dl008: temperaturkurven

Intro (00:00:00)

Thema des Podcasts (00:00:18)

Willkommen zu unserer achten Folge beim datenleben-Podcast, dem Podcast über Data Science.
Wir sind Helena und Janine und möchten euch die Welt der Daten näher bringen.
In unserer Welt wird es immer wichtiger Daten in das Große Ganze einzuordnen.
Als Data Science-Podcast wollen wir deswegen Data Science anhand von Themen erklären, die uns alle betreffen.

Thema der Folge: Temperaturkurven (00:00:39)

Letzten Folge war eine Recherchefolge, um verschiedene Einzelthemen des Klimawandels anzusehen
Es ging um Temperaturkurven, Waldbrände und den Meeresspiegelanstieg
Helena war begeistert von Temperaturkurven, weil hier besonders interessante Aspekte drin stecken
z.B. wie man mit den Messdaten umgehen muss, um auf aussagekräftige Ergebnisse zu kommen
Deswegen geht es in dieser Folge um Temperaturkurven, Probleme und Möglichkeiten bei der Analyse

Warum sind Temperaturmessdaten interessant? (00:01:30)

Wie in der letzten Folge ausgeführt, gibt es im Klimasystem der Erde verschiedene Kippelemente, die die Klimakrise verstärken können, wenn sie ausgelöst werden
Der Anstieg der Temperaturen kann verschiedene dieser Kippelemente triggern
Daher ist es eines der wichtigsten Klimaziele die Erderwärmung über 1,5° zu verhindern
Deswegen wollten wir genauer hinschauen, wie Temperaturmessungen auf globaler Skala funktionieren
Folgende Fragen hatte ich nach der letzten Folge zum Thema Temperaturanstieg:
Wie wird heute die globale Temperatur gemessen?
Woher kennen wir die globale Temperatur des vorindustriellen Zeitalters?
Wie wurde die globale Temperatur vor 50 Jahren, bzw. vor 100 Jahren gemessen?
Wieso sind die Temperaturmessungen von heute mit denen von vor 100 Jahren vergleichbar?

Einspieler: Die globale Temperatur (00:03:59)

Seit dem 17./18. Jahrhundert gibt es Methoden, Temperaturen zu messen und zu vergleichen
Woher wissen wir aber, welche Temperaturen auf der Erde herrschten lange bevor es Menschen gab?
Das wissen wir aus den Klimaarchiven, den natürlich und menschenlichen Datenquellen
Forscher haben anhand des Minarals Siderit das Klima vor rund 55 Millionen Jahren rekonstruiert
Die mittlere jährliche Lufttemperaur im heutigen Kolumbien lag bei gut 41° Celsius lag
Eis auf den Polkappen gab es in dieser Zeit nicht
Schwankungen gab es schon immer, was ist aber an den aktuell steigenden Temperatur besonders?
Warum sind die Aussagen der Klimakrisenspektiker, dass es das schon immer gab, so problematisch?
Jetzige Temperaturanstieg ist bedrohlich, weil er so schnell ist, die Natur kann sich nicht anpassen
Steigt die globale Temperatur weiter, werden wir bald erleben, wie der Planet ins Warmklima wechselt
Aber, obwohl wir über eine globale Erdtemperatur sprechen, ist es nicht so einfach sie zu bestimmen
Das liegt daran, dass sich über die Zeit die Messmethoden geändert haben
Oder auch daran, dass wir nicht von allen Orten der Erde die Temperaturen kennen
Man muss verschiedene Datenquellen unterschiedlicher Qualitäten miteinander in Beziehung setzen
Dazu muss man sie kalibrieren, d.h. sie vergleichbar machen und die Werte anpassen

Wie wird die globale Temperatur bestimmt? (00:07:31)

Man kann nicht einfach Messstationen aufstellen, deren Messungen nehmen und den Mittelwert berechnen
Grund: Wert schwankt sehr stark je nach Messmethode (Satelliten vs. Bodengestützte Beobachtungen)
Beispiel: Studie von 2003 gibt einen Anstieg von 15°C auf 15.6°C, NASA 2012 gibt 13.6°C auf 14.6°C an
Vergleicht man die errechnete Mitteltemperatur 2003 und 2012, scheint es, als sinke die Temperatur
Aber: Das liegt daran, dass die Unsicherheit bei der Berechnung der absoluten globalen Mitteltemperatur die gleiche Größenordnung hat, wie der Temperaturanstieg
Die Relativtemperaturen können aber mit einer größeren Genauigkeit angegeben werden
Denn: die Erwärmung selbst lässt sich auf 0.1° genau bestimmen, der Absolutwert nur auf 1°
Beispiel Treppenstufen: Man kann messen, wieviel höher man bei jeder einzelnen Stufe steht
Macht man das für Treppen, muss man auch die Unsicherheiten pro Stufe mitdenken (z.B. 1mm/Stufe)
Die absolute Höhe der Treppe ist unsicherer, als die einer einzelnen Treppenstufe
Das selbe gilt auch für Wetterstationen. Jede davon steht quasi für eine Treppenstufe
Und jede Station hat eigene Unsicherheitswerte für die Absoluttemperatur, die zusammengerechnet werden müssen (nicht addieren, its more complacated)
Trotzdem können Stationen relativ zu früheren Werten darin übereinstimmen, dass es Erwärmung gibt
Andere Schwierigkeit: Lücken in den Daten. Es sind längst nicht alle alten Daten digitalisiert
Oder: Es können auch Fehler beim Übertragen passieren
Fazit globale Temperatur: es ist also eher kompliziert, verschiedene Messmethoden kommen noch dazu

Was ist eigentlich ein Thermometer? (00:14:30)

Frage vorab: Womit wird Temperatur gemessen, was ist ein Thermometer?
Die ersten 100 Jahre seit ca. 1880 war das Quecksilberthermometer der Standard
Quecksilber ist das einzige Metall, dass auch flüssig ist; das Volumen dehnt sich bei Wärme aus
Deswegen "klettert" das Quecksilber in seinem Glasröhrchen nach oben, darauf ist die Temperaturskala
Mittlerweise wird elektrisch gemessen, dafür müssen Thermometer kalibriert werden
Elektrischer Widerstand verändert sich je nach Temperatur, müssen aber eingemessen werden

Wie wird Temperaturanstieg an Land gemessen? (00:20:56)

Wenn man Temperatur misst, kommt es sehr stark darauf an, wo das Thermometer dafür angebracht ist
Früher: immer an der Hauswand im Schatten
Aber: in der Nähe von Gebäuden ist es oft wärmer, als weiter weg; auch sind Städte wärmer als Umland
Stichwort Mikroklima: auch innerhalb von Städten gibt es verschiedene klimatische Bedingungen
Beispiel: enger Straßenzug ist wärmer als ein kleiner Park in der Nähe
Den Effekt gibt es auch nachts, verschiedenen Umgebungen geben unterschiedlich Wärme wieder ab
Diese Effekte sind für Konzepte von städtischem Wohnen im Kontext Klimaerwärmung interessant
Bei Temperaturmessungen an Land, daher wichtig: Wo steht die Station?
Messstationen können den Standort ändern, das kann zu Sprüngen in den Messreichen führen
Änderungen müssen für Korrekturen gut dokumentiert sein, aber oft fehlen diese Informationen
Art der Messung geändert: statt an Hausfassaden im Schatten zu messen, misst man jetzt zwei Meter über dem Boden im Freien im Schatten und zwar digital
Um die Zahlen mit früheren Messungen vergleichen zu können, müssen sie dann kalibrier werden
Wie kann man das denn wissen, dass das funktioniert mit dem Kalibrieren?
Möglichkeiten: einfachste ist, dass man zwei Therometer parallel misst -> Korrekturwert bestimmen
Oder bei Wetterstationen in Städten: indem stürmische Tage mit windstillen Tagen verglichen werden,
Dabei ist nur an windstillen Tagen der Wärmeinsel-Effekt spürbar

Wie wird Temperaturanstieg im Ozean gemessen? (00:30:46)

Messungen im Ozean: Seit jeher von Handelsschiffen, inzwischen auch von Wetterbojen durchgeführt
Anfang des 20. Jahrhunderts warf man Eimer an einem Seil vom Schiff, später sog man das Wasser direkt in den Maschinenraum
Wir wissen, dass die Kessel-Methode zu tiefe Werte liefert, weil das Wasser verdunstet und abkühlt
Während Messungen im warmen Maschinenraum zu hoch sind
Auch das muss dann kallibriert werden, alte und neue Methode werden zeitweise parallel verwendet
Lücken bei Messungen: Daten aus der Arktis jenseits von Schiffsrouten fehlen zum Beispiel
Unter anderem deswegen fand die Mission des Forschungseisbrechers Polarstern in der Arktis statt
Vor 20 Jahren wurden stationäre Messungen im Meer angefangen durchzuführen mittelns Bojen
Hier wird direkt im Ozean die Temperatur gemessen, diese liegt zwischen Eimer und Maschinenraum
Vermutung: Messungen von Schiffen aus, sind Daten eines menschlichen Klimaarchives (Logbücher)

Wie wird Temperaturanstieg aus dem Weltraum gemessen? (00:38:14)

Vorteil: Satelliten können in kurzer Zeit viele Daten über den gesamten Planeten liefern
Exkurs Physik: Was ist eigentlich Temperatur?
Temperatur ist keine fundamentale Eigenschaft der Natur, sie setzt sich aus anderen Größen zusammen
Sie ist eine emergente Größe – ein Muster aus zugrundeliegenden Strukturen
Temperatur ist im Wesentlichen die Beschreibung mikroskopischer Bewegungen von Molekülen und Atomen
Dabei steht die Temperatur erstmal nicht für eine konkrete Bewegungsenergie/Geschwindigkeit, sondern für eine Verteilung von Bewegungsenergien
Für Gase kann man die Maxwell-Bolzmann-Verteilung heranziehen
Es entsteht Elektromagnetische Strahlung, wenn geladene Teilchen (wie Atomkerne/Elektronen) sich beschleunigt/gebremst bewegen
Aus der statistischen Verteilung der Bewegungen folgt eine statistische Verteilung dieser Strahlung
Im Falle der meisten irdischen Temperaturen ist es ein nennenswerter Teil Infrarotstrahlung
Beispiele: Glühbirnen und die Sonne leuchten wegen ihrer Temperatur
Diese IR Strahlungsverteilung lässt sich dann von einem Satelliten aus Messen
Misst der Satellit schräg, kann die Temperatur weiterer Atmosphärenschichten bestimmt werden
Randnotiz: Satelliten sind inzwischen auch oft paarweise unterwegs, um Informationen zusammen erfassen zu können (3D Modelle der Erdoberfläche, Gewicht von Eis zu bestimmen)
Problematik: Satelliten werden durch Atmossphäre abgebremst, dadurch ändert sich der Messwinkel
Strahlung messen funktioniert: Alles was eine Temperatur hat, gibt elektromagnetische Strahlung ab

Fazit (00:49:51)

Wie hängt das alles jetzt mit Data Science zusammen?
Bei Temperaturmessungen hängt alles mit unserem Motto zusammen: Kenne Dein Messverfahren!
Es spielen so viele Faktoren eine wichtige Rolle, dass es ein Paradebeispiel für Data Science ist
Es ist nicht nur einfach platte Statistik, man muss sich sehr viele Gedanken machen
Wie geht man mit fehlerhaften Daten der Vergangenheit um? Wie werden die digitalisiert?
Helena würde jetzt ihre Fragen anders stellen, die sie am Anfang der Recherche zur Folge hatte
Wichtiger ist z.B. die Frage, worher wir wissen, das sich die Erde bereits um 1° erwärmt hat
Es geht auch nicht darum, wie früher die globale Temperatur gemessen wurde, sondern es ist wichtig, wie Temperatur überhaupt gemessen wurde
Wieso sind die Temperaturmessungen von heute mit denen von vor 100 Jahren vergleichbar? -> bleibt eine wichtige Frage, aufgrund der Kallibrierungen, die erfolgen müssen

Nächste Folge: Jahresrückblick am 19.12.2020 (00:53:13)

In der nächsten Folge wollen einen kleinen Jahresrückblick wagen
Unser erstes halbes Podcast Jahr geht zu Ende
Es ist eine globale Pandemie ausgebrochen, was wir auch in unserer zweiten Folge thematisiert haben
Die Präsidentschaftswahl in den USA hat stattgefunden und die allermeisten sehr mitgerissen
Helena wird ein wenig was zu Data Science Themen 2020 erzählen
Das sind so ein paar Dinge, über die wir reden und auch was uns vielleicht im nächsten Jahr erwartet

Call to Action (00:55:06)

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Outro (00:55:57)

Schlagworte zur Folge

Messverfahren, Temperaturmessungen, Temperatur, Klima, globale Erwärmung, Satelliten, Wassertemperatur