„Projektionen von Klimamodellen könnten die Gesellschaft in einem falschen Gefühl von Sicherheit wiegen“, berichten die Wissenschaftler um Timothy Lenton von der britischen University of East Anglia in Norwich und Hans Joachim Schellnhuber vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung. Der globale Wandel erscheint für menschliche Maßstäbe langsam und graduell. In bestimmten Regionen der Erde kann der menschliche Einfluss aufs Klimasystem jedoch sprunghafte und teilweise unumkehrbare Entwicklungen anstoßen. Für diese Bestandteile des Erdsystems führt das internationale Forscherteam den Begriff „Tipping Elements“ (deutsch: Kippelemente) ein.
Die Wissenschaftler haben die Ergebnisse eines Workshops mit 36 führenden Klimaforschern im Oktober 2005 in der britischen Botschaft in Berlin analysiert. Später befragten sie 52 weitere Experten und werteten die gesamte relevante wissenschaftliche Literatur aus. Nun benennen sie neun potenzielle Kippelemente im Klimasystem der Erde, die bei der Fortentwicklung der internationalen Klimapolitik besonderes berücksichtigt werden sollten.
Besonders anfällig seien das arktische Meereis und der Grönländische Eisschild. Wissenschaftler gehen mit großer Sicherheit davon aus, dass das Eis aufgrund der globalen Erwärmung schwinden wird. Der Westantarktische Eisschild ist wahrscheinlich ein stabileres Kippelement, die Projektionen seines Verhaltens sind jedoch mit relativ großer Unsicherheit behaftet. Das gleiche gilt für den Amazonas-Regenwald, die Wälder in nördlichen Breiten, das El-Niño-Phänomen und den westafrikanischen Monsun. „Diese Kippelemente sind Kandidaten, die die Gesellschaft überraschen könnten“, berichtet das Forscherteam in dem Artikel, der in der PNAS Online-Ausgabe erscheint. Ein weiteres Kippelement ist der Meeresströmungskreislauf der so genannten Thermohalinen Atlantikzirkulation, zu der der Nordatlantikstrom gehört. Laut des 2007 erschienenen UN-Klimaberichts könnte sich dieses Strömungssystem mit einer Wahrscheinlichkeit von bis zu zehn Prozent noch in diesem Jahrhundert abrupt verändern.
Angesichts der potenziell dramatischen Auswirkungen des Kippens dieser Elemente rechnen die Autoren damit, dass der Klimaschutz verstärkt wird. Es müssten auch neue Anpassungsstrategien an den Klimawandel gefunden werden, die über bisherige Schritt-für-Schritt-Konzepte hinausgehen. Umgekehrt sollte die Entwicklung der globalen Gesellschaft ebenfalls auf mögliche Kippelemente untersucht werden. Die Aussagen einiger Modelle ließen vermuten, dass auf dem Weg zur kohlenstoffarmen Gesellschaft gewisse Kipppunkte überschritten werden müssten.
Kippelemente hoher Anfälligkeit, geringe Unsicherheit:
Grönländischer Eisschild – Die Erwärmung über dem Eisschild beschleunigt den Eisverlust durch Gletscher, die ins Meer fließen. Der Rand des Eisschildes verliert dadurch an Höhe, was die Erwärmung und den Eisverlust weiter verstärkt. Wann genau der Kipppunkt zum Zerfall des Eisschildes überschritten ist, lässt sich bislang nicht beurteilen. Die heutigen Modelle können das beobachtete Abschmelzen der Gletscher nicht genau erfassen. Wird aber die kritische Grenze von drei Grad Celsius lokaler Erwärmung überschritten, könnte der Eisschild schlimmstenfalls schon innerhalb von 300 Jahren abschmelzen. Dies würde den Meeresspiegel um bis zu sieben Meter ansteigen lassen.
Arktisches Meereis - Wenn auf dem Meer schwimmendes Eis schmilzt, wird darunter die dunklere Wasseroberfläche sichtbar. Sie nimmt mehr Sonnenstrahlung auf als weiße Eisflächen, was die Erwärmung verstärkt. Das lässt im Sommer das übrige Eis schneller abschmelzen und bremst im Winter die Neubildung. In den letzten 16 Jahren hat die Eisbedeckung des Nordpolarmeeres im Sommer deutlich abgenommen. Die kritische Belastungsgrenze könnte zwischen 0,5 und 2 Grad Celsius globaler Erwärmung liegen und bereits überschritten sein, sodass sich schon in wenigen Jahrzehnten ein neuer Zustand mit einer im Sommer eisfreien Arktis einstellen könnte.
Kippelemente mittlerer Anfälligkeit, große Unsicherheit:
Westantarktischer Eisschild - Satellitenmessungen deuten darauf hin, dass der Eisschild bereits Masse verliert. Seine Sohle liegt zu großen Teilen unterhalb des Meeresspiegels. Würde sie von Meerwasser unterspült, würde das Eismassiv instabil. Der Kipppunkt liegt wahrscheinlich bei einer Erwärmung der Region von fünf bis acht Grad Celsius im Sommer. Im schlimmsten Fall könnte der Westantarktische Eisschild in drei Jahrhunderten abtauen und den Meeresspiegel um fünf Meter ansteigen lassen.
Borealwälder - Das Wachstum der Wälder in den nördlichen Breiten wird vom Stoffwechsel der Bäume, vom Frost und von Bränden bestimmt. Bei einer globalen Erwärmung um drei bis fünf Grad Celsius könnten in fünfzig Jahren große Flächen der Wälder absterben. Die Bäume würden im Sommer größerer Trockenheit und Hitze ausgesetzt und in der Folge stärker an Krankheiten leiden. Da im Winter aber voraussichtlich weiterhin häufig Frost herrschen wird, werden die Verluste nicht durch Baumarten aus gemäßigten Breiten ausgeglichen.
Amazonas Regenwald - Die globale Erwärmung und die Entwaldung in der Region lassen die Niederschläge voraussichtlich um bis zu dreißig Prozent abnehmen. Da die Trockenzeiten länger werden und die Temperaturen im Sommer steigen, kann sich der Wald nicht regenerieren. Bei einer Erwärmung um drei bis vier Grad Celsius könnte er nach Modellaussagen bereits in fünfzig Jahren großflächig absterben. Auch die Entwaldung allein könnte diesen Prozess in Gang setzen.
El Niño - Südliche Oszillation (ENSO) - Das Klimaphänomen ENSO wird maßgeblich von der Schichtung unterschiedlich warmen Wassers im Pazifik und der jährlichen Temperaturentwicklung entlang des Äquators bestimmt. Im durchschnittlich drei Grad wärmeren Zeitalter des Pliozäns von vor etwa fünf bis vor zwei Millionen Jahren könnte die Oszillation von anhaltenden El-Niño- oder La-Niña-Bedingungen überlagert worden sein. Stabilisiert sich das Klima bei insgesamt wärmeren Bedingungen, wird El Niño nach den realistischsten Modellaussagen wahrscheinlich stärker aber nicht häufiger eintreten.
Sahara/Sahel- und Westafrikanischer Monsun - Die Stärke der Niederschläge hängt eng mit der Vegetationsbedeckung in der Region und den Oberflächentemperaturen des Atlantischen Ozeans zusammen. Die globale Erwärmung würde den Monsun verstärken, bei drei bis fünf Grad Celsius könnte die Luftzirkulation jedoch zusammenbrechen, die die regelmäßigen Niederschläge in die Region bringt. Das könnte entweder zu Trockenheit führen oder verstärkte Niederschläge bringen, da mehr feuchte Luft von Westen einströmt. Ein drittes Szenario zeigt, dass sich die Zahl der anomal trockenen Jahre bis Ende des Jahrhunderts verdoppeln könnte.
Indischer Sommermonsun - Die Zirkulation der Luftströmungen, die Indien den Sommermonsun bringen, wird von einem Druckgefälle in der Atmosphäre über Meer und Festland angetrieben. Die globale Erwärmung verstärkt die Niederschläge, da wärmere Luft mehr Feuchtigkeit aufnimmt. Luftverschmutzung und Landnutzung, die die Reflektion von Sonnenlicht verstärkt, haben dagegen einen dämpfenden Effekt. Der Indische Sommermonsun könnte bereits in den kommenden Jahren unberechenbarer werden und im Extremfall beginnen, chaotisch zwischen stärkeren und schwächeren Regenfällen zu pendeln.
Kippelemente geringer Anfälligkeit, mittlere Unsicherheit:
Thermohaline Atlantikzirkulation - Der Kreislauf der Meeresströmungen im Atlantik wird von Meerwasser angetrieben, das in den Nordatlantik strömt, sich dort abkühlt und absinkt. Strömt dort mehr Süßwasser ein, aus Flüssen oder von abschmelzenden Gletschern, oder wird das Meerwasser erwärmt, verringert sich seine Dichte. Bei einer globalen Erwärmung von drei bis fünf Grad Celsius könnte der Kipppunkt überschritten werden und die Strömungen in die Tiefe aussetzen. Unter diesen Bedingungen würde der Nordatlantikstrom abreißen, der Meeresspiegel im Nordatlantikraum steigen und der tropische Niederschlagsgürtel verschoben.
Artikel:
Lenton, T. M.,
Held, H., Kriegler, E., Hall, J. W., Lucht, W., Rahmstorf, S. and
Schellnhuber, H. J. (2008). Tipping elements in the Earth's climate
system. Proceedings of the National Academy of Sciences, Online Early
Edition
Kommentare von Autoren des Potsdam-Instituts:
Hans Joachim Schellnhuber:
"Dies ist die erste systematische Analyse der Kippelemente-Problematik. Wir haben einen mathematischen Formalismus eingeführt und die gesamte relevante wissenschaftliche Literatur ausgewertet, sodass wir nun über eine klare Definition für Kippelemente verfügen. Davon ausgehend haben wir Kippelemente im Klimasystem der Erde identifiziert, die für die Klimapolitik von besonderer Bedeutung sind. Man könnte diesen Artikel als einen Mini-IPCC-Bericht über Kippelemente betrachten."
Stefan Rahmstorf
zu Auswirkungen auf Europa:
"Von den beschriebenen Kippelementen haben der Grönländische Eisschild, das arktische Meereis und die Thermohaline Atlantikzirkulation (THZ) das größte Potenzial für direkte Auswirkungen auf Europa. Einige Modelle zeigen, dass abrupte Veränderungen der THZ zu einer regionalen Abkühlung in Europa führen könnten. Die weit verbreitete Vorstellung einer „neuen Eiszeit“ ist jedoch falsch. Die globale Erwärmung würde wahrscheinlich zumindest für ein bis zwei Jahrhunderte überwiegen, sodass sie durch den reduzierten Wärmetransport im Ozean nur etwas geringer ausfiele. Europa würde sich nicht gegenüber dem heutigen Klima abkühlen. Eine abrupte Veränderung der Strömungen würde aber andere deutliche Auswirkungen haben: einen zusätzlichen Anstieg des Meeresspiegels im Nordatlantik und tiefgreifende Störungen der Lebensräume und Artengemeinschaften im Meer."
"Wie der Artikel zeigt, schätzen die meisten Experten das Risiko größer ein, dass der Kipppunkt des Grönländischen Eisschildes überschritten wird. Mindestens ebenso hoch wird in dem Artikel das Risiko für den Kipppunkt beim Arktischen Meereis eingeschätzt, wobei sich diese Aussage auf die relevante Literatur und Computermodelle stützt. Das Abschmelzen des Grönländischen Eisschildes hätte global einen Anstieg des Meeresspiegels um mehrere Meter zur Folge. Der Schwund des Arktischen Meereises würde das Ökosystem des Nordpolarmeeres grundlegend verändern und sich wahrscheinlich auch auf die atmosphärische Zirkulation auswirken, sodass in Europa veränderte Wetterlagen und Extremereignisse eintreten könnten. Das Abschmelzen sowohl des Grönländischen Eisschildes als auch des Arktischen Meereises würde den Süßwassereintrag in den Nordatlantik beträchtlich erhöhen, was die THZ abschwächen würde. Es könnte zu einer Art Kettenreaktion kommen: der Schwund des Arktischen Meereises könnte die Erwärmung im Polargebiet verstärken und damit das Abschmelzen des Grönländischen Eisschilds beschleunigen. Der Süßwassereintrag könnte dann irgendwann die Tiefenströmung unterbinden und den Nordatlantik-Strom unterbrechen, der Teil der THZ ist."
Auswahl weiterer Publikationen zu Kippelementen (mit Autorenschaft des Potsdam-Instituts):
Schaphoff, S., W. Lucht, D. Gerten, S. Sitch, W. Cramer, and I.C. Prentice (2006): Terrestrial biosphere carbon storage under alternative climate projections, Climatic Change, 74, 97-122.
Zickfeld, K., Knopf, B., Petoukhov, V. & Schellnhuber (2005): Is the Indian summer monsoon stable against global change? Geophysical Research Letters, 32.
Zickfeld, K., A. Levermann, M. G. Morgan, T. Kuhlbrodt, S. Rahmstorf, and D. W. Keith (2007): Expert judgements on the response of the Atlantic meridional overturning circulation to climate change. Climatic Change, 82, 235-265. Siehe http://www.pik-potsdam.de/~stefan/Publications/Journals/zickfeld_etal_2007.pdf
Rahmstorf, S. and Zickfeld, K. (2005): Thermohaline circulation changes: a question of risk assessment. Climatic Change, 68, 241-247. Siehe http://www.pik-potsdam.de/~stefan/Publications/Journals/rahmstorf&zickfeld_2005.pdf
Held, H., T. Kleinen, (2004): Detection of climate system bifurcations by degenerate fingerprinting, Geophysical Research Letters, 31.
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