Denkfabrik

Neue Sichtweisen des Klimawandels

Visualisierung von Informationen kommt nicht nur zum Einsatz, wenn Erkenntnisse der Öffentlichkeit vorgestellt werden. Sie sind auch unter Wissenschaftlern ein sehr wichtiges Werkzeug, mit dem sich Umweltveränderung globalen Ausmaßes erschließen lassen. Bei einer großen Menge von Einzeldaten hilft oft nur ein Bild, um sich ein Bild von der Gesamtsituation zu machen. Im Laufe dieses Prozesses wird der vertraute Anblick des Globus mit Farben und Mustern überblendet. Das dabei entstehende Bild bietet eine Mischung aus fremdartigen und vertrauten Eindrücken. Viele umweltrelevante Prozesse laufen zu langsam ab oder sind zu vielen einander beeinflussenden Variablen unterworfen, als dass sie ohne bildliche Darstellung verständlich wären. „Bei der wissenschaftlichen Visualisierung von Daten ist es möglich, komplexe Prozesse zu simulieren. So können Zeitabläufe vorwärts und rückwärts in jeder Geschwindigkeit dargestellt und Daten nach Belieben umgewandelt oder gefiltert werden. Sie können z. B. Bereiche, in denen die Abweichung bestimmter Vektorfelder einen Grenzwert überschreitet, hellgrün hervorheben“, erläutert Chris Henze.

Abb. 5: Das NASA-Projekt „Estimating the Climate and Circulation of the Ocean“ (ECCO) Animation abspielen

Chris Henze ist der technische Leiter der Visualisierungsabteilung in der Advanced Supercomputing Division des Ames Research Center der NASA. Mit seinem Team aus Wissenschaftlern und Technikern konvertiert er Daten, die über Jahre hinweg mit Hunderten oder Tausenden von Instrumenten rund um den Globus erfasst wurden, in ein Bild bzw. in eine Abfolge von Bildern, deren Betrachtung nur wenige Minuten in Anspruch nimmt. Bei so komplexen Entwicklungen wie dem Klimawandel ist es unbedingt notwendig, Raum und Zeit in komprimierter Form darzustellen. Eine solche Komprimierung liegt vor, wenn Informationen aus 1000 Jahren in einem einfachen Koordinatensystem zusammengefasst werden – wie in der „Hockeyschläger-Grafik“. Der Unterschied zwischen reiner Datensammlung und der Visualisierung von Informationen liegt darin, dass im ersten Fall die Erscheinungsform des dargestellten Systems erhalten bleibt, während im zweiten Fall eine räumliche Dimension hinzukommt, die so in natura nicht existiert.

Unter der Leitung von Dr. Robert Atlas vom Laboratory for Atmospheres im Goddard Space Flight Center prognostizieren die Mitarbeiter der Finite Volume Circulation Modeling Group mit Hilfe von Visualisierungen bis zu fünf Tage im Voraus, wann ein Hurrikan auf Land trifft. Auf Basis von Simulationen für die Hurrikans Frances, Ivan und Jeanne kann das Team den genauen Ort der Landberührung auf einen Radius von 100 km einschränken und auch die Stärke des Sturms drei bis fünf Tage im Voraus berechnen. Beim Hurrikan Ivan konnte fünf Tage im Voraus präzise vorhergesagt werden, dass es sich um einen Sturm der Kategorie IV auf der Saffir-Simpson-Skala handeln und dass er an der Golfküste Alabamas als Sturm der Kategorie III auf Land treffen würde.

Abb. 6: Bild mit Wolkenstrukturen aus dem Projekt Finite-volume General Circulation Model (fvGCM) der NASA. Animation abspielen*

Für sich allein genommen kann jedoch auch die anspruchsvollste Visualisierung wirkungslos sein. Wie Edward Tufte in seinem Buch „Visual Explanations“ erläutert, trägt die Darstellung von mehreren Bildern nebeneinander dazu bei, „multivariable Prozesse zu überblicken und zu analysieren. Da Bildabfolgen einen schnellen, zeitgleichen Blick auf einen kontinuierlichen Fluss unterschiedlicher Messdaten ermöglichen, tragen sie dazu bei, die relevante Kernaussage herauszufiltern...“ Eines der bei der NASA verwendeten Visualisierungstools ist die so genannte „Hyperwall“, eine quadratische Wand aus 7 Reihen mit je 7 großen Flachbildschirmen, die jeweils von einem eigenen Computer mit Dual-Prozessor gesteuert werden und mit einer High-End-Grafikkarte ausgestattet sind. Mit Hilfe dieser Wand können die Forscher mehrdimensionale Datensätze darstellen, untersuchen und analysieren. Die Darstellung der Daten lässt sich über verschiedene Werkzeuge, Blickwinkel und Parameter feinjustieren. Die gleichzeitige Darstellung mehrerer Sichtweisen der Daten vermindert das Risiko, dass eine bestimmte Art der Visualisierung zu Fehlinterpretationen führt. Wenn sehr große Darstellungen erforderlich sind, kann jeder der 49 Computer Daten im Zusammenspiel mit den anderen verarbeiten und anzeigen, sodass auf der ganzen Wand ein einziges riesiges Bild zu sehen ist.

Abb. 7: Diese beiden Bilder aus dem ECCO-Projekt zeigen die unterschiedlichen Wassertemperaturen an der Oberfläche der Ozeane (oben) und in 160 Metern Tiefe (unten).

Eine der Hauptsorgen der Klimaforscher besteht darin, dass der Zufluss warmen Wassers in die arktischen Regionen die Meeresströmungen unterbricht, die zur Regulierung der globalen Temperatur beitragen. Eine Unterbrechung dieser Meeresströmungen könnte das Abschmelzen der polaren Eiskappen stark beschleunigen, was wiederum zu einem dramatischen Anstieg des Meeresspiegels führen würde. „Bei einem kürzlich durchgeführten Projekt wurden mehrere physikalische Parameter (Temperatur, Salzgehalt, Windströme, Wärmefluss usw.) aus einer globalen Simulation der ozeanischen Dynamik eines Jahres in 5-Minuten-Intervallen dargestellt. Dank der extrem hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung der Visualisierungen können die Wissenschaftler detaillierte Faktoren des Zustroms subtropischen Wassers in den Nordatlantik untersuchen“, erläutert Henze. Welche Datenmengen sind erforderlich, damit ein Modell wie das für die ozeanische Dynamik präzise funktioniert? Für dieses spezielle Projekt hat Henze 70 Terabyte an Daten in die Grafiksysteme gespeist. In Text umgerechnet wäre das etwa 3,5 Mal so viel wie in der gesamten Kongressbibliothek zu finden ist.

Klingt nach viel? Es kommt noch größer! Laut Henze „entwickeln sich Grafikchips nach dem Gesetz von Moore: eine Verdoppelung alle 6 Monate, d. h. 10 Verdoppelungen in 5 Jahren entsprechen einer Vergrößerung um das 1000-fache. 2001 hatte unsere größte Maschine eine Kapazität von 1,2 TFLOPs, heute sind es 62 TFLOPs.“

Zu welchen Schlüssen die NASA durch neue Bildbearbeitungsverfahren hinsichtlich der Klimaerwärmung auch kommt: Zweifellos werden andere Wissenschaftler zu anderen Schlüssen kommen. Wissenschaftler sind sich oft uneins: Sie präsentieren abweichende Daten zur Untermauerung abweichender Thesen und sie kommen durch unterschiedliche Interpretationen derselben Daten zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen. Das führt in der Öffentlichkeit verständlicherweise zu Verwirrung. Keiner weiß wirklich, wie unterschiedliche Behauptungen zu bewerten sind und wem man letztlich glauben soll. Bei einem Problem wie der Klimaerwärmung können die Konsequenzen katastrophal sein. Immerhin müssen Millionen von Menschen nicht auf Grundlage sichtbarer Phänomene, sondern auf Grundlage wissenschaftlicher Projektionen ihr Verhalten ändern. Um untätig zu bleiben, muss man nicht einmal den Wissenschaftlern glauben, die die globale Erwärmung bestreiten: Verwirrung allein reicht schon, um Untätigkeit hervorzurufen.

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