Über das Web erhalten Wissenschaftler Zugriff auf unzählige Informationen über den globalen Klimawandel.

17. Juni 2010 – Wissenschaftler haben in den vergangenen 20 Jahren enorme Mengen an Daten über den Klimawandel gesammelt, von denen viele im Web verfügbar sind.

Jetzt gilt es, eine Lösung zu finden, um all diese Informationen für zukünftige Analysen in kohärente Datenmengen zu integrieren, um den Klimawandel der Erde eingehend erforschen zu können.

Im Jahr 2000 begannen über 20 Länder mit einer Armada von Roboterbojen, genannt Argo Floats, den physikalischen Zustand des oberen Ozeans zu messen. Die Floats, die an die früher in Krankenhäusern verwendeten Sauerstoff-Flaschen mit Antennen erinnern, sinken zunächst auf etwa 1000 m Tiefe.

Nachdem sie etwa 10 Tage mit der Strömung getrieben sind, werden sie auf 2000 m Tiefe abgesenkt. Von hier steigen die Floats wieder zur Oberfläche und messen dabei die Temperatur und den Salzgehalt des Meeres. An der Oberfläche angelangt, werden die Daten an zwei NASA Jason-Satelliten übertragen, die in knapp 1400 km Höhe über dem Äquator kreisen. Anschließend tauchen die Floats wieder ab, und der Prozess beginnt von neuem.

Mittlerweile sind weltweit über 3.000 Floats im Einsatz. Die damit gesammelten Daten haben die Erforschung der oberen Meeresschichten – und ihrer Auswirkung auf den globalen Klimawandel – einen enormen Schritt weiter gebracht, ähnlich wie damals die ersten Wetterballons zahlreiche Erkenntnisse über die Erdatmosphäre lieferten. Die von den Floats gesammelten Daten sind zudem nahezu in Echtzeit uneingeschränkt und in einem einzigen Datenformat für jeden zugänglich.

Dr. Thomas Peterson, Forscher im Nationalen Klimadatenzentrum (NCDC) der US-Behörde für Ozeanographie (NOAA) in Asheville, North Carolina, arbeitet seit 1991 im Rechenzentrum. "Damals kamen die Leute für integrierte Klimadaten zu uns, da es für sie extrem schwierig war, die enormen Datenmengen selbst zu erfassen", erzählt Peterson. "Dank des Internets kann heute jeder die Daten aus dem Web herunterladen."

Die Argo Floats werden von etwa 50 Einrichtungen auf der ganzen Welt gesponsert. Das Programm ist nur eines unter Tausenden von Beispielen, wie das Web Wissenschaftlern die Erforschung des globalen Klimawandels erleichtert. Tatsächlich würde das Float-System ohne das Web gar nicht existieren.

Untersuchung der durch Menschen verursachten Veränderungen

Die Menschheit beobachtet das Wetter schon mindestens seit Anbeginn des Ackerbaus. Die eingehende Studie der Klimatologie, d. h. die Untersuchung von Wettermustern über Jahrzehnte, Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende, hielt jedoch erst Ende des 19. Jahrhunderts Einzug. Die Erforschung des anthropogenen bzw. durch Menschen verursachten Klimawandels ist deutlich jünger. Bis zu den 1950er Jahren vermutete kaum jemand, dass die Ursache des globalen Klimawandels menschlicher Natur sei. Falls ein Wissenschaftler, beispielsweise in Deutschland, doch eine solche Vermutung hatte und dieser gerne gemeinsam mit Wissenschaftlern in England oder China auf den Grund gegangen wäre, er hätte es in der Tat schwer gehabt.

Als in den Achtzigerjahren die Anzeichen für steigende Kohlendioxidwerte in der Atmosphäre zunahmen, begannen Wissenschaftler, die sich mit einzelnen Aspekten des Klimawandels beschäftigten, unabhängig voneinander internationale Konferenzen zum Informationsaustausch abzuhalten. Doch erst in den 1990ern ermöglichte es ihnen das Web, in Echtzeit über große Entfernungen zusammenzuarbeiten. Diese Zusammenarbeit und die enormen, mittels Webtechnologie gesammelten Datenmengen haben die Forschung revolutioniert.

Dank des Webs können Klimaforscher heute gemeinsam mit Kollegen am anderen Ende der Welt Studien durchführen, Marathon-Webinare abhalten und gemeinsam Dokumente mit Beiträgen von Dutzenden oder sogar Hunderten von Mitwirkenden verfassen. Forscher nutzen das Web für den Abruf, die Überwachung und die Weitergabe jeglicher Art von Daten, angefangen von In-situ-Daten beispielsweise von Argo Floats und einem weltweiten Netzwerk aus 100.000 Wetterstationen bis hin zu Radar- und Satellitendaten, paläoklimatologischen Indikatoren wie Baumringen und Kernproben von Gletschern und den Böden alter Seen.

Myriaden von Daten

Die Fülle der wissenschaftlichen Klimadaten, die weltweit von Regierungsbehörden, vom Militär, von Universitäten und von Tausenden anderen Institutionen gesammelt werden, ist schier unglaublich.

NOAA speichert ca. 3.000 Terabyte an Klimainformationen, was etwa 43-mal dem Inhalt der Library of Congress, der inoffiziellen US-Nationalbibliothek in Washington, entspricht. Die Behörde hat sämtliche Wetteraufzeichnungen des 20. Jahrhunderts und auch ältere Aufzeichnungen digitalisiert, darunter Dokumente, die noch von Thomas Jefferson und Benjamin Franklin aufbewahrt wurden. Alle diese Informationen sind über das Web zugänglich. Im Rahmen ihres Bildungsauftrags hat sich die NOAA sogar in der virtuellen Welt "Second Life" etabliert, wo Mitglieder in 3D beobachten können, wie ein Gletscher schmilzt, ein Korallenriff ausbleicht und globale Wettermuster entstehen.

Auch die NASA beteiligt sich maßgeblich an der Klimaforschung. Die Satelliten ihres Erdbeobachtungssystems EOS sammeln Daten über die Nutzung, die Produktivität und die Verschmutzung von Land und Ozean. Die Ergebnisse sind im Web abrufbar. Es gibt sogar ein von der NASA gesponsertes Programm, bei dem ein Netzwerk aus Imkern Daten über den Nektarfluss im Frühjahr sammelt, der sich vorzuverschieben scheint (http://honeybeenet.gsfc.nasa.gov, Englisch).

Das internationale Forum GEO (Group on Earth Observations) der WMO (World Meteorological Organization), die 2002 vom Weltgipfel für nachhaltige Entwicklung und den G8-Ländern ins Leben gerufen wurde, beschäftigt sich mit der Entwicklung eines globalen Überwachungssystems für Erdbeobachtungssysteme (GEOSS), das vorhandene klimatologische Beobachtungssysteme vernetzen und neue Systeme unterstützen soll.

Ziel von GEO ist die Förderung einheitlicher technischer Standards, um die in Tausenden von Studien von Tausenden von Instrumenten gesammelten Daten in kohärenten Datenmengen zusammenführen zu können. Der Zugriff auf Daten, Bilder und Analyseanwendungen soll über einen zentralen Punkt im Internet, das GEOPortal, erfolgen. Die Inbetriebnahme des Systems ist für 2015 geplant.

Es gibt dabei jedoch ein großes Problem: Zwar stehen Unmengen an Informationen über den Klimawandel zur Verfügung, doch unter den Tausenden von Formaten und Speicherorten die richtigen Daten zu finden, kann eine enorme Herausforderung oder schier unmöglich sein.

Abhilfe mit DataSpace von MIT

Stuart Madnick, der John Norris Maguire Professor of Information Technology der Sloan School of Management des MIT (Massachusetts Institute of Technology), glaubt, eine Neuentwicklung des MIT namens DataSpace könnte helfen. "Im Augenblick werden Dokumente zu Hunderten von Themen veröffentlicht, während die zugrunde liegenden Daten häufig bei den Forschern bleiben", erklärt Madnick. "Unser Ziel ist, DataSpace zum Google für verschiedenste heterogene Datenvolumen an verteilten Standorten zu machen. Die Suchmaschine muss nicht unbedingt wie Google funktionieren, sie soll aber nützlich, skalierbar und benutzerfreundlich sein und Forschern die Möglichkeit geben, Daten aus verschiedensten Feldern, einschließlich der Forschung zum Klimawandel, abzurufen, zu integrieren und wiederzuverwenden."

Dank des Webs können Klimaforscher heute gemeinsam mit Kollegen am anderen Ende der Welt Studien durchführen, Marathon-Webinare abhalten und gemeinsam Dokumente mit Beiträgen von Dutzenden oder sogar Hunderten von Mitwirkenden verfassen.

Als einfaches Beispiel für die Funktionsweise von DataSpace im Bereich der Klimatologie beschreibt Madnick einen Forscher, der Informationen über die Temperatur und den Salzgehalt des Wassers um Martha’s Vineyard, Massachusetts (USA), innerhalb der vergangenen 20 Jahre benötigt. Entsprechende Daten können überall zu finden sein, beim ozeanographischen Forschungsinstitut im nahegelegenen Woods Hole, bei der NOAA oder bei internationalen Fischereiflotten. Diese Daten sind derzeit jedoch kaum oder gar nicht integriert. Mit DataSpace wäre eine solche Integration einschließlich der erforderlichen Anpassungen möglich, angefangen bei so einfachen Dingen wie der Vereinheitlichung der in Celsius und Fahrenheit vorliegenden Temperaturwerte bis hin zur Kompensierung der unterschiedlichen Messverfahren der verschiedenen Instrumente.

Semantic-Web-Technologien

Die deduktiven Systeme von DataSpace "verstehen" verschiedenartige Daten automatisch ohne die bisher erforderlichen Benutzereingriffe. Die häufig als "Semantic-Web-Technologien" bezeichneten Linked-Data-Systeme sammeln unstrukturierte Daten und interpretieren bereits strukturierte Daten.

Wie können diese Semantic-Web-Technologien zur Untersuchung des Klimawandels genutzt werden? Madnick gibt ein Beispiel: "Mikroben sind die auf der Erde am häufigsten und weitesten verbreiteten Organismen. Sie machen weltweit die Hälfte der Biomasse aus und sind seit über 3,5 Milliarden Jahren Bestandteil des Lebens auf der Erde. Die Meeresmikroben und das Klima stehen in Wechselwirkung. Die Meeresmikroben absorbieren in der Tat so große Mengen an Kohlendioxid aus der Atmosphäre, dass einige Wissenschaftler in ihnen eine potenzielle Lösung für die globale Erwärmung sehen. Dennoch herrscht bezüglich der Zusammenhänge zwischen der Meeresbiogeochemie und dem Klima noch einige Unklarheit. Im nächsten großen Schritt in diesem Feld geht es darum, die Informationen aus der Umweltgenomik, gezielten Prozess-Studien und den Beobachtungssystemen der Ozeane in zahlreiche Modelle einzubeziehen. Damit könnte leichter vorhergesagt werden, wie der Ozean auf Umweltstörungen wie den Klimawandel reagiert."

Madnick glaubt, dass die nächste große Herausforderung für die Klimatologie die Integration verschiedenartiger Daten, einschließlich Genetik, Bevölkerungsstatistiken und Ökosysteme ist, und dass hierfür Semantic-Web-Technologien erforderlich sind.

Wikipedia für den Klimawandel?

Das MIT entwickelt innerhalb des Center for Collective Intelligence gerade einen weiteren Ansatz, nämlich das Climate Collaboratorium. Thomas Malone, Professor an der Sloan School der MIT, beschreibt das Climate Collaboratorium als "radikal offene, computergestützte Modellierung, die das Konzept von Systemen wie Wikipedia und Linux auf den globalen Klimawandel anwendet". Er hofft, dass sich weltweit Tausende von Menschen, angefangen von Wissenschaftlern über Geschäftsleute bis hin zu interessierten Laien, über das Web an den organisierten und moderierten Diskussionsforen und Abstimmungen zu Lösungsvorschlägen beteiligen werden.

Malone sagt: "Durch die spektakuläre Entwicklung des Internets und der damit verbundenen Informationstechnologie haben sich ungeahnte Möglichkeiten für derartige Interaktionen aufgetan. Bisher waren diese Interaktionen jedoch zusammenhangslos und verteilt, die Qualität der Beiträge variiert extrem, und es gab keinen klaren Weg, um gemeinsam fundierte Entscheidungen bezüglich Maßnahmen (sowohl im Großen als auch im Kleinen) treffen zu können, die der Menschheit bei der Lösung ihres dringlichsten Problems helfen sollen." Laut Malone soll das Collaboratorium kein Meinungsmacher, sondern ein "ehrlicher Vermittler" sein.

Kampf gegen Desinformation

Auf die Frage nach den größten Herausforderungen der Klimaforscher antwortet Tom Peterson (NOAA): "Die Kommunikation. Wissenschaftler schreiben häufig für Wissenschaftler, was von Laien oft zu schwierig zu verstehen ist. In ihrem Bestreben, wissenschaftlichen Fragen auf den Grund zu gehen, nehmen sich Forscher nur selten die Zeit, einige der weit verbreiteten Mythen über den Klimawandel auszuräumen."

Was bei der Veränderung der Klimaforschung innerhalb der vergangenen 20 Jahre jedoch wirklich bemerkenswert ist, sind die neuen Möglichkeiten, die das Web für die globale Zusammenarbeit zwischen Forschern aus unterschiedlichsten Forschungsgebieten bietet. Dank des Webs können heute Millionen von Menschen, ob Wissenschaftler oder Laien, auf ein enormes Informationsvolumen zugreifen. Neue Technologien wie das Semantic Web werden dabei in jedem Fall eine Bereicherung sein.