Wie man ein Computermodell baut, ist in Abb. 1 dargestellt. Es fängt mit den physikalischen Phänomenen an, die man mit Hilfe des Computers untersuchen will. Zum Beispiel möchte man darstellen, dass sich Eis unter dem großen Gewicht eines Gletschers verformt, bzw. dass das Eis fließt. Dafür braucht man physikalische Gleichungen, die zum Beispiel die Fließgeschwindigkeit beschreiben. Diese werden generell aus physikalischen Grundsätzen wie zum Beispiel der Masse- oder Energieerhaltung hergeleitet. Unbekannte Größen in den Gleichungen können dann eventuell durch Laborexperimenten ermittelt oder angenähert werden. Ein Beispiel für eine Formel, die den Eisfluss beschreibt und auf Experimenten basiert ist „Glen's flaw law“ (siehe Benn and Evans, 2013). Die Formel ist unter Punkt (4) in Abb. 1 zu sehen. Mathematisch sind manche von den ermittelten Gleichungen jedoch etwas kompliziert, sodass man einige Vereinfachungen treffen muss (zum Beispiel mit der sogenannten „Shallow Ice Approximation“; siehe Hutter, 1983). Hat man diese Vereinfachungen gemacht, muss man ein Gitternetz erstellen, in dem jedes Feld einem kleinen Punkt in der Antarktis entspricht. In der Mitte ist meistens der Südpol, oben links die Antarktische Halbinsel und so weiter. Damit das Computermodell für jedes der Felder im Gitternetz die gewünschten Werte ausrechnet, müssen wir die Gleichung noch in eine Form bringen, die der Computer versteht. Diesen Prozess nennt man Diskretisierung. Das heißt, dass man eine kontinuierliche Gleichung in kleinere Stücke aufbrechen muss, damit das Modell hinterher von Gitterpunkt zu Gitterpunkt gehen kann, um die physikalischen Größen wie Eisdicke, Eisgeschwindigkeit oder Temperatur zu berechnen. Nicht nur die Gleichungen müssen diskretisiert werden; in einem Modell muss auch sichergestellt werden, dass es einen stetigen Informationsaustausch zwischen den errechneten physikalischen Größen gibt (auch zum Beispiel zwischen den Gitterpunkten). Dafür müssen viele Zeilen Computercode geschrieben werden. Bevor man einen Modell-Lauf starten kann, muss man dem Modell dann noch sagen, was an den Außenseiten des Gitternetz passiert bzw. was die Randbedingungen des Eises an den jeweiligen Grenzflächen (z.B: zu Ozean oder Atmosphäre) sind: Wie warm ist der Ozean, der an der Unterseite der Eisschelfe, die schwimmenden Fortsätze des Eisschildes, für Schmelzen sorgt? Wie viel schneit es, sodass neues Eis entstehen kann? Das Eismodell kann dann aus allen Informationen und den physikalischen Gleichungen die Eigenschaften des Eises in der Antarktis berechnen.

Wenn alle wichtigen Informationen beisammen sind, kann das Modell mit den Berechnungen beginnen. Je nachdem, was man genau untersuchen möchte, wählt man aus, wie groß ein Feld im Gitternetz sein kann. Manche Forschende wollen sich zum Beispiel nur einen bestimmten Prozess im Modell anschauen, beispielsweise das Abbrechen von Eisbergen vom Eisschild. Dafür brauchen sie andere Einstellungen als diejenigen, die die ferne Zukunft des Eisschildes untersuchen wollen. Für lange Zeitskalen empfiehlt sich eine etwas gröbere Auflösung, weil das Modell für jeden Zeitschritt, in dem es die Antarktis abbilden will, einmal durch alle Zellen oder Gitterfelder durchgehen muss. Je kleiner die Gitterfelder sind, desto länger braucht das Modell deshalb, um die gesamte Antarktis abzubilden. Am Anfang einer Studie braucht es einige Zeit, bis das Modell ein Gleichgewicht erreicht (in dem sogenannten „spin-up“). Das heißt, man lässt das Modell sich einpendeln, sodass es im Gleichgewicht mit den Randbedingungen steht und sich Schneefall, Eisfluss und Schmelze genau in der Waage halten. Danach weiß man: Wie schnell fließt das Eis (in diesem Modell zu den gegebenen Randbedingungen)? Wie dick ist das Eis im Modell oder wo gibt es Eisschelfe? Diese Ergebnisse kann man in einem nachfolgenden Schritt mit gemessenen Eisdicken und Geschwindigkeiten vergleichen.

Ein Computermodell mit dem die Antarktis untersucht werden kann ist zum Beispiel das Parallel Ice Sheet Model, kurz genannt PISM (https://www.pism.io, letzter Zugriff: 3. August 2023; Bueler and Brown, 2009; Winkelmann et al., 2011). Es wird von Forschenden aus Alaska in den USA, sowie aus Potsdam in Deutschland entwickelt. Vor mehr als 10 Jahren wurde damit angefangen, die physikalischen Grundgleichungen in das Modell zu schreiben, sowie die nötigen Bausätze für Teile des Eisschildes einzubauen. Es gibt einen Teil des Modells, der zum Beispiel das Schmelzen an den Unterseiten der großen Eisschelfe berechnet. Ein anderer Teil rechnet aus der vorgegebenen Temperatur (aus den Randbedingungen) aus, wie viel Schmelzen an der Oberseite passiert. In PISM gibt es viele solcher Einzelbauteile, die miteinander Informationen austauschen, damit am Ende ein richtiges Eisschild herauskommt.

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Die Autorin ist Junior Chief Editor des Journals Polarforschung.

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Dieser Artikel wurde von Bernhard Diekmann redaktionell betreut und durch eine:n Expert:in begutachtet.