Ansichten zur Klimavoraussage

Ansichten zur Klimavoraussage.

Abstract:
Das Verlangen des Menschen, etwas über seine Zukunft zu erfahren, ist schon im Altertum belegt. Auch heute noch wünschen so manche, in bestimmten Wirkungsgebieten des Menschen zu erfahren, wie es weiter geht, wie es mit der Umwelt, dem Klima bestellt sein wird. Aber der Sprung zu einer verlässlichen Aussage über die globale Erwärmung, über die Geschehen in der Atmosphäre mit seinen die Ein- und Abstrahlverhaltenseigenschaften von Wolken und Kohlendioxid, wo der Mensch durch seinen ungezügelten Verbrauch fossile Biomasse-Energieträger Veränderungen hervorruft, ist gewaltig.
Die Verantwortung derjenigen, die vorgeben, ausreichend genaue Vorhersagen über einige Klima-Einflussgrößen aus dem Reservoir von Messdaten machen zu können und diese auch als ,,einzig wahre" auszuzeichnen, ist hoch. Dabei gelingt es uns heute ­ und vielleicht auch in naher Zukunft keineswegs, das Klimageschehen mathematisch-physikalisch korrekt abzubilden, weshalb zu Datenassimilationen mit Modellen übergeht. Unbenommen ist jedoch, aus dem vorhandenen Datenpool neue Erkenntnisse zu gewinnen und uns im Rahmen einer Gefahren-Abwehr vor größeren Übeln zu bewahren. Dabei sollte man jedoch zu einer Übereinkunft aller Forscher gelangen, denn nur eine solche schafft Vertrauen in den Stand der Klimawissenschaft und in -prognosen. Simpel ist es, wenn man den Kohlenstoff-Verbrauch massemaßig einfach der atmosphärischen CO2-Masse bzw. der Konzentration im Atmosphären-Gas gleichsetzt und daraus über seine Spektralausblendung eine Temperaturerhöhung ableitet. Die Dynamik der Atmosphäre verlangt mehr Information. Ob das relevante menschliche Handeln gefährlich ist, kann wohl nur mit Blick auf frühere Bedrängnisse des Menschen realitätsgerecht beurteilt werden.

Hierzu gehört ein Bildteil1 mit dem Thema:
Das Klima, Leben im Zeitalter der Prophetie?

^{1 Getrennt und anhängend: Bild-Teil 45 Folien, Inhaltsverzeichnis: Seite 25}

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Inhalt des Text-Teiles:

1. Des Menschen Blick in die Zukunft 3
Messdaten-Fortschreibung ­ Modell-Simulationen ­ Grenzen ­ Prognose-Beispiele Trendorientierung ­ Dynamische Modelle mit Schwingungen Stand der Wissenschaft (Seite 8) ­ Kommissionsbeschluß ­ Bezug: Geschichte der Erde und des Einflusses auf die Erde als Planet
2. Die Mittelwert-Bildung 11
Risiko Fehlinterpretation ­ Stichprobe ­ Repräsentanz ­ verschiedene Mittelwerte Beispiele: Luft-Temperatur, Kohlendioxidgehalt in Atmosphäre
3. Die paläoklimatischen Messdaten 14
Repräsentanz, Rückstellprobe
4. Der Einfluss des Menschen auf seine Umwelt, das globale Klima 16
Energieverbrauch ­ Kohlendioxid-Erzeugung ­ Ende der C-Vorräte zur Verbrennung
5. Die Voraussetzungen für Klimavoraussagen hoher Wahrscheinlichkeit 19
Homogenität Atmosphäre ­ mathematische Erfassbarkeit in Gleichungen ­ Messort-Dichte ­ Ausreißer-Elimination 6.
,,Sichere" Klimaaus- und ­voraussagen 20
Vorhersager Verantwortung
7. Der Stand der Erkenntnis von Klima-Prognosen 21
Prüfer ­ Prognose-Güte ­ Unsicherheit ­ Grenzen menschlichen Einflusses 8.
Erkenntnis ­ Wie geht es weiter? 22

Literatur-Hinweise:
Rasemann, W. ­ M. Herbst. Probenahme und geostatistische Datenanalyse zur Bewertung von Altablagerungen. 2. Tagung ,,Probenahme" IQS TU Freiberg, 1996. S. 25-40. Vgl. auch: Umweltwissenschaften u. Schadstoff-Forschung 10(1998)1 S. 81-89, Freib. Forschungshefte 2000. Rasemann, W. Repräsentativität von Stoffdaten ­ ein statistischer Ansatz zur Begriffsbestimmung. 8. Freiberger Probenahmetagung. IQS TU Freiberg. 8./9.11.2002, S. V 2, S.1 bis 8 Sommer, K. Probenahme zur Qualitätssicherung, wie viel? Wie groß? Wo? Ebda. V1, S. 1 bis 12. Rabich, A. Die Bestimmungs-Unsicherheit von Stoff-Inhaltsbestandteilen bei heterogenen Massen. 2. Tagung Arbeitskreis ,,Probenahme", IQS TU Freiberg, V 11, S. 105 bis 117.

Dr.-Ing. Adalbert Rabich, Dülmen
22.03.2009

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1. Des Menschen Blick in die Zukunft.

Täglich wird der Mensch mit den voraussichtlichen Entwicklungen des Wetters, der Wirtschaft, der Wärmeentwicklung seiner Atmosphäre konfrontiert. Das Bedürfnis etwas darüber zu ,,wissen", was die Zukunft ihm bringen wird, ist schon seit alten Zeiten vorhanden. Dass es nicht beeinflussbare Naturgewalten und Gesetzmäßigkeiten gibt, ist ihnen durch tägliche Erfahrung bekannt. Weltweit verehren sie die Sonne als etwas, die ihnen in verschiedenen Regionen das Leben erst ermöglicht. Über das, was ihnen persönlich womöglich in der Zukunft verfährt, suchen sie bereits im Altertum Rat an Orakel-Stätten, um sich dort von Sehern oder Seherinnen weissagen zu lassen. Bei Zweideutigkeiten der Antworten wählen sie oft ­ menschlich bedingt - die ihnen naheliegende und für sie günstige.

In den letzten Jahrhunderten ist der Erfahrungsschatz in den Naturwissenschaften ungeheuer angewachsen und man nutzt erfasste Daten entsprechend den Naturgesetzen und den mathematischen Folgerungen aus der Statistik für das Errechnen von Wahrscheinlichkeiten des Eintreffens zukünftiger Ereignisse durch Fortschreibung vergangenen Geschehens. Allen aufgeklärten Menschen ist aber bewusst, dass wegen der Datenlücken und der bei der Fort-Rechnung auftretenden Fehler Ungewissheiten entstehen, die nicht immer größenmäßig angebbar sind. Zuweilen kommt es sogar vor, dass etwas deshalb als ,,sicher" bezeichnet wird, weil das für die Meinung eines Teils von Menschen zweckmäßig erscheint. Heute kennen wir den Rat der Weisen oder Wissenschafts-Experten, die den Politikern oder dem Volk verkünden, wie der Wagen weiterlaufen wird. Nicht selten wird mit abstrakten Modellen, die den Anschein der Exaktheit erwecken und damit unangreifbar erscheinen können ­ bis sie, wie zurzeit, an der Realität jämmerlich scheitern.2

Jeder hat seine eigenen Erlebnisse und hat sich ein Bild der Tatsächlichkeit geschaffen. Bei kurzfristigen Prognosen wie solchen vom örtlichen Wetter für die nächsten drei Tage oder von Jahres-Voraussagen wirtschaftlichen Wachstums von Deutschland kann er prüfen, was denn nun gestimmt hat ­ und man kann das dann über längere Zeit fortsetzen: wie oft traf diese Art von Prognosen tatsächlich ein? [Folie 3]3. Wenn man den Bogen in noch fernere Zukunftsereignisse spannt, dann wird es kritisch und man muss sich fragen: wie unscharf oder wie ungenau ist die Prognose, z.B. die für einem Klima in hundert Jahren?

^{2 Horstkötte, H. Wirtschaftsprophetie auf wackligem Fundament. VDI-Nachrichten, 11.03.2009 ws, S.6, letzter Satz.
3 Im Bild-Anhang (aus einem Vortrag).}

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Die moderne Wissenschaft bedient sich gesicherter Messdaten in Reihen über längere Zeit und schreibt diese fort, eingedenk der möglichen Abweichungen mit Wahrscheinlichkeiten belegt. Aber wir können nicht alles messen, was womöglich in einem komplexen System von Einfluss ist, und wir können nicht alles einwandfrei mathematisch beschreiben. Der Mensch ist in seinem Anschauungs- und Vorstellungsvermögen beschränkt, weshalb er geneigt ist, vereinfachte Modelle als Hilfsmittel zu verwenden, allerdings eingedenk der möglichen Unzulänglichkeiten und Schwächen. Wenn er dasjenige, was er misst, als Grundlage nicht reicht, verwendet er Modell-Simulationen4, er ,,prüft", wie durch Verändern gewisser Einflußgrößen sich die Ergebnisse verändern und überlegt, welches Ergebnis realistisch als weiter zu gebrauchende Annahme berechtigt ist. Ein wichtiger Grundsatz heißt dann in einer Forschungs-Abteilung: erkennst Du einen Fehler, so beseitige ihn so schnell wie möglich, macht einer sich auf ein Denk- oder Folgerungsfehler aufmerksam, so sei ihm dankbar!

Vor über 50 Jahren setzten sich einige ,,Experten" zusammen, um auf Grund der Erfahrungen biomathematischer Entwicklungs-Gesetze das künftige Wachstum von Bevölkerung, Wirtschaft, Rohstoff-Vorräten usw. Warnungen vor Illusionen auszusprechen5. Denn es gehört zu den allgemeinen Erfahrungs- Grundwahrheiten, dass ein ins Unendliche fortgeschriebenes Wachstum nicht wirklich geben kann. ,,Natürliche" Grenzen verhindern das6. Ein Beispiel: ein vor zweitausend Jahren als Start-Sparkapital hingelegter würde bei einem konstanten Zinssatz (exponentiell) ins Astronomische wachsen. Da wird eine Grenze sichtbar, allerdings nicht, weshalb eine solche bisher nicht eintrat. Die Geld-Stabilität hat nie so lange gehalten. Auch meinen wir, dass die Bevölkerung nicht so lange zunehmen kann, bis ein Umstand dessen Wachstum ausbremst oder ausbremsen muss wie z.B. durch das Erreichen der Grenze der Ernährbarkeit über eine landwirtschaftliche Nutzung der Agrarböden7 oder nicht mehr ertragbaren Klimas.

Bisher waren die meisten Menschen zufrieden, wenn sie ihr persönliches Umfeld, ihr Klima ,,kannten" und über das hinaus ­wenigstens für geringe Zeit - gucken konnten. Die Altvorderen sahen die Jahreszeiten und die Rhythmik in der Natur für ihre Nahrung ­ und sie wussten um die Schwankungen8. In der Nordhemisphäre unserer Erdkugel ,,erlebte" der

^{4 Meßdaten + Simulations-Daten > Datenassimilation.
5 Meadows, Donella u.a. Limits to growth. 1972. www.clubofrome.de
6 www.stat-math.uni-essen.de/~davies/ECOLmath/node6.html o. node7.html. Ausnahme: Weltall?
7 Gegenwärtig nur etwa 16 % vom Land biologisch nutzbar. Die Intensitätssteigerung führt gleichzeitig zu einer
Degradation. Das Ende ist noch nicht zu erkennen.
8 www.aionik.de/Schriften/Artenwandel-2.htm}

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Mensch unmittelbar an sich die Eiszeiten, in der Sahara das Schwinden der Flora und Fauna. Unsere von den Meteorologen entworfenen Wetterkarten umfassen heute ganze Kontinente, wenn auch mit Toleranzbreiten zukünftiger Temperaturen und Niederschläge. Die Wissenschaftler rätseln, wie sich wohl das globale Klima entwickeln würde, seit die Paläoklimatiker ­ auch infolge der Eisbohrungen in den vereisten Polen -erste Daten lieferten9 und die Welt mit der Botschaft: das globale Klima ist in Gefahr! aufschreckten. Sie treffen sich in einer internationalen Organisation.

Die Vereinten Nationen rufen 1988 einen Rat von ,,Klima-Experten" und Umweltwissenschaftlern ins Leben10, der 1990 seinen ersten Sachstandsbericht abliefert, nachdem 1980 mit dem Aufbau von Messstationen für bestimmte atmosphärische Daten über den Ozean aufzubauen begonnen war und man sich bewusst wurde, dass man wegen der ungeheuren Messdaten-Lücken über der Erde, vornehmlich über die Meeresgebiete, diese nur unter Annahmen in Aussagen für ein zukünftiges globales Klima verwerten darf11. Allerdings weiß man um die wesentliche Antriebsmotorik durch die Sonne und durch flüssiges Wasser im Kreislauf des Kohlenstoffes und damit über den Anteil des Spurengases Kohlendioxid in der Atmosphäre und im Wasser.

Man macht Voraussagen, z.B. über den Anstieg des Meeresspiegel-Niveaus infolge des durch Erwärmung der Atmosphäre und der Erde und damit Abschmelzens des gefrorenen Wassers an den Polen. Man muss diese jedoch laufend den jeweils neuen Erkenntnissen anpassen, gewissermaßen im Iterationsverfahren ,,trial and error"12:

1988 0,2 bis 1,5 m; 1990 0,13 ­ 1,1 m; 1995 0,13 ­ 0,94 m;

2001 0,09 ­ 0,88 m; 2007 0,18 ­ 0,59 m.

Würde das gesamte in Eis gebundene Wasser schmelzen13, dann würde (rechnerisch) der Meeresspiegel (weltweit) um 60 m ansteigen.

Aus der Paläoklimatik leiten wir ab: vor 40 Millionen Jahren war das Niveau um 80 m höher als heute, vor 3 Millionen Jahren um 30 m, vor 2,5 Millionen Jahren war der Nordpol eisfrei,

^{9 Militärisch ab 1957, vermehrt ab 1966, GISP 1 in Grönland 1981, GISP2 1988.
10 IPCC = Intergovernmental Panel on Climate Change. NIPCC = Nonintergoverm. PCC.
11 www.atmosphere.mpg.de und www.de-ipcc.ch.
12 Versuch und Irrtum bzw. Annahme, Vermutung und Korrektur.
13 Etwa 1,2 % allen Wassers.}

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vor 18 Tausend Jahren war das Niveau um 130 m niedriger (Eiszeit). Da das Schmelzwasser kein Salz enthält, kann es bei größeren Mengen die herrschenden Meerwasserströmungen destabilisieren. Zur Zeit der Homonoiden, vor 7 Millionen Jahren war das Mittelmeer trocken, weil die Pole, insbesondere der Südpol vereiste. Das Gibraltar-Tor war verschlossen14. Jahrtausende später kam Wasser hinein und füllte das Mittelmeer. Die Menschen der damaligen Zeit (Neandertaler, homo sapiens) erlebten das hier und im Schwarzen Meer15. Für die damaligen Anwohner war das eine Klimakatastrophe.

Für das atmosphärische Kohlendioxid kann man zum Gründungs-Zeitpunkt des IPCC nur die wenigen vorhandenen Daten verwenden16. Wenn man daraus eine längerfristige und treffsichere Prognose-Aussage entwickeln will, muss die Messdaten-Reihe einerseits zwanglos in die Zukunft fortgesetzt werden können, aber auch für die historischen rückwärts zu den paläoklimatischen Daten17. Dafür ist die vorliegende verlässliche Messdaten-Reihe jedoch reichlich kurz und die Daten selbst entsprechen nicht einer genormten Qualität. Da die instrumentelle Analysentechnik erhebliche Fortschritte gemacht hat, weisen ältere Messdaten einen größeren Unsicherheitsgrad auf. Auch wurde die Meßortdichte erhöht18. Erst jüngst wurden hochwertige Referenzmaterialien19 geschaffen und es heute wird nur dann gemessen, wenn man die ,,Hintergrundkonzentration" der atmosphärischen Luft erfassen kann20. Allerdings ist die Meßortdichte auch heute noch nicht hinreichend groß genug.

So muss man sich halt derzeit mit einer möglichen Trend-Orientierung begnügen, wenn man auch in den letzten beiden Jahrzehnten unablässig bemüht ist, das Messdaten-Netz zu verdichten und mathematische Modelle zur Mittelwertbildung21 und zu einem globalen Klima zu entwerfen, die aber laufend angepasst und verbessert werden müssen. Besonders delikat ist die Kausalität vom anthropogenen Kohlendioxid-Wirken auf die Erwärmung, weil sie an sich vorhanden ist, aber in der Größenordnung und in der Abfolge beobachteter Vorgänge unterschiedlich gedeutet und bewertet wird. So bewegt sich der Grad der Erwärmung

^{14 Messinische Salinitätskrise, Ozean = salzhaltig, Flußwasser = Süßwasser.
15 Es gab weitere für den Menschen und seine Wanderungen einschneidende Vorgänge: Beringstraße, Australien.
16 Seit 1958 Beobachtungen und Messungen CO2-Konzentratioin am Mauna Lova Oberservatorium/Hawai.
17 Anfänglich war die CO2-Konzentration relativ hoch und sank dann gewaltig ab, vor 50 Millionen Jahren soll sie etwa bei 1500 ppmv gelegen haben. Der Partialdruck in der Atmosphäre nahm also kontinuierlich, wenn auch nicht gleichmäßig ab. Als Ursache wird z.T. die Zellatmung der Pflanzen herangezogen. Sie sorgte aus CO2 mit Wasser H2O den Umbau zu C6H12O6 und von da 6 O2, also Sauerstoff-Erhöhung, von der wir profitieren.
18 Einschließlich der Unterstützung durch Satelliten-Messungen/Fernerkundugen FTIR-CO2-Messung (Spektrallinien der Sonne, Schwächung) Universität Bremen. Eichen mit bodennahen Werten.
19 NOAA in Boulder, Colorado ist Referenzlabor (Galway Bay).
20 Z.B. in der Messstation in Irland ,,saubere Luftmasse".
21 Erster Ansatz 1987.}

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zwischen einigen Zehntel-Grad22 und einem katastrophalen Fall noch in diesem Jahrhundert. Dementsprechend klaffen auch die Ansichten über den möglichen Einfluss des Menschen auf die Erwärmung krass auseinander23.

Während bei der Messung von Funktions-Größen des Klimageschehens die Stichprobengüte und Meß- und Auswerte-Qualität wichtig sind, muss der Modellierungsprozess einer Reihe von Bedingungen genügen, um bei den Verwendern der Modell-Simulationsergebnisse Vertrauen zu wecken. Das Modell-Klima muss nicht nur auf die Troposphäre24 beschränkt werden, sondern es müssen die Funktionen ,,richtig" und abbildungstreu in mathematische Gleichungen25 überführt werden. Da man das wirkliche ,,Klima" mit seinem nichtlinearem Verhalten und seinen Rückkoppelungen mathematisch nicht voll erfassen kann, muss man eine Reihe von Annahmen einfügen und das Modell nur zum Studium der Reaktionen auf Änderungen bestimmter Einflußgrößen in sogenannten Szenarien benutzen wie es allgemein in der Technik bei Risiko-Analysen von Prozessen üblich ist. Den Entscheidern für die Verwendbarkeit einer Variante obliegt es dann, den ,,richtigen" Fall herauszuschälen26.

Das Klimageschehen ist offenbar eine Zusammenfassung von verschiedenen Schwingungsvorgängen der Einzelmassen wie vom Wasser und der Luft. Schon das Tagesmittel ­ aus den astronomischen Gegebenheiten - weist auf eine Periodizität hin. Will man die Ursachen auf diese Dynamik erforschen, dann muss man eine harmonische Analyse aus den Messdaten-Reihen vornehmen und zusätzlich noch die Verteilung der Gaskonzentrationen in der Höhe untersuchen. Es ist aber bereits heute abzusehen, dass die Schwingungen im Laufe der Erdgeschichte nicht gleichblieben und dass es damit und deswegen weiterer Klärungen bedarf. Die Einordnung von sogenannten Klima-Extremen wie Stürmen (Wind), Vulkaneruptionen usw. ist wegen der fehlenden statistisch notwendigen Daten derzeit noch nicht möglich; man kann sie als ,,Ausreißer" behandeln und damit bei einer Klimaprognose außen vorlassen, man kann sie doch auch übergewichten. Ein Nachweis des CO2-Klimaeffektes auf die Atmosphären- oder Boden-Temperatur der Erde ist bis heute nicht gelungen und scheint auch physikalisch gegenwärtig nicht machbar.

^{22 Der Größenordnung nach: 1901-2000 0,7, 1981 ­ 2000 aber bereits 0,3 ° C.
23 Bundesregierung am 18.12.2008: 1,5 bis 3,5 ° C/21. Jahrhundert auf Grund der menschlichen CO2-Steigerung
24 Untere Atmosphärenschicht, in der das Wetter sich global abspielt (bis etwa 10 km Höhe).
25 Partielle u. gewöhnliche Differential- und algebraische Gleichungen auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Siehe: Richard B. Alley. Das instabile Klima. Spektrum der Wissenschaft 2/2005.
26 Z.B. den denkbaren ,,worst case", den schlechtesten oder für seine Zwecke brauchbarsten Fall.}

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Das Dilemma der Bildung eines einheitlichen Standes der Wissenschaft.

Dass Meinungen gebildet und zu einer beherrschenden Meinung ausgebaut werden, ist bekannt. Dann können sich solche Meinungen zu einem anerkannten Stand der Wissenschaft verdichten und Minderheiten gelingt es schwer, in diese Phalanx einzudringen. Diese Minderheiten sind systemfremd und werden deshalb zuweilen bekämpft, allerdings manchmal, wenn auch spät anerkannt. In der Wissenschaft ist es jedoch zwingend, sich frei zu machen von der Macht der ,,richtigen" Ansicht, die Dinge so zu sehen, wie sie sind. Damit verbunden ist womöglich der Rückzug aus einer ,,unbedingten Richtigkeit" einer Vorhersagbarkeit des Verhaltens von Systemen auf das Machbare. 1986 sagte der Präsident27: Wir sind uns heute bewusst, dass die Begeisterung, die unsere Vorgänger für den phantastischen Erfolg der Newtonschen Mechanik empfanden, sie auf diesem Gebiet der Vorhersagbarkeit zu Verallgemeinerungen verleitet hat, an die wir vor 1960 möglicherweise allgemein geglaubt haben. Wir möchten uns gemeinsam dafür entschuldigen, dass wir das gebildete Publikum in die Irre geführt haben, indem wir bezüglich des Determinismus von Systemen, die Newtonsche Bewegungsgesetzen genügen, Ideen verbreitet haben, die sich nach 1960 als inkorrekt erwiesen haben. Für das Klima gilt, dass in der Atmosphären-Physik alle Naturgesetze gelten28, jedoch nicht alle in ihren dortigen Zusammenhängen oder dem imaginären Experten, der den Stand der Wissenschaft verkörpert, bekannt sind. Bei der ungeheuer großen bereits jetzt vorhandenen relevanten Wissensmenge wäre dies auch wohl nur einer koordinierten Stelle und bei strenger Selbstkontrolle möglich. So bilden die Klima-Experten oder ­forscher eine heterogene Wissenschaftlergruppe für sich.

Eines ist bei den oft als allgemein anerkanntem Stand der Wissenschaft unterlegten und veröffentlichten Klima-Meinungen klar zu erkennen: eine in einer großen Kommission von Tausenden von ,,Wissenschaftlern" und ,,Experten" zusammengefasste und ,,abgestimmte" Schlussfolgerung, in der sich nicht alle Teilnehmer wiederfinden, weist nicht von vornherein einen anerkannten Stand der Wissenschaft auf. Dazu fehlen das Charakteristikum eines standardisierten Anerkennungsverfahrens und die Hereinnahme begründeter abweichender Einzelmeinungen, wenn keine Einigkeit in der Eindeutigkeit der Aussagen vorliegt. Das Ziel der Kommission IPCC ist die Beratung von Politikern, von Regierungen und die

^{27 International Union of Theroetical and Applied Mechanics, Sir James Lighthill. Siehe auch: The recently recognized failure of predictability in Newtesian dynamics. Proc. Roy. Soc. London A 407, 35 (1986).
28 Edward Lorenz 1963: Vorhersagbarkeit der Atmosphäre als chaotisches System ist beschränkt. Die Fehlerwahrscheinlichkeit nimmt zu mit dem Fehler von Anfangsbedingungen und der Zeit.}

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