Geographie · Klasse 12 · Klimawandel und Naturrisiken · 2. Halbjahr

Klimamodelle und Szenarien

Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten die Funktionsweise von Klimamodellen und interpretieren verschiedene Klimaszenarien für die Zukunft.

• KMK Bildungsstandards
• STD.SYSTEM
• STD.PHYSIK

Über dieses Thema

Klimamodelle simulieren die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozeanen, Land und Eis, um zukünftige Entwicklungen des Klimas zu prognostizieren. Schülerinnen und Schüler in Klasse 12 erarbeiten die Grundlagen: physikalische Gleichungen für Strahlung, Konvektion und Dynamik werden in Gitterräumen diskretisiert und iterativ berechnet. Sie lernen, wie globale Modelle wie GCMs (General Circulation Models) mit regionalen Modellen gekoppelt werden. Dies entspricht den KMK-Standards für Systemverständnis und Physik, da Energieflüsse und Rückkopplungen im Fokus stehen.

Lernende interpretieren Emissionsszenarien wie die RCPs (Representative Concentration Pathways): RCP 2.6 beschreibt starke Reduktionen mit begrenztem Erwärmung, RCP 8.5 ein hohes Emissionsszenario mit dramatischen Folgen. Sie analysieren Unterschiede in Temperatur, Meeresspiegelanstieg und Extremereignissen. Unsicherheiten durch Parameterisierungen feiner Prozesse, Anfangbedingungen und Szenarioannahmen werden bewertet, was probabilistisches Denken schult.

Aktives Lernen ist hier ideal, weil abstrakte Simulationen durch interaktive Tools, Gruppendiskussionen und eigene Modellversuche konkret werden. Schüler testen Szenarien selbst, entdecken Grenzen und entwickeln fundiertes Urteilsvermögen.

Leitfragen

1. Erklären Sie die Grundlagen und die Funktionsweise von Klimamodellen.
2. Analysieren Sie die Unterschiede zwischen verschiedenen Emissionsszenarien (z.B. RCPs) und deren Implikationen.
3. Bewerten Sie die Unsicherheiten und Grenzen von Klimamodellen bei der Vorhersage zukünftiger Entwicklungen.

Lernziele

• Erklären Sie die physikalischen Prinzipien, die Klimamodellen zugrunde liegen, einschließlich Strahlungstransfer und hydrodynamischer Gleichungen.
• Analysieren Sie die Unterschiede und Konsequenzen von mindestens zwei verschiedenen Emissionsszenarien (z.B. RCP 2.6 und RCP 8.5) hinsichtlich globaler Temperaturveränderungen und Meeresspiegelanstieg.
• Bewerten Sie die Unsicherheiten und Grenzen von Klimamodellen, indem Sie die Auswirkungen von Parameterisierungen und Anfangsbedingungen auf Modellprojektionen diskutieren.
• Vergleichen Sie die Vorhersagen von globalen Klimamodellen (GCMs) mit denen von regionalen Klimamodellen (RCMs) hinsichtlich räumlicher Auflösung und Anwendungsbereichen.

Bevor es losgeht

Grundlagen der Physik: Strahlung und Energieerhaltung

Warum: Ein Verständnis von Strahlungstransfer und Energieerhaltung ist essenziell, um die Funktionsweise von Klimamodellen zu begreifen.

Dynamische Prozesse in der Atmosphäre

Warum: Grundkenntnisse über atmosphärische Zirkulation und Wetterphänomene sind notwendig, um die Simulationen in Klimamodellen nachvollziehen zu können.

System Erde: Wechselwirkungen der Teilsysteme

Warum: Das Verständnis, dass Atmosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre und Biosphäre miteinander interagieren, bildet die Basis für das Verständnis komplexer Klimamodelle.

Schlüsselvokabular

Klimamodell	Ein computergestütztes System, das die physikalischen Prozesse der Erdatmosphäre, Ozeane, Landflächen und des Eises simuliert, um zukünftige Klimazustände vorherzusagen.
Emissionsszenario	Eine plausible Annahme über die zukünftige Entwicklung von Treibhausgasemissionen, die als Eingabe für Klimamodelle dient, um mögliche zukünftige Klimazustände abzuschätzen.
Repräsentative Konzentrationspfade (RCPs)	Eine Reihe von standardisierten Szenarien für zukünftige Treibhausgaskonzentrationen, die von Klimaforschern weltweit verwendet werden, um Klimamodelle zu vergleichen.
Parameterisierung	Die Annäherung von Prozessen in Klimamodellen, die zu kleinräumig sind, um direkt aufgelöst zu werden, wie z.B. Wolkenbildung, durch vereinfachte Beziehungen zu größeren Modellvariablen.
Rückkopplungseffekte	Prozesse im Klimasystem, bei denen eine Änderung eine weitere Änderung auslöst, die entweder die ursprüngliche Änderung verstärkt (positive Rückkopplung) oder abschwächt (negative Rückkopplung).

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Klimamodelle liefern exakte Vorhersagen für die Zukunft.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Modelle prognostizieren Wahrscheinlichkeiten basierend auf Szenarien, nicht Determinismen. Aktive Ansätze wie Simulationsversuche helfen, da Schüler eigene Modelle kalibrieren und Unsicherheiten durch Variationen erleben, was abstrakte Konzepte greifbar macht.

Häufige Fehlvorstellung

Alle RCP-Szenarien sind gleich wahrscheinlich.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Szenarien sind hypothetisch und hängen von Politik ab; RCP 8.5 ist unwahrscheinlich geworden. Gruppendebatten fördern dies, indem Schüler aktuelle Trends analysieren und Implikationen diskutieren, um Fehleinschätzungen zu korrigieren.

Häufige Fehlvorstellung

Klimamodelle ignorieren menschliche Faktoren.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Emissionen und Landnutzung sind zentrale Eingaben. Interaktive Szenarioanalysen zeigen dies: Schüler verändern Parameter selbst und sehen Auswirkungen, was systemisches Verständnis durch Handeln vertieft.

Ideen für aktives Lernen

Lernen an Stationen: Modellkomponenten

Richten Sie Stationen ein: Atmosphäre (Strahlungsexperimente mit Lampen), Ozean (Wärmetransport in Wasserbecken), Land (Rückkopplungen mit Pflanzenmodellen), Kopplung (verbundene Systeme). Gruppen rotieren alle 10 Minuten, notieren Beobachtungen und erklären Funktionsweisen.

45 Min.·Kleingruppen

Gruppenvergleich: RCP-Szenarien

Teilen Sie Karten mit RCP-Daten aus (Temperaturkurven, Meeresspiegel). Gruppen vergleichen RCP 2.6 und 8.5, identifizieren Implikationen und präsentieren. Schüler bewerten Wahrscheinlichkeiten basierend auf aktuellen Politiken.

50 Min.·Kleingruppen

Debatte: Modellunsicherheiten

Formen Sie Pro- und Kontra-Teams zu Themen wie Parameterunsicherheiten. Jede Seite argumentiert mit Beispielen aus IPCC-Berichten, Gegenseite kontert. Abschließende Plenumdiskussion synthetisiert.

40 Min.·Ganze Klasse

Einfache Simulation: Excel-Modell

Schüler bauen in Excel ein lineares Klimamodell mit Temperaturfeedback. Variieren Sie Parameter wie CO2-Emissionen, plotten Kurven für Szenarien und diskutieren Abweichungen zu realen Modellen.

60 Min.·Partnerarbeit

Bezüge zur Lebenswelt

• Klimaforscher am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) nutzen und entwickeln fortschrittliche Klimamodelle, um die Auswirkungen des Klimawandels auf Deutschland und andere Regionen zu untersuchen und Entscheidungsträgern Handlungsempfehlungen zu geben.
• Versicherungsunternehmen wie die Munich Re analysieren Klimaszenarien, um das Risiko von Naturkatastrophen wie Überschwemmungen und Stürmen besser einschätzen und entsprechende Versicherungsprodukte entwickeln zu können.
• Stadtplaner in Metropolen wie Hamburg berücksichtigen Klimamodellprojektionen für zukünftige Hitzewellen und Starkregenereignisse, um resiliente Infrastrukturen und Grünflächenkonzepte zu entwickeln.

Ideen zur Lernstandserhebung

Diskussionsfrage

Teilen Sie die Klasse in Kleingruppen auf. Geben Sie jeder Gruppe ein anderes Emissionsszenario (z.B. RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 8.5). Lassen Sie die Gruppen die Hauptunterschiede dieses Szenarios zu den anderen identifizieren und präsentieren Sie dann die erwarteten Auswirkungen auf die globale Durchschnittstemperatur und den Meeresspiegelanstieg bis 2100.

Lernstandskontrolle

Bitten Sie die Schülerinnen und Schüler, auf einer Karteikarte eine Hauptunsicherheit bei Klimamodellen zu benennen und kurz zu erklären, wie diese Unsicherheit die Vorhersagegenauigkeit beeinflussen könnte. Nennen Sie außerdem ein Beispiel für einen Prozess, der parametrisiert werden muss.

Kurze Überprüfung

Stellen Sie eine Reihe von Aussagen über Klimamodelle und Szenarien (z.B. 'Klimamodelle simulieren nur die Atmosphäre.', 'RCP 8.5 repräsentiert ein optimistisches Klimaszenario.'). Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler mit 'wahr' oder 'falsch' antworten und bitten Sie sie, bei mindestens zwei falschen Aussagen die Korrektur zu formulieren.

Häufig gestellte Fragen

Was sind Klimamodelle und wie funktionieren sie?

Klimamodelle sind numerische Simulationen, die physikalische Prozesse wie Strahlung, Konvektion und Ozeanströmungen auf Gittern berechnen. Sie integrieren über Jahre und koppeln Kompartimente der Erde. Schüler lernen dies durch Vereinfachungen: Energiebilanzen werden iterativ gelöst, um Erwärmung zu prognostizieren. Praktische Übungen mit Tools machen den Rechenprozess nachvollziehbar.

Was bedeuten die RCP-Szenarien?

RCPs sind standardisierte Pfade für Treibhausgasemissionen bis 2100. RCP 2.6 zeigt starke Minderung mit 2 W/m² Strahlungsforcierung, RCP 8.5 hohe Emissionen mit über 8 W/m². Sie dienen Modellvergleichen; Implikationen reichen von 1,5°C bis 4°C Erwärmung. Schüler analysieren Graphen, um Risiken wie Extremwetter zu bewerten.

Wie kann aktives Lernen Klimamodelle verständlich machen?

Aktives Lernen macht Modelle greifbar: Schüler bauen Excel-Simulationen, testen Parameter und sehen Rückkopplungen. Stationen mit physischen Experimenten illustrieren Komponenten, Debatten klären Unsicherheiten. Solche Methoden fördern Systemdenken, da Lernende selbst experimentieren, Fehler entdecken und Implikationen diskutieren. Dies steigert Retention und kritisches Bewerten.

Welche Unsicherheiten haben Klimamodelle?

Unsicherheiten entstehen durch Parameterisierungen (z.B. Wolken), Anfangszustände und Szenarioannahmen. Subgrid-Prozesse werden approximiert, was Bandbreiten erzeugt. Schüler bewerten dies probabilistisch: Ensemble-Läufe zeigen Variabilität. Diskussionen aktueller IPCC-Ergebnisse helfen, Grenzen realistisch einzuschätzen und Politikempfehlungen abzuleiten.