In den Tropen, entlang des Himmelsbandes in Äquatornähe, bestimmen Wolken und Wind das Geschehen. Es sind üppige Wolken, die sich zu Agglomerationen zusammenballen und wieder auflösen und die, soweit Wolken das ausmachen, lange überleben können. Im Sommer, wenn das Meer besonders heiß ist, können sie sich hoch auftürmen und Hurrikane hervorbringen; zu jeder Jahreszeit treibt das Verhalten tropischer Wolkensysteme die globale Luftzirkulation an und bestimmt das Wetter auf der ganzen Welt. Und dennoch bleiben Wolken einer der am wenigsten verstandenen – oder am wenigsten zuverlässig vorhersagbaren – Faktoren in unseren Klimamodellen. „Sie gehören zu den größten Unsicherheiten bei der Vorhersage des zukünftigen Klimawandels“, sagte mir Da Yang, ein Atmosphärenwissenschaftler an der Universität von Chicago.
Yang ist ein Cloud-Experte – ein Cloud-Typ, der sich von ihren Geheimnissen angezogen fühlt. Er ist vor Kurzem von Kalifornien nach Chicago gezogen, wo er jeden Tag viel mehr Wolken zu sehen bekommt. „Ich finde, Wolken sind wunderschön anzusehen“, sagte er. „Wenn ich ein Flugzeug nehme und Wolken unter mir oder in der Ferne sehe, bin ich immer wieder fasziniert, wie vielfältig die Cloud-Organisationen sind. Wie sie miteinander interagieren …“ Er verstummte. Wolken sind komplex und flüchtig, was es schwierig macht, sie vollständig zu verstehen. Yang listete für mich wichtige Aspekte von Wolken auf, für die wir noch kein umfassendes Verständnis haben: wie sie entstehen, was ihre räumliche Ausdehnung bestimmt, wie lange sie bestehen können. „Das klingt nach einfachen Fragen“, sagte er, „aber sie stehen tatsächlich an der Spitze des Forschungsgebiets.“
Das Wolkenproblem plagt Klimamodelle seit jeher. Obwohl diese Modelle viele Aufgaben außerordentlich gut erfüllen – sie verstehen die Energiebilanz des Planeten und beschreiben die Erwärmungskurve aufgrund der vom Menschen verursachten Treibhausgase –, scheinen sie die Wolken nicht richtig zu berechnen. Modelle erstellen manchmal Wolkenprognosen, die schlicht falsch sind, und manche Modelle „laufen überhitzt“, das heißt, sie sagen eine katastrophale Erwärmung voraus, möglicherweise aufgrund der Wolkendynamik.
Ein großes Hindernis ist die Auflösung der Klimamodelle, also wie fein oder grob sie die Erde abbilden. Um einzelne Wolken darzustellen, die so groß sein können wie ein Minivan oder der Staat Minnesota, wären Modelle mit einer feineren Auflösung als das derzeit beste Modell erforderlich. Klimamodellierer haben vor kurzem begonnen, feinskalige Modelle auf regionaler Ebene zu erstellen, bei denen sie in die einzelnen Details der Wolken hineinzoomen können. Aber, so Yang, solche Schnappschüsse zu einem Bild des gesamten Globus zusammenzufügen, würde die Kapazität des größten existierenden Supercomputers übersteigen.
Selbst wenn Computer diese Analysen durchführen könnten, bräuchten Wissenschaftler mehr Werkzeuge, um die Ergebnisse zu verstehen. Dafür, so Yang, bräuchten wir mehr Wolkentheorie. „Ohne theoretisches Verständnis wären wir nicht in der Lage, die Modellergebnisse zu interpretieren“, sagte er mir. „Ohne dieses auf Grundprinzipien basierende Verständnis wissen wir nicht wirklich, ob das Modell genau ist.“
Tiffany Shaw, Klimaphysikerin an der Universität von Chicago, sagte mir, dass einige Modelle möglicherweise aufgrund des Wolkenproblems ungenaue Bilder ganzer Regionen liefern. So sagen Modelle beispielsweise eine stärkere Erwärmung im Ostpazifik voraus als im Westen; in Wirklichkeit ist das Gegenteil der Fall. Ein weiteres Beispiel ist der schmale Regengürtel, der den Planeten in den tiefen Tropen umgibt und einige der stärksten Gewitter der Erde hervorbringt – und damit viele Wolken. Unser Planet hat im Allgemeinen einen solchen Gürtel, aber atmosphärisch-ozeanische Klimamodelle beharren seit Jahrzehnten darauf, dass es zwei gibt. Dies könnte zum Teil auf unzureichende Wolkenmodellierung zurückzuführen sein.
Für Shaw sind diese Unregelmäßigkeiten kein Zeichen dafür, dass etwas nicht stimmt; sie zeigen vielmehr die Reife der Klimawissenschaft. Viele der großen Dinge hat das Fachgebiet richtig gemacht, und jetzt lernt es, die kleineren, feinkörnigeren Dinge in seine Sicht der Welt einzubeziehen: Dinge wie Wolken. Wegen ihrer Komplexität ist Shaw auch von der Möglichkeit begeistert, maschinelles Lernen zu nutzen, um sie zu verstehen. „Das sind datenhungrige Algorithmen, und wir haben eine Menge Daten“, sagte sie.
Eine große Frage begleitet die gesamte Wolkenforschung: Wissenschaftler wissen, dass es große Unsicherheiten bei der Vorhersage zukünftiger Wolkendynamiken gibt und dass diese Dynamiken wahrscheinlich einen gewissen Einfluss auf den Verlauf des Klimawandels haben werden. Aber wie bedeutsam von einer Richtung? Im Moment deuten erste Hinweise eher auf beruhigende als auf katastrophale Schlussfolgerungen hin. „Wir lernen, dass nicht alles für den Klimawandel wichtig ist. Und das ist gut!“, sagte mir Shaw. Beispielsweise hätte der Verlust flacher Cumuluswolken bei Erwärmung des Ozeans – was laut einigen Computermodellen passieren könnte – eine destabilisierende Wirkung auf die Tropen und könnte eine unkontrollierte Erwärmung auslösen. Aber, so Shaw, eine aktuelle Beobachtungsstudie hat ergeben, dass die Wolken nicht so empfindlich auf die Erwärmung reagieren, wie die Computermodelle dachten; die Rückkopplung zwischen Hitze und Wolken tut die globale Erwärmung verstärken, allerdings nicht in dem behaupteten extremen Ausmaß.
Einer der Schlüssel zur Übereinstimmung von Modellierung und Realität sind einfach mehr Beobachtungen. Chris Fairall, ein Forschungsphysiker bei der National Oceanographic and Atmospheric Association, untersucht Wolken seit den 1970er Jahren, als er im nebeligen Monterey, Kalifornien, für die US Navy an der Nebelvorhersage arbeitete. „Nebel ist eine Wolke, die auf dem Boden liegt. Die Navy ist sehr an Nebel interessiert, weil sie nicht will, dass ihre Schiffe mit etwas zusammenstoßen“, erzählte er mir. Fairall hat erlebt, wie sich das Feld der Wolkenforschung dramatisch verbessert hat, teilweise dank der Bemühungen, auch seiner eigenen, sie zu messen. Im Jahr 2020 war er der leitende Wissenschaftler des ATOMIC-Projekts der NOAA, das im Rahmen eines größeren gemeinsamen Wolkenprojekts mit europäischen Forschern eines der „Hurricane Hunter“-Flugzeuge der Agentur flog und ein Schiff zur Untersuchung von Cumulus-Wolkenformationen vor der Ostküste Barbados schickte. In den nächsten Jahren werden die Daten aus diesen Missionen dazu beitragen, Wolkenmodelle zu verbessern. Obwohl Fairall gerne relativ flache Cumuluswolken untersucht, erzählte er mir, dass die größten Fragen zu Wolken tiefe Konvektionswolken betreffen, also jene, die bis in die Troposphäre vordringen, wo sie beginnen, komplexe Wechselwirkungen zwischen Eis, Schnee, Hagel und unterkühltem Wasser zu entwickeln. Cumuluswolken sind komplex genug; diese tiefen Wolken „sind 100-mal komplexer“, sagte er.
Seiner Ansicht nach widmen die USA der Wolkenforschung enorme Anstrengungen; in puncto Wissen über Wolken könne es nur noch bergauf gehen. NASA, NOAA, das Energieministerium, die Marine und die Armee beschäftigten alle Forscher, die sich mit Wolkenproblemen beschäftigten, sagte er. Wolken hüllen zwei Drittel der Erde in ihre feuchte Umarmung und bestimmen in jedem Moment unsere kollektive physische Realität. Die Suche nach ihrem Verständnis gehört zweifellos zu den bedeutendsten wissenschaftlichen Bestrebungen unserer Zeit.