Erdsystemmodellen

Erdsystemmodelle (ESMs) sind computergestützte Simulationsmodelle, die die Wechselwirkungen zwischen den wichtigsten Teilsystemen der Erde abbilden. Sie integrieren physikalische Prozesse aus Atmosphäre, Ozean, Landoberfläche, Kryosphäre und Biosphäre sowie biogeochemische Kreisläufe wie Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf. Dabei werden auch menschliche Einflussgrößen, etwa Treibhausgasemissionen, Landnutzungsänderungen und politische Szenarien, berücksichtigt. Durch die Kopplung dieser Subsysteme können ESMs Feedbacks und Wechselwirkungen in der Klimadynamik realistischer darstellen als Modelle, die nur einzelne Komponenten berücksichtigen.

Der Aufbau von ESMs umfasst typischerweise eine Atmosphäremodellierung, Ozeanmodellierung, Modelle der Landoberfläche und der Kryosphäre sowie chemische und biogeochemische Prozesse, die interaktiv miteinander reagieren. Zusätzlich werden sozioökonomische Szenarien und Emissionspfade in die Simulationen eingebunden, um zukünftige Entwicklungen zu erfassen. Es gibt verschiedene Modelltypen, von General Circulation Models mit erweiterten Biogeochemie-Modulen bis hin zu Erdsystemmodellen mittlerer Komplexität, die bewusst vereinfachte Mechanismen nutzen.

ESMs dienen primär der Quantifizierung von Klimawandelwirkungen, dem Verständnis von Feedbackschleifen im Kohlenstoff- und Nährstoffhaushalt und der Bewertung von Szenarien im Rahmen von IPCC-Berichten oder CMIP-Projekten. Typische Outputs sind globale und regionale Klimatrends, Veränderungen in CO2-Quellen und Senken sowie Auswirkungen auf Ökosysteme und Meere. Herausforderungen bleiben hohe Rechenkosten, begrenzte Auflösung sowie Unsicherheiten in Prozessdarstellungen, insbesondere bei Wolken, Permafrost und Vegetationsdynamik.