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Kippelemente im Erdklimasystem

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Mögliche Kippelemente im Erdsystem[1]

Als Kippelement (englisch Tipping Element) wird in der Erdsystemforschung ein überregionaler Bestandteil des globalen Klimasystems bezeichnet, der bereits durch geringe äußere Einflüsse in einen neuen Zustand versetzt werden kann, wenn er einen „Kipp-Punkt“ bzw. „Tipping-Point“ erreicht hat. Diese Änderungen können sich abrupt vollziehen und zum Teil unumkehrbar sein.[2]

Geschichte

Das Konzept der Kippelemente wurde von Hans Joachim Schellnhuber um das Jahr 2000 in die Forschungsgemeinschaft eingebracht.[3][4] Aufbauend auf seinen Arbeiten zur nichtlinearen Dynamik wies er – als einer der koordinierenden Leitautoren der Arbeitsgruppe II – im dritten Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (2001) auf die bis dahin vernachlässigte Möglichkeit diskontinuierlicher, irreversibler und extremer Ereignisse im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung hin. Bis dahin war vorwiegend von linearen, allmählich stattfindenden Veränderungen ausgegangen worden.[5]

Der im Februar 2008 publizierte Fachartikel „Tipping elements in the Earth's climate system“ gehörte in den Jahren 2008 und 2009 zu den am häufigsten zitierten Fachartikeln im Bereich der Geowissenschaften.[6] Die Forschungsarbeit zu dem Artikel hatte im Oktober 2005 begonnen. Bei einem Workshop in der Britischen Botschaft in Berlin hatten 36 britische und deutsche Klimaforscher das Konzept diskutiert und mögliche Kippelemente im Erdsystem identifiziert. Im Jahr darauf wurden 52 weitere internationale Experten befragt sowie die gesamte relevante wissenschaftliche Literatur zu dem Thema ausgewertet. Als Ergebnis wurden neun potentielle Kippelemente benannt, bei denen der Kipp-Punkt vor dem Jahr 2100 erreicht werden könnte.[7] Inzwischen wurden weitere mögliche Kippelemente identifiziert.[8]

Bisher identifizierte mögliche Kippelemente

Die Arbeitsgruppe um Schellnhuber benannte im Jahr 2008 die folgenden neun potenziellen Kippelemente:[7]

Von diesen neun Kippelementen stellen nach Einschätzung der befragten Experten derzeit das Abschmelzen des arktischen Meereises und des grönländischen Eisschilds die größte Bedrohung dar.[1]

Später wurden noch weitere Kippelemente identifiziert:[2]

  • Schwinden der tibetischen Gletscher
  • Methan-Ausgasung aus den Ozeanen und aus anderen Methanhydrat-Lagerstätten
  • Methan- und Kohlendioxidemissionen aus tauenden Dauerfrostböden[9][10]
  • Austrocknen des nordamerikanischen Südwestens
  • Abschwächung der marinen Kohlenstoffpumpe
  • Zerstörung von Korallenriffen

Abschmelzen des arktischen Meereises

Umfang der arktischen Meereisbedeckung in den letzten 1450 Jahren[11]

Ob das Abschmelzen des arktischen Meereises bereits einen Kipppunkt überschritten hat, bzw. ob es in Zukunft dazu kommen wird, wird seit einigen Jahren diskutiert.[12] In Folge der globalen Erwärmung hat sich in den letzten Jahrzehnten – bedingt durch die polare Verstärkung – die Lufttemperatur in der Arktis um das Dreifache des globalen Durchschnitts erhöht. Es wurde dort seit den 1970er Jahren um 2 °C wärmer; die sommerliche Meereisbedeckung ist seitdem durchschnittlich um 40 % zurückgegangen.[13] Zudem wurde die Eisschicht in großen Arealen dünner.[1] Eine vorübergehende Änderung der Arktischen Oszillation und der Pazifischen Dekaden-Oszillation ab 1989 führte zudem dazu, dass größere Anteile der Eisdecke sich lösten. Der sich vergrößernde Anteil der nicht von Eis bedeckten Wasserfläche führte zu einer größeren Absorption der Sonneneinstrahlung, und somit zu einem weiteren Abtauen von Eis, einem Anstieg der Meerestemperatur und einer geringeren Eisbildung in den Wintermonaten. Nach 1988 sei der Einfluss der Eis-Albedo-Rückkopplung größer geworden als externe Einflüsse. Dass dieser Effekt trotz der Normalisierung der Arktischen Oszillation und der Pazifischen Dekaden-Oszillation weiter anhält, weist nach Lindsay und Zhang (2005) auf ausgeprägte nonlineare Effekte hin. Sie gehen daher davon aus, dass der Kipppunkt für das Abschmelzen der arktischen Meereisbedeckung bereits Ende der 1980er, Anfang der 1990er Jahre überschritten wurde.[14] Holland et al. (2006) dagegen nahmen aufgrund eigener Berechnungen an, dass der Kipppunkt frühestens im Jahr 2015 erreicht werden würde.[15] Berechnungen von Livina und Lenton (2013) zufolge fand im Jahr 2007 eine abrupte und seitdem anhaltende Veränderung in der Amplitude der jahreszeitlichen Schwankungen der arktischen Meereisbedeckung statt, die durch die interne Dynamik des arktischen Klimasystems (und nicht durch externe Einflüsse) begründet zu sein scheint, und von den Autoren als Kipppunkt betrachtet wird.[12] Es wird davon ausgegangen, dass es sich um einen reversiblen Kipppunkt handelt.[16]

Abschmelzen des grönländischen Eisschilds

Der Kipppunkt des vollständigen Abschmelzens des grönländischen Eisschilds könnte bereits ab einer globalen Erwärmung von 1,5–2 °C erreicht werden. So wie hohe Alpengipfel schneebedeckt sind, liegt auch die 3000 Meter hohe Oberfläche des grönländischen Eispanzers im Permafrost. Verringert sich die Eisdicke und sinkt die Oberfläche in eine etwas tiefere Lage, in der es kein „ewiges Eis“ mehr gibt, so ist der Schmelzprozess nicht mehr umkehrbar und der grönländische Eisschild schmilzt, langsam aber unaufhaltbar, bis ganz unten. Dies würde voraussichtlich über Jahrhunderte bis Jahrtausende einen Meeresspiegelanstieg von etwa 7 Metern verursachen.[2][17]

Abschmelzen des westantarktischen Eisschildes

Oberflächenneigungen der Antarktis

In der Ostantarktis, die den größten Teil der Antarktis ausmacht, wird für die nächsten Jahrzehnte kein signifikantes Abschmelzen erwartet. Bei der Westantarktis geht man jedoch davon aus, dass es dort zu tiefgreifenden Veränderungen kommen wird. Einige sehr große Gletscher des Westantarktischen Eisschildes enden im Meer. Dort stützen sie sich mehrere hundert Meter unterhalb der Wasseroberfläche an einem in Richtung Festland abfallenden Meeresrücken ab. Da sich das Meerwasser in den vergangenen Jahrzehnten dort erwärmte, führte dies zu einem verstärkten Abschmelzen und einen Rückzug der Gletscherzunge von z. B. dem Pine-Island-Gletscher oder dem Thwaites-Gletscher.[18] Analysen ergaben, dass der Tipping-Point für ein vollständiges Abschmelzen des Thwaites-Gletschers wahrscheinlich bereits erreicht wurde und dieser über einen Zeitraum von 200 bis 900 Jahren vollständig abschmelzen wird.[19] Der Meeresspiegel würde dadurch um 3 m ansteigen.[20]

Erlahmen der atlantischen thermohalinen Zirkulation

Animation der thermohalinen Zirkulation (Video)

Das zunehmende Abschmelzen des arktischen Meer- und Landeises führt zu einem größeren Zufluss von Süßwasser, sowie zu vermehrter Geschwindigkeit und Stabilität der in Richtung Süden führenden arktischen Meeresströmung. Dies könnte das nordatlantische Tiefenwasser beeinflussen, und schließlich zu einer Verlangsamung der thermohalinen Zirkulation führen. Während der Kollaps der thermohalinen Zirkulation mit nachfolgendem abruptem Klimawechsel wahrscheinlich ein zeitlich entfernter Kipppunkt ist, wird die Verlangsamung der thermohalinen Zirkulation, die einen ähnlichen, aber abgeschwächten Effekt hätte, robust vorhergesagt.[21][22] Das Erlahmen der thermohalinen Zirkulation ist Beispiel für einen Kipppunkt, der nicht nur vom Ausmaß, sondern auch von der Geschwindigkeit des Klimawandels abhängt (rate dependent tipping point).[23]

Störung der Südpazifischen Klima-Oszillation und Verstärkung des El Niño-Phänomens

Hinsichtlich der Auswirkungen der globalen Erwärmung auf das El Niño-Phänomen werden verschiedene Theorien diskutiert. Die Arbeitsgruppe um Mojib Latif nahm 1999 an, dass es durch die vermehrte Aufnahme von Wärme in den Ozean zu einer anhaltenden Absenkung der Thermokline (Wasserschichten) im östlichen äquatorialen Pazifik, und in Folge zu einer größeren Amplitude der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) und/oder häufigeren El Niño-Phänomenen kommen kann.[24] Eine Arbeitsgruppe des NASA Goddard Space Flight Center postulierte dagegen 1997 anhaltende La Niña-Verhältnisse aufgrund einer stärkeren Erwärmung des westlichen im Vergleich zum östlichen äquatorialen Pazifik, was zu verstärkten Ostwinden und einem vermehrten Aufsteigen kalten Wassers im östlichen äquatorialen Pazifik führen könnte.[25] Lenton et al. gingen in ihrer Zusammenfassung aufgrund neuerer paläoklimatischer Studien davon aus, dass die wahrscheinlichste Entwicklung eine Zunahme der Intensität der El Niño-Phänomene ist, wobei eine Zunahme der Häufigkeit nicht sicher vorhergesagt wird. Ebenso ist die Existenz bzw. Lokalisation eines Kipppunktes unsicher. Von erheblichen Folgen – auch bei graduellen Veränderungen – sei dennoch auszugehen,[1] beispielsweise Dürren in Australien und Südostasien und verstärkter Niederschlag an den westlichen Küsten Amerikas. Auch ein Zusammenhang zwischen El Niño und ungewöhnlich kalten Wintern in Europa wird diskutiert.[2]

Wechselwirkungen und Kaskaden

Mutmaßliche Wechselwirkungen zwischen einigen Kippelementen (⊕: erhöht die Eintrittswahrscheinlichkeit, ⊖: verringert sie, ⊖/⊕: Wirkung in beide Richtungen, Nettoeffekt unsicher)[26]

Zwischen Kippelementen kann es Wechselwirkungen geben. Das Auslösen eines Kippelementes kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen oder auch, in einigen Fällen, verringern, dass weitere kippen. Für manche Wechselwirkungen ist die Richtung – höhere oder geringere Eintrittswahrscheinlichkeit – unbekannt. Es besteht über solche Wechselwirkungen das Risiko eines Dominoeffektes.[26] Dieses Risiko spricht, in einer ökonomischen Kosten-Nutzen-Betrachtung, für eine Stabilisierung des Klimas unter 1,5 °C als optimale Klimapolitik.[27] Der Erdsystemwissenschaftler Timothy Lenton weist auf die Möglichkeit hin, dass nicht näher betrachtete, in Modellen oft nicht enthaltene kleinräumige Kippelemente das Kippen großskaliger Elemente auslösen könnten.[23]

Eine Untersuchung des Risikos selbstverstärkender Rückkopplungen im Klimasystem teilt großskalige Kippelemente nach der Erwärmung, durch die sie wahrscheinlich ausgelöst werden, grob in drei Gruppen ein:

  • 1 °C – 3 °C: Abschmelzen des grönländischen Eisschildes, des sommerlichen arktischen Meereises, der alpinen Gletscher und des westantarktischen Eisschildes sowie Zerstörung von Korallenriffen
  • 3 °C – 5 °C: u. a. Rückgang borealer Wälder, Veränderung der El Niño-Southern Oscillation (ENSO), Erlahmen der atlantischen thermohalinen Zirkulation, Entwaldung des tropischen Regenwaldes, Zusammenbruch des indischen Sommermonsuns
  • > 5 °C: Abschmelzen des ostantarktischen Eisschildes und des winterlichen arktischen Meereises, Auftauen der Permafrostböden

Werden Kippelemente der ersten Gruppe ausgelöst, könnte dies zusammen mit dem Temperaturanstieg durch graduelle biogeophysikalische Rückkopplungen weitere Kippelemente auslösen. Es drohe das Risiko einer Kaskade, die das Klima unkontrollierbar und irreversibel in ein Warmklima führen würde mit Klimabedingungen ähnlich solchen des mittleren Miozäns. Eine Stabilisierung des Klimazustands der Erde in einem Bereich, der dem des gegenwärtigen Holozäns mit einem Temperaturschwankungsbereich von ca. ±1 °C ähnelt und in dem sich die menschlichen Hochkulturen entwickelt haben, wäre dann unmöglich. Schon bei Einhalten des Zwei-Grad-Zieles, wie 2015 im Übereinkommen von Paris vereinbart, bestünde dieses Risiko, bei einer weiteren Erwärmung würde es steil ansteigen.[28]

Literatur

  • Timothy M. Lenton, Hans Joachim Schellnhuber: Tipping the scales. In: Nature Reports Climate Change. 1. Jahrgang, 22. November 2007, doi:10.1038/climate.2007.65.
  • Timothy M. Lenton, Hermann Held, Elmar Kriegler, Jim W. Hall, Wolfgang Lucht, Stefan Rahmstorf, Hans Joachim Schellnhuber: Tipping elements in the Earth's climate system. In: PNAS. 105. Jahrgang, Nr. 6, 2008, S. 1786–1793, doi:10.1073/pnas.0705414105 (pnas.org).
  • Hans Joachim Schellnhuber: Tipping elements in the Earth System. In: PNAS. 106. Jahrgang, Nr. 49, 2009, S. 20561–20563 (pnas.org).
  • Umweltbundesamt: Kipp-Punkte im Klimasystem. Welche Gefahren drohen? Hintergrundpapier, Juli 2008 (PDF).
  • Anthony D. Barnosky, et al.: Tipping point for planet earth - how close are we to the edge? Thomas Dunne Books, New York 2016, ISBN 978-1-250-05115-8.

Einzelnachweise

  1. ↑ a b c d Timothy M. Lenton, Hermann Held, Elmar Kriegler, Jim W. Hall, Wolfgang Lucht, Stefan Rahmstorf, Hans Joachim Schellnhuber: Tipping elements in the Earth's climate system. In: PNAS. 105. Jahrgang, Nr. 6, 2008, S. 1786–1793, doi:10.1073/pnas.0705414105.
  2. ↑ a b c d Kippelemente – Achillesfersen im Erdsystem. Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, abgerufen am 6. Juni 2014.
  3. ↑ Kaspar Mossman: Profile of Hans Joachim Schellnhuber. In: PNAS. 105. Jahrgang, Nr. 6, 2008, S. 1783–1785, doi:10.1073/pnas.0800554105.
  4. ↑ New Hot Papers: Timothy M. Lenton & Hans Joachim Schellnhuber. ScienceWatch.com, Juli 2009, abgerufen am 15. Februar 2014.
  5. ↑ Joel B. Smith, Hans Joachim Schellnhuber, M. Monirul Qader Mirza: Vulnerability to Climate Change and Reasons for Concern: A Synthesis. In: IPCC Third Assessment Report – Climate Change 2001. Working Group II: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Cambridge University Press, 2001 (PDF – Report).
  6. ↑ Kippelemente bleiben „heißes“ Thema. Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, abgerufen am 6. Januar 2014.
  7. ↑ a b Kippelemente im Klimasystem der Erde. Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, 5. Februar 2008, abgerufen am 6. Juni 2014.
  8. ↑ Kippelemente – Achillesfersen im Erdsystem. Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, abgerufen am 16. Februar 2014.
  9. ↑ Kipp-Punkte im Klimasystem. Welche Gefahren drohen? Umweltbundesamt, Juli 2008, abgerufen am 21. September 2018: „Die Methan- und Kohlendioxidemissionen aus tauenden Permafrostböden kommen zu den anthropogenen Treibhausgasemissionen hinzu und verstärken die Klimaerwärmung. Dieser Prozess stellt eine wichtige positive Rückkopplung (verstärkende Wirkung) im Klimasystem dar.“
  10. ↑ Kipppunkte im Klimasystem. Methanfreisetzung durch tauende Permafrostgebiete und Kontinentalschelfe. Wiki Klimawandel, Angebot des Climate Service Centers, des Hamburger Bildungsserversund des Deutschen Bildungsservers, abgerufen am 21. September 2018.
  11. ↑ Christophe et al. Kinnard: Reconstructed changes in Arctic sea ice over the past 1,450 years. In: Nature. 2011, doi:10.1038/nature10581.
  12. ↑ a b Valerie N. Livina, Timothy M. Lenton: A recent tipping point in the Arctic sea-ice cover: abrupt and persistent increase in the seasonal cycle since 2007. In: The Cryosphere. 7. Jahrgang, Nr. 1, 2013, S. 275–286, doi:10.5194/tc-7-275-2013.
  13. ↑ Kristina Pistone, Ian Eisenman, Veerabhadran Ramanathan: Observational determination of albedo decrease caused by vanishing Arctic sea ice. In: PNAS. 111. Jahrgang, Nr. 9, 2014, S. 3322–3326, doi:10.1073/pnas.1318201111.
  14. ↑ R. W. Lindsay, J. Zhang: The Thinning of Arctic Sea Ice, 1988–2003: Have We Passed a Tipping Point? In: Journal of Climate. 18. Jahrgang, Nr. 22, 2005, S. 4879–4894, doi:10.1175/JCLI3587.1.
  15. ↑ Marika M. Holland, Cecilia M. Bitz, Bruno Tremblay: Future abrupt reductions in the summer Arctic sea ice. In: Geophysical Research Letters. 33. Jahrgang, Nr. 23, 2006, doi:10.1029/2006GL028024.
  16. ↑ Paul Wassmann, Timothy M. Lenton: Arctic Tipping Points in an Earth System Perspective. In: Ambio. 41. Jahrgang, Nr. 1, 2012, S. 1–9, doi:10.1007/s13280-011-0230-9, PMC 3357830 (freier Volltext).
  17. ↑ Frank Pattyn u. a.: The Greenland and Antarctic ice sheets under 1.5 °C global warming. In: Nature Climate Change. November 2018, doi:10.1038/s41558-018-0305-8.
  18. ↑ E. Rignot, J. Mouginot, M. Morlighem, H. Seroussi, B. Scheuchl: Widespread, rapid grounding line retreat of Pine Island, Thwaites, Smith, and Kohler glaciers, West Antarctica, from 1992 to 2011. In: Geophysical Research Letters. 41. Jahrgang, Nr. 10, 28. Mai 2014, ISSN 0094-8276, S. 3502–3509, doi:10.1002/2014GL060140.
  19. ↑ I. Joughin, B. E. Smith, B. Medley: Marine Ice Sheet Collapse Potentially Under Way for the Thwaites Glacier Basin, West Antarctica. In: Science. 344. Jahrgang, Nr. 6185, 15. Mai 2014, ISSN 0036-8075, S. 735–738, doi:10.1126/science.1249055.
  20. ↑ T. A. Scambos u. a.: How much, how fast?: A science review and outlook for research on the instability of Antarctica's Thwaites Glacier in the 21st century. In: Global and Planetary Change. Juni 2017, doi:10.1016/j.gloplacha.2017.04.008.
  21. ↑ Carlos M. Duarte, Susana Agustí, Paul Wassmann, Jesús M. Arrieta, Miquel Alcaraz, Alexandra Coello, Núria Marbà, Iris E. Hendriks, Johnna Holding, Iñigo García-Zarandona, Emma Kritzberg, Dolors Vaqué: Tipping Elements in the Arctic Marine Ecosystem. In: Ambio. 41. Jahrgang, Nr. 1, 2012, S. 44–55, doi:10.1007/s13280-011-0224-7, PMC 3357823 (freier Volltext).
  22. ↑ Timothy M. Lenton: Arctic Climate Tipping Points. In: Ambio. 41. Jahrgang, Nr. 1, 2012, S. 10–22, doi:10.1007/s13280-011-0221-x, PMC 3357822 (freier Volltext).
  23. ↑ a b Timothy M. Lenton: Environmental Tipping Points. In: Annual Review of Environment and Resources. 38. Jahrgang, 2013, S. 1–29, doi:10.1146/annurev-environ-102511-084654.
  24. ↑ A. Timmermann, J. Oberhuber, A. Bacher, M. Esch, M. Latif, E. Roeckner: Increased El Niño frequency in a climate model forced by future greenhouse warming. In: Nature. 398. Jahrgang, 1999, S. 694–697, doi:10.1038/19505.
  25. ↑ Mark A. Cane, Amy C. Clement, Alexey Kaplan, Yochanan Kushnir, Dmitri Pozdnyakov, Richard Seager, Stephen E. Zebiak, Ragu Murtugudde: Twentieth-Century Sea Surface Temperature Trends. In: Science. 275. Jahrgang, Nr. 5302, 1997, S. 957–960, doi:10.1126/science.275.5302.957.
  26. ↑ a b Elmar Kriegler, Jim W. Hall, Hermann Held, Richard Dawson und Hans Joachim Schellnhuber: Imprecise probability assessment of tipping points in the climate system. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 31. März 2009, doi:10.1073/pnas.0809117106.
  27. ↑ Yongyang Cai, Timothy M. Lenton und Thomas S. Lontzek: Risk of multiple interacting tipping points should encourage rapid CO2 emission reduction. In: Nature. März 2016, doi:10.1038/nclimate2964.
  28. ↑ Will Steffen, Johan Rockström, Katherine Richardson, Timothy M. Lenton, Carl Folke, Diana Liverman, Colin P. Summerhayes, Anthony D. Barnosky, Sarah E. Cornell, Michel Crucifix, Jonathan F. Donges, Ingo Fetzer, Steven J. Lade, Marten Scheffer, Ricarda Winkelmann und Hans Joachim Schellnhuber: Trajectories of the Earth System in the Anthropocene. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. August 2018, doi:10.1073/pnas.1810141115 (zum Vergleich mit dem Miozän siehe Anhang, Tabelle S1).
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