Unsere Geschichte – 50 Jahre Klimaforschung

Vor dem Hintergrund umweltpolitischer Debatten der 1970er-Jahre, die sowohl in Deutschland als auch global geführt werden, soll innerhalb der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ein meteorologisches Institut entstehen, das sich der Klimaforschung widmet. Zwar gibt es in der MPG mit dem MPI für Chemie in Mainz und dem MPI für Aeronomie in Katlenburg-Lindau bereits Institute, die sich mit Teilaspekten der Erdatmosphäre auseinandersetzen, eine Neugründung soll jedoch den Anschluss an die internationale Erdsystemforschung gewährleisten, der Deutschland um rund ein Jahrzehnt hinterherhinkt. Früh ist auch klar, dass in dem zu gründenden Institut Computermodelle eine wichtige Rolle spielen sollen.

Am 1. Februar 1975 nimmt Klaus Hasselmann seine Tätigkeit als Direktor des MPI für Meteorologie auf. Zwei Monate später fangen auch die Mitarbeiter*innen an. Sie sollen zunächst für fünf Jahre im neu gebauten Geomatikum unterkommen, einem Hochhaus der Universität. Der Hamburger Senat stimmt der Errichtung des MPI für Meteorologie am 20. Mai 1975 zu. Das Votum der Bürgerschaft lässt länger auf sich warten: Diese schaltet zunächst den Haushaltsausschuss ein, da unklar ist, wo das MPI für Meteorologie nach den fünf Jahren einzieht, und ob durch einen möglichen Verbleib im Geomatikum Folgekosten für die Hansestadt entstehen. So dauert es bis zum 27. November des Jahres, bis auch die Hamburger Bürgerschaft den Weg zur Errichtung des MPI für Meteorologie frei macht.

Anders als von Klaus Hasselmann ursprünglich vorgeschlagen, erhält das MPI für Meteorologie anfänglich nur zwei Abteilungen. Während Hasselmann seine Abteilung „Physik des Meeres und Klimadynamik“ neu aufbaut, besteht die zweite Abteilung „Physik der Atmosphäre“ aus der Gruppe „Maritime Meteorologie“ des vormaligen Fraunhofer-Instituts. Als Leiter dieser Abteilung und Direktor im Nebenamt wird im März 1976 Hans Hinzpeter berufen, Ordinarius für Allgemeine Meteorologie an der Universität Hamburg. Sein Team untersucht Prozesse zwischen dem Ozean und der Atmosphäre sowie die Wechselwirkungen zwischen Wolken, Aerosolen, Wasserdampf und Strahlung durch Beobachtungen und Experimente. Hasselmanns Abteilung entwickelt unter anderem stochastische Klimamodelle, die beobachtete natürliche Klimaschwankungen erklären sollen.

In einem gemeinsamen Berufungsverfahren suchen die Max-Planck-Gesellschaft und die Universität Hamburg ab Mitte der 1980er-Jahre einen Nachfolger für Hans Hinzpeter. Die Wahl fällt auf dessen ehemaligen wissenschaftlichen Mitarbeiter Hartmut Graßl, der seit 1984 das Institut für Physik am GKSS-Forschungszentrum Geesthacht leitet. Hinzpeter und Graßl arbeiten ab 1. April 1988 zunächst gemeinsam am MPI für Meteorologie, bis der von der Universität bereits emeritierte Hinzpeter zum 31. Januar 1989 auch als MPI-Direktor ausscheidet. In der Folge baut Graßl die nun „Klimaprozesse“ genannte Abteilung aus und nutzt verstärkt Methoden der Fernerkundung mit Satelliten.

Am 9. August 1989 beschließt der Hamburger Senat die Errichtung eines „Zentrums für Marine und Atmosphärische Wissenschaften“ (ZMAW). In dem dafür vorgesehenen Gebäude soll neben dem deutlich erweiterten Institut für Meereskunde der Universität auch das MPI für Meteorologie unterkommen. Dank dieser Aussicht geht der lang gehegte Wunsch nach einer weiteren Abteilung für „Theoretische Klimamodellierung“ in Erfüllung: Am 15. März 1990 beruft der Senat der Max-Planck-Gesellschaft den schwedischen Meteorologen und Direktor am Europäischen Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF), Lennart Bengtsson, als Direktor und Leiter der dritten Abteilung ans MPI für Meteorologie. Bengtsson tritt seine Stelle am 1. Januar 1991 offiziell an. Seine Abteilung entwickelt das damals genutzte numerische Wettervorhersagemodell des ECMWF weiter zu einem Allgemeinen Zirkulationsmodell und verbessert die Darstellung relevanter Prozesse. Der Name des Modells, ECHAM, setzt sich aus dessen Herkunft (ECMWF) und dem Standort Hamburg zusammen.

Die erfolgreiche Entwicklung gekoppelter Atmosphäre-Ozean-Modelle erlaubt es 1996 einer Gruppe um die Forscherin Gabi Hegerl, die 1979 von Hasselmann entwickelte Methode anzuwenden, um den Einfluss des Menschen auf das Klima der Erde zu beweisen. Die Wissenschaftler*innen vergleichen Berechnungen, die den Einfluss des Menschen berücksichtigen, mit solchen, die das nicht tun, und zeigen: Die Wahrscheinlichkeit, dass der beobachtete Temperaturanstieg allein natürlichen Faktoren zuzuordnen sei, liegt unter fünf Prozent. Heute ist der Wert noch geringer.

Unter zwei Bedingungen kann die Max-Planck-Gesellschaft Guy Brasseur vom US-amerikanischen National Center for Atmospheric Research (NCAR) als Nachfolger Klaus Hasselmanns gewinnen: Erstens mit der Zusage, die Rechenkapazitäten auszubauen und zweitens, indem sie dem Institut ein eigenes Gebäude in Aussicht stellt. Brasseur ist Atmosphärenchemiker und bringt damit einen neuen Schwerpunkt mit ans Institut: Mit ihm vollzieht sich der Übergang von der physikalischen Atmosphäre-Ozean-Modellierung zur umfassenden Erdsystembetrachtung. Brasseur passt zudem innerhalb des Instituts Strukturen und Prozesse an und trägt damit erheblich zu dessen Modernisierung bei.

Im Zuge der Gründung von Graduiertenschulen innerhalb der Max-Planck-Gesellschaft richten auch das MPI für Meteorologie und die Universität Hamburg unter der Beteiligung weiterer Forschungseinrichtungen im April 2002 die International Max Planck Research School on Earth System Modelling (IMPRS-ESM) ein. Guy Brasseur wird der erste Sprecher des Graduiertenprogramms. Als Jochem Marotzke 2003 zum Institut stößt, gestalten er und Brasseur die Schule gemeinsam auf der Grundlage von Praktiken in den USA und im Vereinigten Königreich. Die international ausgerichtete Schule bietet Promovierenden ein strukturiertes Programm und begleitet ihre Fortschritte durch regelmäßige Arbeitstreffen. Nahezu zeitgleich wird auch die IMPRS for Maritime Affairs gegründet, eine Kooperation zwischen der Universität Hamburg und den Hamburger Max-Planck-Instituten für Meteorologie und für Ausländisches und Internationales Privatrecht sowie dem Heidelberger MPI für Ausländisches Öffentliches Recht und Völkerrecht. Sie besteht bis 2014, die IMPRS-ESM ist heute nach wie vor ein fester Bestandteil der Promovierendenausbildung am MPI für Meteorologie.

Das Eingehen auf Guy Brasseurs Forderung, das MPI für Meteorologie müsse ein eigenes Gebäude bekommen, wird möglich durch die Zusammenarbeit mit der Stadt Hamburg. Sie errichtet mit einem Zuschuss vom Bund ein Gebäude für das 1989 beschlossene Zentrum für Marine und Atmosphärische Wissenschaften (ZMAW). Die Max-Planck-Gesellschaft beteiligt sich indirekt an der Finanzierung, indem sie einen Mietvertrag mit der Stadt auf 99 Jahre schließt und einen erheblichen Anteil an den Mietkosten im Voraus entrichtet. Der Grundstein wird 2001 gelegt, im Februar 2004 können Teile des Instituts umziehen und im Juni 2004 wird das Gebäude feierlich eröffnet. Der Behelfsbau Pavillon muss indes trotzdem bleiben, da der Platz im Gebäude nicht für alle Abteilungen ausreicht.

Das Atmosphärenmodell ECHAM des MPI für Meteorologie ist um die Jahrtausendwende mit großem Erfolg im Einsatz. Dennoch stößt es auch an Grenzen, insbesondere im Hinblick auf seine Eignung für neu entstehende Rechentechnologien und seine Fähigkeit, für die Entwicklung des Klimasystems wichtige Erhaltungssätze darzustellen. Unter Guy Brasseur stoßen Wissenschaftler*innen, darunter Marco Giorgetta und Luis Kornblueh, daher eine Neuorientierung der Modellierung an. Brasseur initiiert die Gründung des Netzwerks Community Earth System Models (COSMOS) im Mai 2003. Außerdem lädt er den Mathematiker Luca Bonaventura ans MPI für Meteorologie ein. Dieser überprüft, ob sich ein platonischer Körper, der Ikosaeder, als Basis für ein neues, aus Dreiecken statt aus Rechtecken bestehendes Modellgitter nutzen lässt. Das 2005 publizierte Ergebnis ist positiv. Gemeinsam mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD), der ebenfalls seit 1999 ein Wettervorhersagemodell mit einem Dreiecksgitter betreibt, soll auf dieser Basis ein einheitliches Modell für Wettervorhersage und Klimasimulationen entstehen. Es folgen Jahre intensiver Entwicklungsarbeit, an deren Ende das Modell „ICON“ steht – bis heute das wichtigste Werkzeug des MPI für Meteorologie.

2007 bewilligt die Deutsche Forschungsgemeinschaft den Exzellenzcluster „Integrated Climate System Analysis and Prediction“ (CliSAP) an der Universität Hamburg. Beantragt wurde er von den Universitätsinstituten des Zentrums für Marine und Atmosphärische Wissenschaften, dem MPI für Meteorologie, dem Institut für Küstenforschung des Helmholtz-Zentrums Hereon und dem Deutschen Klimarechenzentrum. Martin Claußen ist der erste CliSAP-Sprecher. Im Rahmen des Exzellenzclusters und seines Nachfolgers „Klima, Klimawandel und Gesellschaft“ (CLICCS) erforschen Wissenschaftler*innen bis heute den globalen Wandel durch interdisziplinäre Zusammenarbeit: Beteiligt sind neben der Meteorologie, Meereskunde oder Ökologie beispielsweise auch Sozial- und Wirtschaftswissenschaften.

Nach jahrelanger Entwicklungsarbeit verfügt das MPI für Meteorologie mit dem gekoppelten Erdsystemmodell MPI-ESM über ein umfassendes Werkzeug, mit dem sich das Klimasystem untersuchen lässt. Das Modell enthält neben der Atmosphäre, Land und Ozean auch einen interaktiven Kohlenstoffkreislauf in allen Komponenten. Die Ergebnisse fließen unter anderem in die Berichte des Weltklimarates ein. Darüber hinaus untersuchen Forschende ab 2008 im Rahmen des Millennium-Projekts die Schwankungen des Klimas in der Vergangenheit – und zwar über einen Zeitraum von 1200 Jahren. Es ist eine Arbeit, an der sich nahezu das ganze Institut beteiligt, und die erstmalige Nutzung eines umfassenden Erdsystemmodells auf einer Jahrtausend-Zeitskala. Als externe Antriebe des Klimasystems berücksichtigt das Modell neben der Sonnenaktivität oder Vulkanausbrüchen auch die veränderte Landnutzung und Kohlendioxid-Emissionen durch den Menschen. Die 2010 veröffentlichten Ergebnisse demonstrieren die Aussagekraft des MPI-ESM: Die vom Modell simulierten Entwicklungen der Temperatur und des atmosphärischen Kohlendioxids des vorangegangenen Jahrtausends deckt sich mit Beobachtungen – inklusive der menschengemachten Erwärmung im 20. Jahrhundert.

Im Januar 2001 reichen die Max-Planck-Gesellschaft und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam einen Antrag für ein Forschungsflugzeug mit dem Namen HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) beim Bundeministerium für Bildung und Forschung ein. Es soll herausragende Eigenschaften wie eine besonders hohe Nutzlast, große Flughöhe und einer außergewöhnlichen Reichweite habe. Im September 2004 steht fest, dass das Ministerium das Vorhaben finanzieren wird. Nach den notwendigen Umbauten, Zulassungen und Testflügen absolviert HALO im September 2010 seinen ersten wissenschaftlichen Flug. Das MPI für Meteorologie nutzt HALO seit 2013 regelmäßig für Messflüge. Dafür trägt es das Instrumentenpaket HAMP (HALO Microwave Package), welches in Zusammenarbeit mit der Universität Hamburg und dem Institut für Physik der Atmosphäre am DLR speziell für die Beobachtung von Wolken entwickelt wurde – in Erwartung eines neuen Satelliten namens EarthCARE, der gleichzeitig gebaut wird.

Jochem Marotzke initiiert 2007 die Einrichtung eines nationalen Programms zur dekadischen Klimaprognose – MiKlip – und leitet dieses von 2011 bis 2019. Ziel ist es, ein Prognosesystem zu entwickeln und zu operationalisieren. Das bedeutet: Das Vorhersagetool wird an den Deutschen Wetterdienst (DWD) übertragen, um die Lücke zwischen kurzfristigen Wettervorhersagen und saisonalen Vorhersagen auf der einen Seite und den langfristigen Klimaprojektionen auf der anderen Seite zu schließen. Seit 2020 führt der DWD diese dekadischen Vorhersagen durch und liefert damit wichtige Informationen für politische Entscheider*innen.

Im Jahr 2021 verleiht die Königliche Schwedische Akademie der Wissenschaften den Nobelpreis für Physik „für bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis komplexer physikalischer Systeme“. Eine Hälfte des Preises geht an Klaus Hasselmann und Syukuro Manabe „für die physikalische Modellierung des Erdklimas, die Quantifizierung der Variabilität und die zuverlässige Vorhersage der globalen Erwärmung“, die andere Hälfte an Giorgio Parisi. Das Nobelpreiskomitee würdigt mit der Auszeichnung unter anderem Hasselmanns Arbeiten zu stochastischen Klimamodellen und den Nachweis, dass die Menschheit das Klima der Erde verändert. Nach der Bekanntgabe der Nobelpreisträger im Oktober 2021 inmitten der Covid-19-Pandemie empfangen die Mitarbeitenden des MPI für Meteorologie den ehemaligen Direktor mit stehendem Beifall im ZMAW-Gebäude. Hasselmann nimmt die Auszeichnung am 7. Dezember 2021 im Harnack-Haus in Berlin entgegen.

Als Nachfolgerin von Martin Claußen, der 2021 emeritiert wird, kann das MPI für Meteorologie die südkoreanisch-amerikanische Atmosphärenforscherin Sarah M. Kang gewinnen. Diese hat sich in der Klimaforschung mit theoretischen und Modellierungsstudien profiliert, die die Reaktion des Klimasystems auf die globale Erwärmung untersuchen. Sie wird am 15. August 2023 Direktorin am MPI für Meteorologie und ist die erste Frau in dieser Position. Auch inhaltlich formiert sich das Institut neu: Statt der Aufteilung Land – Ozean – Atmosphäre gibt es nun die Abteilungen Klimadynamik (Sarah Kang), Klimaphysik (Bjorn Stevens) und Klimavariabilität (Jochem Marotzke). So soll das Klimasystem als Ganzes aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht werden.

Für Messungen von Gewitterwolken und Luftmassenbewegungen im tropischen Atlantik plant das MPI für Meteorologie unter der Federführung von Bjorn Stevens eine weitere Kampagne. Zunächst soll es vor allem um Messungen mit dem Forschungsflugzeug HALO sowie um eine Schiffskampagne gehen. Die Planungen ziehen aber immer weitere Kreise: Der Kampagnenstart verzögert sich aufgrund der Pandemie und fällt nun mit dem Start des EarthCARE-Satelliten zusammen, sodass weitere Projektpartner hinzukommen. Im August und September 2024 finden schließlich acht koordinierte Teilkampagnen im Rahmen der Expedition ORCESTRA statt. Beteiligt sind mehr als 200 Wissenschaftler*innen und Techniker*innen von mehr als 40 Institutionen.