallarithmetik mit Rechenfehlern um?
In der Intervallarithmetik wird jede Zahl immer als Intervall dargestellt. Die Zahl Wurzel Zwei liegt zum Beispiel zwischen der unteren Grenze 1,41 und der oberen Grenze 1,42. Bei Berechnungen wird dann systematisch bei der unteren Grenze systematisch abgerundet und bei der oberen Grenze systematisch aufgerundet.
Das Problem bei der Intervallarithmetik ist, dass die Intervalle schnell auseinanderdriften. An manchen Stellen sind solche Informationsverluste unvermeidbar. Bei vielen numerischen Verfahren ergeben sich die auseinander gedrifteten Intervallgrenzen aus dem Ablauf der numerischen Verfahren. Hier sind zum Teil Verfahren entwickelt und beweisen worden, um die Intervallgrenzen nachträglich wieder zusammenzuführen. Mit der Zusammenführung ergibt sich dann die Möglichkeit, dass bei nach einer Berechnung mit der Ausgabe eines Ergebnisses gleichzeitig bestätigt wird, dass die Lösung innerhalb des angegebenen Ergebnisintervall liegt.
Bei der Berechnung kann sich aber auch ergeben, dass das Programm nach einer vorgegebenen Rechenzeit feststellt, dass kein Ergebnis in der vorgegebenen Genauigkeit berechnet werden kann!
Die klassischen Verfahren geben solche Existenzzusicherungen nicht. Die Ergebnisse können richtig sein. Sie können aber bei kritischen numerischen Problemen falsch oder gar unsinnig sein.
Fazit
Der kritiklose Umgang mit den numerischen Berechnungen hat eine soziologische Ursache.
- Die meisten Politiker erwarten von den Forschern nur Argumente, um bestimmte politische Ideen durchzusetzen. Sie wollen, ähnlich wie viele Journalisten, nur reden, lamentieren und entscheiden.
- Die Forscher erwarten vom Staat Gelder für ihre Forschungen und sind auf die Politiker angewiesen.
Da die in vielen Dingen unwissenden Politik und nicht der Sachverstand oft über Forschungsgelder entscheidet, hat sich im Forschungsbereich der Klimawandels eine unheilvolle Bewegung entwickelt. Die Forscher geben den Politikern und der Presse einige leicht verdauliche Argumente zum Klimawandel und die Politiker finanzieren dafür den Forschern die weiteren Forschungen. Die Zweifel und Irrtumsmöglichkeiten werden nicht angesprochen. Die Politiker entscheiden über die Forschungsgelder für die Wissenschaftler und freuen sich über ihre eigenen Intelligenz, weil sie die Argumente der Wissenschaftler verstanden haben. Da die Zweifel nicht genannt werden, stellt sich die Situation für die Politiker klar dar. Ihre Entscheidung ist wohlbegründet, da sie die Zweifel nicht kennen und damit über Alternativen nicht nachdenken.
Die Wissenschaftler sehen an der Reaktion der unwissenden Politiker, dass nach diesem Prinzip "Halte die Politiker dumm&ängstlich und sichere so deine Forschungsetats" die Wissenschaftsfinanzierung funktioniert. Entsprechend werden wissenschaftkliche Publikationen formuliert und in die Öffentlichkeit getragen. Die wissenschaftliche Redlichkeit droht in diesem Fall auf der Strecke zu bleiben. Das Schlimme an der Situation ist, dass man hier keinem wirklich die Schuld geben kann. Die Politik weiß es nicht besser und die Wissenschaft ist von der Politik abhängig. In der Presse hat heute kaum noch jemand Zeit, die Wissenschaft kritisch zu hinterfragen. Dies führt zum Verheizen von vielen Forschungsgeldern.
Dem interessierten Laien bleibt nur die Feststellung: Die meisten Politiker haben dank der Selektion in den Parteien heutzutage kein Rückgrat mehr. Die Wissenschaft gleicht sich an die Politik an. Opportunität vertreibt Sachverstand. Schade.
Dr. Dieter Porth
P.S. Ich habe keine Ahnung, mit welchen Verfahren die Meteorologen ihre Wetterprognosen erstellen. Wahrscheinlich sind die Verfahren numerisch ähnlich zu den Verfahren bei den Klimaforschern. Dies könnte erklären, warum Wetterprognosen über eine Woche hinweg so schlecht sind. Die Weiterrechnungen für das Wetter von Stunde zu Stunde führen zu immer ungenaueren Ergebnissen, so dass vielleicht schon aus numerischen Gründen längerfristige Prognosen unmöglich sind.
Die Meteorologen argumentieren bei den fehlerhaften längerfristigen Wetterprognosen immer mit der Unvorhersagbarkeit des Wetters und damit mit der Begrenztheit der Modelle. Aber vielleicht sollten die Forscher sich einmal mit der numerischen Stabilität ihrer Simulationssysteme beschäftigen. Vielleicht lassen sich mit numerisch sicheren Wettersimulationen auch die Modelle für die Wetterprognosen verbessern. Dr. Dieter Porth.
Internet-Zitat: Website: Kontaktlink zu Informationsdienst Wissenschaft [ Homepage ] (- Alfred-Wegener-Instituts, Sascha Brand, ...)
News aus dem Bereich des Klimawandels - Stratosphärische Ozonchemie als wichtiger Faktor für atmosphärische Strömungsmuster identifiziert - Heutige Klimamodelle enthalten noch zu viele Unsicherheiten
Dipl.-Ing. Margarete Pauls, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung
08.03.2008
SPERRFRIST: 8. März 2008, 00:01 Uhr
Dies ist das Ergebnis von Klimasimulationen, die jetzt in der Zeitschrift "Geophysical Research Letters" (Brand et al, Geophys. Res. Lett.) veröffentlicht wurden.
Wissenschaftler der Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft haben damit einen fundamentalen Prozess für die Klimazusammenhänge in der Arktis untersucht. Bislang ist unklar, wie die natürlichen Schwankungen in den atmosphärischen Strömungsmustern entstehen, die eine große Rolle für die Klimaänderungen in den letzten Jahrzehnten spielen. Dieses Grundlagenwissen ist notwendig, um die noch mit vielen Unsicherheiten behafteten Klimamodelle zu verbessern.
| Pressefoto Afred Wegner … ©2008 (www/∗) |
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Wechselwirkungen zwischen der stratosphärischen Ozonchemie und der atmosphärischen Strömung führen zu deutlichen Änderungen von Luftströmungsmustern vom Erdboden bis in die Stratosphäre.
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Die atmosphärische Strömung folgt bevorzugten Mustern, wobei das wichtigste Muster für die Nordhalbkugel die Arktische Oszillation ist. Dabei handelt es sich um eine großräumige Schwingung der Atmosphäre, die durch entgegengesetzte Luftdruckanomalien in der zentralen Arktis und in Teilen der mittleren und subtropischen Breiten gekennzeichnet ist und sich in Jahrzehnte dauernden Schwingungen mal stärker und mal schwächer ausprägt. In der positiven Phase, die seit etwa 1970 vorherrscht, ist der winterliche Polarwirbel sehr stabil und der Austausch von Luftmassen zwischen mittleren und hohen Breiten ist eingeschränkt. In den mittleren Breiten treiben starke Westwinde im Winter warme Atlantikluft nach Nord- und Mitteleuropa und Sibirien. In der negativen Phase der Arktischen Oszillation kann die kalte Polarluft weiter nach Süden vordringen und beschert Europa strenge Winter.
Bislang werden in komplexen, globalen, gekoppelten Atmosphären-Ozean-Klimamodellen die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen chemischen Prozessen in der Stratosphäre und der Zirkulation in der Tropo- und Stratosphäre (0 bis 10 Kilometer Höhe bzw. 10 bis circa 50 Kilometer Höhe) nicht berücksichtigt. Die Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Institutes haben nun erstmals in ein Atmosphären-Ozean-Klimamodell ein Modul der stratosphärischen Ozonchemie eingefügt. Durch einen Vergleich von Simulationen des Standardmodells und des um die Ozonchemie ergänzten neuen Modells konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Ozonchemie einen deutlichen Einfluss auf die Arktische Oszillation hat. Änderungen der atmosphärischen Strömung und der Temperaturverteilung führen zu einer Verstärkung der winterlichen negativen Phase der Arktischen Oszillation.
"Unsere Untersuchungen leisten einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der Unsicherheiten bei der Simulation des gegenwärtigen Klimas. Die heutigen Klimamodelle sind, anders als oft behauptet wird, noch mit zahlreichen Unsicherheiten behaftet. Erst wenn wir die grundlegenden Prozesse in der Arktis verstehen, können wir diese Fehler quantifizieren und ausmerzen", sagte Dr. Sascha Brand, Hauptautor der vorgestellten Studie des Alfred-Wegener-Instituts. Die Ergebnisse lassen erwarten, dass die Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen atmosphärischer Strömung und stratosphärischer Ozonchemie sich auch in Simulationen der zukünftigen Klimaentwicklung auf die Stabilität des Polarwirbels auswirkt und deshalb unbedingt in Klimamodelle einbezogen werden muss. In einem Folgeprojekt soll das neue Modell für Berechnungen der zukünftigen Klimaentwicklung eingesetzt werden.
Bremerhaven, den 3. März 2008
....
Brand, S., K. Dethloff, and D. Handorf (2008), Tropospheric circulation sensitivity to an interactive stratospheric ozone, Geophys. Res. Lett., doi:10.1029/2007/GL032152
SPERRFRIST: 8. März 2008, 00:01 Uhr
Das Alfred-Wegener-Institut forscht in der Arktis, Antarktis und den Ozeanen der mittleren und hohen Breiten. Es koordiniert die Polarforschung in Deutschland und stellt wichtige Infrastruktur wie den Forschungseisbrecher Polarstern und Stationen in der Arktis und Antarktis für die internationale Wissenschaft zur Verfügung. Das Alfred-Wegener-Institut ist eines der fünfzehn Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands.
Nachfrage seitens der Redaktion an die Pressestelle vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung
Email vom 17.3.2008
Ich habe zwei Fragen zur der Simulation
a) In der Pressemitteilung heißt es: "...Durch einen Vergleich von Simulationen des Standardmodells und des um die Ozonchemie ergänzten neuen Modells konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Ozonchemie einen deutlichen Einfluss auf die Arktische Oszillation hat. Änderungen der atmosphärischen Strömung und der Temperaturverteilung führen zu einer Verstärkung der winterlichen negativen Phase der Arktischen Oszillation." Hier entsteht der Eindruck, dass die Modelle nur miteinander geprüft wurden. Der Wert von Simulationen entscheidet sich aber eigentlich immer nur an der Richtigkeit der Beschreibung vergangenen Ereignisse und an der richtigen Prognose zukünftiger Entwicklungen. Zu diesem Punkt enthält die Pressemitteilung keine Hinweise. Wie wird die empirische Relevanz der Ergebnisse geprüft?
b) Die zweite Frage ist eine eher technische Frage. Klimamodelle sind "Anfangswertprobleme". In der Numerik beschäftigt sich der Fachzweig "Intervallarithmetik" mit dem Problem von idiotischen Ergebnissen bei numerischen Berechnungen. Gerade die Berechnungen von Klimamodellen gehören sicher zu den numerisch instabilen Problemen. In der Intervallarithmetik wurden schon vor zwanzig Jahren Verfahren entwickelt, die bei Rechenergebnissen die Zusicherung der Existenzexistenz ermöglichen. Nach meinen Erfahrungen haben sich diese verfahren in den allermeisten Bereichen bisher nicht durchgesetzt. Mit welchen Rechenverfahren arbeiten die Klimasimulationen? Werden noch die alten Techniken der Numerik verwendet oder werden schon intervallnumerische Verfahren verwendet?
....
Dr. Dieter Porth
Antwort auf die beiden Fragen
Email vom 19.3.2008 von Dr. S. Brand - Freigabe für Zitat nach Rückruf vom 26.3.2008
...
Zu Ihren beiden Fragen habe ich jeweils eine Antwort verfasst, die Ihnen hoffentlich weiterhilft:
a) Natürlich ist das Standardmodell mit vorhandenen Beobachtungsdaten, insbesondere des 19. und 20. Jahrhunderts, ausgiebig validiert, d.h. geprüft und abgeglichen worden, und zwar auf globaler wie auch regionaler räumlicher Skala. Ansonsten würde eine weiterführende Diskussion in der Tat keinen großen Sinn machen. Bei dem Vergleich der zweiten Simulation (mit interaktiver Ozonchemie) mit dem Standardlauf handelt es sich gleichzeitig aber auch nicht um eine Szenarienrechnung des zukünftigen Klimas oder gar eine Klimaprognose, sondern um eine Sensitivitätsstudie. Dabei haben wir insbesondere den Einfluss der stratosphärischen Chemie auf die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre untersucht. Das Ergebnis war, dass dies ein wichtiger Mechanismus ist, der deshalb fuer zukuenftige klimatologische Rechnungen beruecksichtigt werden sollte.
b) In der Klimamodellierung werden in der Tat allgemein noch die "alten Techniken der Numerik" verwendet, die jedoch nichtsdestotrotz sicherstellen, dass es bei den Simulationen nicht zu Instabilitäten und damit zu "idiotischen Ergebnissen" kommt. Gegen eine allgemeine Einführung intervallnumerischer Methoden sprechen vor allem zwei Punkte: Erstens erhöht sich dadurch der numerische Aufwand, und zweitens wäre es auch ein Trugschluss, zu glauben, Intervallnumerik würde vorhandene Unsicherheiten wirklich objektiv fassbar machen. Vom mathematischen Standpunkt aus gesehen wäre dies natürlich die bestmöglichen Fehlerabschätzung, aber auch hier blieben nach wie vor Unsicherheiten aufgrund fehlenden Prozessverständnisses oder notwendiger Vereinfachungen innerhalb der verwendeten Modellgleichungen, die so eben nicht erfasst werden koennen. Deshalb werden z.B. bei Szenarienrechnungen des zukünftigen Klimas sogenannte Ensemblerechnungen durchgeführt. Dabei werden insbesondere auch Modellsimulationen verschiedener Klimamodelle mit den gleichen Anfangsbedingungen ausgewertet. Das liefert ebenfalls eine Schwankungsbreite der Ergebnisse, die dann aber alle vorhandenen Unsicherheiten adaequat beruecksichtigt. Das alles schliesst aber natürlich den zukuenftigen Einsatz intervallnumerischer Verfahren in der Klimamodellierung keineswegs aus.
....
Anmerkung der Redaktion: Der obige Kommentar wurde erst nach der telefonischen Freigabe am 26.3.2008 verfasst. Dr. Dieter Porth.
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[Anmerkung: Ein Nichturteil sagt nichts über die Qualität von Leistungen. Die verdrehte Wahrnehmung des Ministers lässt eher an der Redlichkeit des Verfahrens zweifeln. Dr. Dieter Porth.]
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