Der Nobelpreis für Physik im Jahr 2021

Von Roland Wengenmayr

Heute ist der von uns Menschen bewirkte Klimawandel Allgemeinwissen. Doch woher wissen wir, dass wir die Verursacher sind? Und dass wir mit unseren Treibhausgas-Emissionen, insbesondere Kohlendioxid, die Erde immer mehr aufheizen? Diese Erkenntnis verdanken wir im Wesentlichen den Pionierarbeiten von Klaus Hasselmann und Syukuro Manabe. Beide wurden 2021 „für die physikalische Modellierung des Erdklimas, für die Quantifizierung seiner Schwankungen und die verlässliche Vorhersage der Erderwärmung“ mit dem Nobelpreis für Physik geehrt, dessen eine Hälfte sie sich teilten [Nobelpreis2021]. Diese beiden Wissenschaftler haben mit ihren Pionierarbeiten, für die sie auch ganz neue Konzepte entwickeln und einführen mussten, die moderne Klimaforschung führend mitbegründet.

Eine entscheidende Voraussetzung für das heutige Verständnis der Erderwärmung ist das Wissen, wie die Atmosphäre auf eine steigende Kohlendioxid-Konzentration reagiert. „Suki“ Manabe konnte mit ersten Computersimulationen zeigen, wie der Strahlungshaushalt und die Konvektion, also die Umwälzung der Luftmassen in der Atmosphäre, hier zusammenspielen und das Thermometer langsam steigen lassen. Doch wie spürt man den menschlichen „Fingerabdruck“ im chaotischen, von Zufällen geprägten Klimasystem auf? Das gelang Klaus Hasselmann mit kriminalistischem Gespür. Die Metapher der Kriminalistik passt hier bestens, denn ein Fingerabdruck hat ein charakteristisches, unverwechselbares Muster. Genauso führt ein bestimmtes Muster im Verhalten des Klimasystems letztlich zu uns Menschen – als Täter, wie wir uns eingestehen müssen.

Bjorn Stevens, Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie, als dessen Gründungsdirektor Klaus Hasselmann 1975 berufen wurde, vergleicht Hasselmanns entscheidende Arbeiten mit der Entdeckung der Gravitationswellen. Das extrem schwache Signal zweier ineinander stürzender Schwarzer Löcher in Form von minimalen Schwingungen in der Raumzeit war nur zu finden, weil es vorher theoretisch berechnet werden konnte. So konnte die Astrophysik im gigantischen Rauschen des Kosmos gezielt nach solchen winzigen Signalen suchen. Dies gelang 2016, hundert Jahre, nachdem Albert Einstein Gravitationswellen vorhergesagt hatte.

Vorstellen können wir uns das am Bild eines betrunkenen Mannes, der mit seinem Hund aus der Kneipe nach Hause gehen will. Der Mann ist in einem Zustand, in dem er seine Orientierung verloren hat. Diese Passivität nutzt der junge, unerzogene Hund aus und rennt an der Leine erratisch in alle Richtungen hin und her, weil die Welt überall gleich interessant riecht. Entsprechend zerrt er sein schwerfällig herumschwankendes Herrchen mal hier, mal dort hin mit der Folge, dass das ungleiche Paar offensichtlich nicht vom Fleck kommt. Der Hund verkörpert das Rauschen im Wetter, also den Chaosanteil, und das Herrchen das Klima: Er reagiert zwar sehr träge auf die Bewegungen des wilden Hundes, aber unter dessen Impulsen stolpert er sich dann doch ein bisschen hier hin, ein wenig dort hin. Die Bewegung des Herrchens wird also nur durch der Zufallsbewegung des Hundes verursacht. Genau einen solchen Zusammenhang konnte Hasselmann in seiner Arbeit von 1976 zeigen: Allein die „Stöße“ des Rauschens im Wetter bringen das Klima dazu, sich zu ändern – dies geschieht also nur aus diesem System heraus, ohne äußeren Einfluss.

Als nächste Stufe stellen wir uns nun als Beobachter vor, dass wir Folgendes erwarten: In seinem alkoholumnebelten Gehirn dämmert es dem Mann doch, dass er eigentlich nach Hause will. Wir wissen ungefähr, wo er wohnt. Der Mann wird also doch versuchen, sich langsam in Richtung Zuhause zu bewegen. Auch wenn er große Mühe hat, schafft er es, den wilden Hund in winzigen Schrittchen in die gewünschte Richtung zu dirigieren. Allerdings ist diese Verschiebung des unfreiwilligen Paartanzes so subtil, dass sie nur erkennbar wird, wenn man weiß, wie und wo man hinschauen muss.

Der Weg nach Hause entspricht hier der langfristigen Tendenz des Klimas, zum Beispiel insgesamt wärmer zu werden. Aber wie findet man denn dieses winzige Signal in dem enormen Rauschen, welches das Herumgerenne des Hundes verursacht? Und wie ordnet man es dem Einfluss des Menschen, hier dem – wenn auch schwachen Willen –, nach Hause zu kommen, zu? Solche Metaphern haben immer ihre Grenzen, wenn es um abstrakte mathematische Arbeiten geht. Aber ungefähr so lässt Hasselmanns zweite Großtat veranschaulichen. Hier versinnbildlicht der schwache Wille des Hundebesitzers den Einfluss des Menschen auf das Klimasystem. Und Hasselmanns stochastische Methode entspricht einer Analyse der Wimmelbewegung des Paars in einer Phase direkt nach dem Verlassen der Kneipe, in der in den Zufallsbewegungen eigentlich noch gar keine Tendenz in eine bestimmte Richtung erkennbar zu sein scheint. Doch Hasselmann kann mit seiner Methode bereits diese winzige Tendenz erfassen, weil er eben weiß, wohin sie zeigt, und wo er in dem enormen Rauschen danach suchen muss.

So ähnlich kann man sich also Nachweis des menschlichen Fingerabdrucks im Klimasystem vorstellen. Seine Arbeit, die das grundlegende Konzept hierfür darlegte, publizierte er bereits 1979. Doch es dauerte bis Mitte der 1990er-Jahre, bis ein Team von Hasselmann diesen Fingerabdruck sicher identifizieren konnte. Aus diesem Konzept entwickelte sich ein heute bedeutendes wissenschaftliches Gebiet der Klimaforschung, das sich „Detection and Attribution“, also der „Entdeckung und Zuschreibung“ des Klimawandels widmet.

Jochem Marotzke, Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie, wendet allerdings ein, dass es für Hasselmanns erste Arbeit einen Konkurrenten gab, wobei beide Wissenschaftler offenbar nichts von ihren jeweiligen Arbeiten wussten. Der Amerikaner Cecil „Chuck“ Leith hatte zeitgleich und unabhängig ein nach Marotzkes Ansicht äquivalentes Konzept wie Hasselmanns stochastisches Klimamodell entwickelt [Marotzke2021]. „Wenn man sich also auf die stochastischen Klimamodelle fokussiert, müsste man auf jeden Fall auch Chuck Leiths Beitrag mitdiskutieren“, findet Marotzke: „Da differiere ich vielleicht von anderen in der Bewertung dessen, was nobelpreiswürdig ist.“ Marotzke will damit Hasselmanns Leistung nicht schmälern, nur eben fair auf den Sachverhalt hinweisen, dass hier zwei Forscher auf vergleichbare Ideen gekommen sind, ohne voneinander zu wissen. Das geschieht nicht selten, wenn etwas Neues in der Luft liegt.

„Aber mit seiner Arbeit zum ,Fingerabdruck‘ ist Hasselmann ein Solitär!“, betont Marotzke die aus seiner Sicht herausragende Leistung des Hamburgers: „Wenn man sich diese Publikation von 1979 anschaut – das kommt absolut aus dem Nichts!“ Dass diese Leistung allein schon eines Nobelpreises würdig ist, zeigt auch die Entstehungsgeschichte des „Weltklimarats“, des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

„Ein Großteil des IPCC ist wirklich um den Rahmen herum konstruiert, den Hasselmann gesetzt hat“, betont Bjorn Stevens: „Das steckt in den von Bericht zu Bericht immer stärkeren Adjektiven, mit denen der IPCC die Wahrscheinlichkeit des menschlichen Einflusses auf das Klima beschreibt.“ Der erste Sachstandsbericht des IPCC von 1990 geht noch davon aus, dass der beobachtete Temperaturanstieg größtenteils auf natürliche Schwankungen zurückzuführen sein könnte, wobei er einen menschlichen Einfluss nicht ausschließt. Der zweite Bericht von 1995 bleibt weiterhin vorsichtig mit der Begründung, dass die wissenschaftliche Fähigkeit, den Einfluss des Menschen auf das globale Klima zu quantifizieren, noch begrenzt sei – dennoch deute alles darauf hin, dass es einen erkennbaren menschlichen Einfluss auf das globale Klima gebe. Der Bericht 2001 kam dann schon zu der konkreteren Aussage, dass die Menschheit „wahrscheinlich“ – mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 66 % –, Verursacher der Klimaerwärmung seit Mitte des 20. Jahrhunderts sei. Beim 4. Sachstandsbericht von 2007 war der Befund bereits „sehr wahrscheinlich“, mit über 90 % Wahrscheinlichkeit, und beim 5. Bericht von 2013 „extrem wahrscheinlich“ mit 95 bis 100 % Wahrscheinlichkeit. „Es sind also diese Adjektive, die immer stärker werden“, sagt Stevens: „Alle diese Adjektive sind kodierte Wahrscheinlichkeiten, die sich aus Hasselmanns Arbeit ergeben!“ Der „Fingerabdruck“ des Menschen im Klimasystem tritt also in diesen Berichten immer deutlicher zutage. Der sechste Sachstandsbericht von 2021 sagt: „Es ist eindeutig, dass der menschliche Einfluss die Atmosphäre, den Ozean und die Landoberfläche erwärmt hat.“ Der Weltklimarat ist sich also hundertprozentig sicher, dass der Mensch die Klimaerwärmung verursacht.

Diese herausragende wissenschaftliche Leistung ist auch Hartmut Graßl seit Langem klar. Der langjährige wissenschaftliche Weggefährte und früherer Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie stellte bereits 1995 bei einer Pressekonferenz in Anwesenheit des damaligen Bundesforschungsministers fest: „Das Signal ist entdeckt“. Zur anwesenden Presse sagte er: „Wenn es dazu ein völkerrechtlich verbindliches Abkommen gibt, dann bin ich sicher, dass Klaus Hasselmann ein Kandidat für den Physik-Nobelpreis ist.“

Diese Vorhersage hat sich 2021 erfüllt. Dabei sei es wichtig, dass Klaus Hasselmann und Syukuro Manabe den Physik-Nobelpreis für ihre konzeptionelle Arbeit bekommen haben, betont Stevens. Es sei ein Missverständnis, dass damit die Entwicklung von Klimamodellen gewürdigt worden sei. „Modellierung ist ein kollektives Unternehmen“, sagt er. Es ist klar, dass in diesem Fall noch viel mehr Beteiligte hätten berücksichtigt werden müssen. Dem könnte der Nobelpreis für Physik gar nicht gerecht werden, da er auf maximal drei Köpfe limitiert ist. Doch in gewisser Weise hat das Nobelkomitee der kollektiven Anstrengung der Modellentwicklung bereits Rechnung getragen, indem es dem IPCC 2007 den Friedensnobelpreis verliehen hat. Indirekt haben Manabe und Hasselmann mit ihrem Lebenswerk auch zu diesem Nobelpreis beigetragen.

In den ersten Jahren spielten Computer im neuen Max-Planck-Institut noch keine so zentrale Rolle. Es wurden natürlich schon Klimamodelle entwickelt, aber Hasselmann ging es zunächst darum, die wissenschaftlichen Grundlagen für Klimaforschung zu schaffen. Das hieß, dass noch hauptsächlich mit Stift und Papier gearbeitet wurde. In den Achtzigerjahren wurde aber klar, dass die nun zu entwickelnden Modelle komplexer sein mussten und daher viel leistungsfähigere Computer erforderten. Da Max-Planck-Institute eher schlank und wissenschaftlich beweglich sein sollten, bestand die Lösung darin, ein separates „Deutsches Klimarechenzentrum“ zu gründen. Dessen Finanzierung übernahm das Bundesforschungsministerium. Hasselmann schaffte es unter taktisch geschickter Mithilfe von Hartmut Graßl, das DKRZ nach Hamburg zu holen und wurde 1988 auch dessen erster wissenschaftlicher Direktor. Technischer Direktor des DKRZ wurde einer seiner früheren Nachwuchsforscher, Wolfgang Sell.

In diese Zeit fiel auch eine von Hasselmann vorangetriebene Satzungsänderung am Max-Planck-Institut für Meteorologie, die ein gleichberechtigtes Direktorium einführte, mit drei führenden Wissenschaftlern. Hartmut Graßl und Lennart Bengtsson, der zuvor Direktor des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage in Reading, Großbritannien, war, wurden Hasselmanns erste Kollegen. So konnte er Verantwortung abgeben und sich besser auf seine eigene Forschung konzentrieren.

Mit den immer besseren Daten und Modellen gelang es Hasselmanns Teams um die damalige Postdoktorandin Gabriele Hegerl und dem vormaligen Postdoktoranden Ben Santer in einer Reihe von bedeutenden Arbeiten schließlich, den „Fingerabdruck“ des Menschen nachzuweisen [Hasselmann1993, Hegerl1996, Santer1996, Hegerl1997, Hasselmann1997]. Diese wissenschaftlichen Veröffentlichungen arbeiteten schrittweise heraus, dass die von der Menschheit emittierten Treibhausgase unzweifelhaft für die Klimaerwärmung als beobachtbares Signal verantwortlich sind.

Neben der Klimaforschung war Hasselmann auch auf anderen Gebieten enorm produktiv. Ab Ende der 1970er-Jahre war er als wissenschaftlicher Berater an der Konzeption des Forschungssatelliten ERS-1 der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA beteiligt. Dieser Satellit sollte Ozeanwellen aus dem Orbit vermessen. 1991 wurde er gestartet und lieferte wertvolle, globale Daten, die unter anderem auch von einem Team bei Hasselmann ausgewertet wurden.

Die Meereswellen führten überdies zu einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit seiner Frau. Nach 15 Jahren Pause wegen ihrer drei Kinder hatte Susanne Hasselmann ihr unterbrochenes Diplom in Mathematik abgeschlossen und wollte nun zurück in die Forschung. In einem kleinen Team entwickelte das Paar das Wellenmodell WAM (für Wave Model) [WAMgroup1988]. Dieses Modell gelang so gut, dass es heute von vielen meteorologischen Instituten auf der Welt für operationelle Seegangsvorhersagen genutzt wird. Die Hasselmanns helfen so mit ihrer Arbeit nicht nur, Schiffe auf sicherem Kurs zu halten, die auf WAM basierenden Vorhersagen sind auch in der Surferszene populär geworden.

Klaus Hasselmann verlor auch nie den Kontakt zu den physikalischen Grundlagenfragen. Über die von ihm eingesetzten mathematischen Methoden gab es ohnehin viele Querverbindungen zu anderen Forschungsgebieten der Physik. Ein Beispiel sind die berühmten Feynman-Diagramme, die graphisch die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen beschreiben. Mathematisch verwandt damit sind die von Hasselmann erarbeiteten Wechselwirkungsregeln zwischen Wellen, die aufeinandertreffen.

Zu seinem 60. Geburtstag, hielt er zur Überraschung der Gäste, einen Vortrag über eine neue Teilchenphysik-Theorie, an der er schon länger arbeitete. Diese Metron-Theorie sollte einige fundamentale Schwächen überwinden, an welchen die existierenden physikalischen Quantenfeldtheorien aus Hasselmanns Sicht leiden. Nach seiner Emeritierung 1999 widmete er sich ganz seinem Metron-Projekt, bis heute. Doch der große Forscher, der mit einer beeindruckenden Intelligenz und Leichtfüßigkeit sein Leben lang äußerst erfolgreich zwischen unterschiedlichen Forschungsgebieten gesprungen ist – hier scheiterte er. Auch in diesem Punkt erinnert Hasselmanns Karriere ein wenig an jene von Albert Einstein, der seine letzten Forschungsjahrzehnte vergeblich in eine Feldtheorie investierte, die sich nicht durchsetzen konnte.

Allerdings gibt es auch einen entscheidenden Unterschied im Leben der beiden großen Wissenschaftler. Einstein vereinsamte im Alter zunehmend. Klaus Hasselmann hingegen wird von seinem großen Netzwerk an Freundschaften, das er über viele Jahrzehnte aufgebaut hat, getragen. Und er ist ein Familienmensch. Während der wegen des Corona-Lockdowns nur im kleinen Kreis abgehaltenen Zeremonie zur Verleihung des Nobelpreises für Physik konnte Bjorn Stevens amüsiert beobachten, wie Klaus Hasselmann sich viel lieber mit seinen Urenkeln beschäftigte.

Wer gute Argumente hatte, hatte nie Probleme mit dem „Kaiser“. Dieser Spitzname geht auf das souveräne und freundliche Auftreten Hasselmanns zurück, mit dem er Menschen schnell für sich einnehmen konnte. Ben Santer, der Ende der 1980er- bis in die frühen 1990er-Jahre am Max-Planck-Institut forschte berichtet in von Storchs Buch [Storch, S.144f] von einer gemeinsamen Flugreise mit Hasselmann zu einem wissenschaftlichen Treffen in Boulder, Colorado. Auf dem internationalen Flug nach Denver fragte Hasselmann das Flugpersonal, ob zwei ruhige Plätze in der Business Class frei wären – sie müssten an einer wichtigen wissenschaftlichen Forschung arbeiten. Mit seiner unvergleichlich souveränen Art bekam Hasselmann das Upgrade, obwohl beide eine Klasse drunter gebucht hatten. Auf diesem Flug entwarf Hasselmann die Grundlagen seines späteren „Fingerabdruck“-Papers, das 1997 erscheinen sollte [Hasselmann 1997].

Zu Hasselmanns Geselligkeit gehörte auch, dass er gemeinsam mit seiner Frau in Chören mitsang. Während seines Forschungsaufenthalts in La Jolla war es ein Madrigal-Chor, und später in Hamburg die Altonaer Singakademie. In die wurde auch auch Gerbrand Komen kurzerhand von den Hasselmanns eingeführt. Hasselmann hatte Komen für den Sommer 1983 als Gast ans Institut eingeladen, und wegen Wohnungsmangels hatten Hasselmanns ihn mitsamt Familie in ihrem Haus in Kayhude untergebracht. Nachdem Komens Familie wieder zurück in die Niederlande musste, wurde er von Hasselmanns in den Chor geholt, damit er seine Familie nicht so vermisst. Als er für ein Konzert einen schwarzen Anzug benötigte, lieh Hasselmann ihm seinen eigenen Hochzeitsanzug, der perfekt passte.

Diese Anekdote [Storch, S. 150] sagt viel über Klaus Hasselmann als Freund und Familienmensch aus. Seine eigene Familie hatte es allerdings nicht immer leicht mit dem hochaktiven Wissenschaftsnomaden. Susanne Hasselmann berichtet in von Storchs Buch [Storch, S. 117ff] von einer Party in Hamburg, auf der jeder Gast sich mit einer Zeichnung vorstellen sollte. Klaus Hasselmann zeichnete sich als einen Mann, der Pfeife rauchend in einem Schaukelstuhl über den Globus reist. Susanne Hasselmann ergänzte sich danach als Anhängsel, mit einer Hand den Stuhl umklammernd, mit der anderen Hand die drei Kinder und einen Koffer hinter sich herziehend. Und doch beschreibt sie im Rückblick die Zeit an seiner Seite als „das reichste Leben, das man sich überhaupt erträumen kann“.

Klaus Hasselmanns Reiselust und Weltläufigkeit mag auch in seiner Kindheit begründet sein. 1934 emigrierten seine Eltern vor den Nazis nach England, wo er seine Schulzeit verbrachte. Erst 1949 kehrte die Familie nach Hamburg zurück. Das formte einen Weltbürger, für den es selbstverständlich war, auf Achse zu sein. „Er war nie da, immer unterwegs“, erzählt Dirk Olbers: „Und wenn er wiederkam, hielt er Seminarvorträge, bei denen immer etwas Neues dabei war.“ Diese anregende Atmosphäre um Hasselmann verlangte allerdings auch Diszipliniertheit, so Olbers: „Man musste aufpassen, dass man bei seinem eigenen Thema bleibt.“ Doch dadurch kamen brachte Hasselmann auch immer neue Impulse in seine Arbeitsgruppen, sodass diese bestens informiert über die neuesten wissenschaftlichen Trends war.

Gabriele Hegerl, die heute als Professorin für Klimaforschung an der University of Edinburgh lehrt und als Postdoktorandin maßgeblich an Hasselmanns wichtigen „Fingerabdruck“-Arbeiten mitgearbeitet hat, hat drei essenzielle praktische Dinge des Lebens von ihm gelernt [Storch, S. 137ff]. Diese seien hier zum Schluss aufgeführt, weil sie Hasselmanns Persönlichkeit treffend beschreiben. Die erste Lehre ist die Genauigkeit beim Ausarbeiten von wissenschaftlichen Papers. Von Storchs Buch ist voll von Anekdoten darüber, wie Hasselmann Entwürfe für wissenschaftliche Veröffentlichungen bis zur letzten Minute zerpflückte und umschreiben ließ, bis er endlich zufrieden war. Dazu passt nahtlos die Lehre Nummer Zwei, wichtige Dinge „richtig gut“ zu machen.

Die dritte Lehre ist, dass die Forschung und das Leben eine Fülle von Möglichkeiten bieten. Drohe man in einer Sache stecken zu bleiben, so solle man „etwas Verrücktes“ versuchen. Dies beschreibt ein weiteres Charaktermerkmal von Hasselmann, seinen Optimismus. Dieser Optimismus gilt auch für die Menschheit insgesamt in herausfordernden Zeiten. Hasselmann geht davon aus, dass die Menschheit nicht nur das Problem des Klimawandels anerkennt, sondern auch Lösungen findet.

Dieser Artikel beruht auf Interviews, die der Autor mit Weggefährten und Klimaforschern geführt hat, sowie in wichtigen Passagen auf Hans von Storchs Buch „From Decoding Turbulence to Unveiling the Fingerprint of Climate Change: The Science of Klaus Hasselmann“.