Stünde Wissenschaftlern nur ein Blatt Papier und ein Bleistift zur Verfügung, dann wären sie, wenn sie die Aufheizung von Luft und Wasser berechnen wollen, schnell am Ende ihres Lateins. Atmosphäre und Ozeane, Gletscher und Meereis, Boden und Vegetation – alles spielt mit hinein, und alles ist mit allem irgendwie verknüpft. Simulationsrechnungen, die das Geschehen beschreiben sollen, erfolgen natürlich am Computer.

Grundlage der Software sind die Naturgesetze. Doch das Objekt ihrer Neugier stellt Klimaforscher vor ein großes Problem: Die Atmosphäre und der Ozean erstrecken sich über Zehntausende von Kilometern. Da sich die Gleichungen nicht für jeden einzelnen Punkt auf der Erde berechnen lassen – das wäre weder mathematisch noch praktisch möglich –, unterteilen die Wissenschaftler die Lufthülle und die Meeresbecken in kastenförmige Volumina. Für jeden einzelnen Kasten berechnen sie, wie sich darin die Temperatur, der Wind oder die Strömungsgeschwindigkeit verändert. Ein Dilemma bleibt: Je kleiner diese Kästen sind, desto detaillierter sind die Klimasimulationen – gleichzeitig wächst aber auch der Rechenaufwand, um die größere Zahl von Kästen zu bewältigen.

Trotz superschneller Computer sind Klimamodelle daher noch immer recht grobkörnig aufgelöst: Die Atmosphäre ist in Kästen eingeteilt, die 200 Kilometer lang und breit sind; beim Ozean beträgt die Kantenlänge ungefähr 100 Kilometer. An der Meeresoberfläche und am Boden sind die Schichten nur 100 Meter dünn – mit wachsender Höhe in der Atmosphäre und mit wachsender Tiefe im Ozean nimmt die Schichtdicke aber zu. Ein Klimamodell besitzt heutzutage mindestens zwanzig atmosphärische und zehn ozeanische Schichten.

Womit sich das nächste Problem abzeichnet: Viele Phänomene – Wolken zum Beispiel – sind so kleinräumig, dass sie mit den Computerprogrammen nicht abgebildet und nachgeahmt werden können. Weil diese Phänomene aber für die Temperaturentwicklung dennoch wichtig sind, müssen sie irgendwie berücksichtigt werden. Dieses "Irgendwie" gibt ganzen Heerscharen von Wissenschaftlern Arbeit: Sie versuchen, kleine Wasserwirbel, die Wirkung von Staubpartikeln auf die Wolkenentstehung oder die Turbulenz, die durch Baumwipfel ausgelöst wird, in mathematische Gleichungen für die grob aufgelösten Klimamodelle zu übersetzen.

Wie gut Klimamodelle funktionieren, misst man schließlich daran, wie genau sie die Realität wiedergeben. Dafür werden die simulierten Daten mit klimatologischen Messwerten verglichen. Verlässliche meteorologische und ozeanografische Aufzeichnungen gibt es allerdings erst seit etwa 150 Jahren – eine eher kurze Messlatte.

Viele Computermodelle schneiden heute schon recht gut ab – der indische Monsun zum Beispiel kann ebenso simuliert werden wie die Westwindzone in den mittleren Breiten oder die tropischen Gewittergebiete. Mit regionalen Details hapert es zwar noch, aber durch die immer schnelleren Computer wird die Genauigkeit zunehmen. Außerdem wollen Experten weitere Bestandteile des Klimasystems integrieren: Luftchemische und biochemische Vorgänge zum Beispiel. Echte Klimavorhersagen können die Wissenschaftler sowieso noch nicht abgeben – die Unsicherheiten sind einfach zu groß. Experten sprechen lieber von "Szenarien" oder "Projektionen" des Klimas.

Ein Teil der Unsicherheit stammt allerdings gar nicht von den Modellen, sondern von dem Verhalten der Menschheit: Welche Mengen an Treibhausgasen in den nächsten Jahrzehnten in die Luft gepustet werden, weiß noch niemand. Immerhin scheint sich ein Konsens gebildet zu haben, dass die Lufttemperatur global langfristig um etwa zwei bis vier Grad Celsius steigt, wenn der CO₂-Gehalt verdoppelt wird. Eine derartige Erwärmung könnte für zahlreiche Gletscher das vollständige Abschmelzen bedeuten und den Meeresspiegel in den kommenden Jahrhunderten um mehrere Meter ansteigen lassen – hierin sind sich die Szenarien, auch bei verschiedenen Ausgangsvoraussetzungen, einig.