Syukuro Manabe und die ersten computergestützten Ozean-Atmosphäre-Klimamodelle

Im Tokio der Nachkriegszeit traf Syukuro Manabe eine bewusste Entscheidung: Er kehrte der medizinischen Tradition seiner Familie den Rücken. Manabe wurde am 21. September 1931 im Dorf Shingu in der japanischen Präfektur Ehime geboren und wuchs mit der Erwartung auf, wie sein Vater und sein Großvater Arzt zu werden. Beide hatten als einzige Dorfärzte in ihrer Bergregion auf Shikoku praktiziert. Während seines Studiums an der Universität Tokio gestand sich Manabe jedoch eine entscheidende persönliche Schwäche ein: Wann immer ein medizinischer Notfall eintrat, schoss ihm das Blut in den Kopf und er geriet in Panik. Da er erkannte, dass ihm das Temperament für die klinische Medizin fehlte, richtete er seinen Blick nach oben auf die Erforschung der Atmosphäre.

Ein Kurswechsel weg von der Medizin im Tokio der Nachkriegszeit

Wie die Nobelpreis-Organisation berichtet, schloss sich Manabe der Meteorologie-Forschungsgruppe von Professor Shigekata Shono an der Universität Tokio an. Er erwarb 1953 seinen Bachelor-Abschluss, gefolgt von einem Master-Abschluss im Jahr 1955 und der Promotion zum Doktor der Naturwissenschaften im Jahr 1959. Statt menschliche Leiden zu diagnostizieren, widmete Manabe seine Jahre als Doktorand der Erforschung der physikalischen Dynamik, die das globale Wetter prägt. Damit legte er den Grundstein für eine Forscherkarriere, die darauf ausgerichtet war, atmosphärische Physik in Computerberechnungen zu übersetzen.

Auswanderung und frühe Atmosphärenmodellierung bei der NOAA

Im Jahr 1959, unmittelbar nach Abschluss seiner Promotion, zog Manabe in die Vereinigten Staaten, um in der Abteilung für allgemeine Zirkulationsforschung (General Circulation Research Section) des US-Wetterbureaus zu arbeiten. Aus dieser Organisation ging später das Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) hervor. Manabe arbeitete zunächst in Washington, D.C. und später in Princeton, New Jersey, wo er mit dem ersten Direktor des GFDL, Joseph Smagorinsky, zusammenarbeitete. Gemeinsam entwickelten sie auf frühen Großrechnern digitale dreidimensionale Modelle der globalen atmosphärischen Zirkulation.

Vom eindimensionalen Strahlungsmodell zu gekoppelten Ozean-Atmosphäre-Systemen

Mitte der 1960er-Jahre begann Manabe zu isolieren, wie einzelne atmosphärische Komponenten das thermische Gleichgewicht der Erde beeinflussen. 1967 veröffentlichten Manabe und Richard Wetherald eine bahnbrechende Arbeit, in der sie ein eindimensionales Strahlungs-Konvektions-Modell der Atmosphäre vorstellten, das die Rückkopplung durch Wasserdampf berücksichtigte. Ihre Simulationen enthüllten einen klaren physikalischen Mechanismus: Ein Anstieg des Kohlendioxids in der Atmosphäre erhöhte die Temperaturen an der Erdoberfläche sowie in der Troposphäre und kühlte gleichzeitig die obere Atmosphäre, die Stratosphäre, ab. Auf diesem eindimensionalen Fundament aufbauend schloss sich Manabe 1969 mit dem Ozeanografen Kirk Bryan zusammen, um die ersten Klimasimulationen mit gekoppelten Ozean-Atmosphäre-Modellen zu veröffentlichen, die Gleichungen der atmosphärischen Zirkulation mit der Dynamik der Ozeanzirkulation kombinierten.

Dreidimensionale CO2-Verdopplungssimulationen und nachhaltiger globaler Einfluss

Manabe und Wetherald erweiterten ihr rechnerisches Framework im Jahr 1975 und veröffentlichten die ersten dreidimensionalen globalen Klimasimulationen, die die Reaktionen auf eine Verdopplung des atmosphärischen Kohlendioxids bewerteten. Ihr Modell simulierte erfolgreich die breiten Temperaturveränderungen und Verschiebungen im Wasserkreislauf, die durch erhöhte Kohlendioxidwerte verursacht werden, und schuf damit das moderne rechnerische Fundament für die Erforschung der Treibhauserwärmung.

Die NOAA würdigte Manabes Arbeit als einen der zehn größten Durchbrüche in der 200-jährigen Geschichte der Behörde. Manabe erhielt für seine Leistungen die eine Hälfte des Nobelpreises für Physik des Jahres 2021, die er sich mit Klaus Hasselmann teilte. Seine numerischen Modelle schufen die grundlegende Vorlage für die Klimavorhersage und demonstrierten zuverlässig, wie steigendes Kohlendioxid in der Atmosphäre das thermische Gleichgewicht und die hydrologischen Systeme der Erde verändert.

Titelbild: KI-generierte Illustration; kein Dokumentarfoto.

Quelle: Nobel Prize Syukuro Manabe