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Kipppunkte im Klimasystem
Eine kurze Übersicht
Prof. Stefan Rahmstorf mit Prof. Anders Levermann, Prof. Ricarda Winkelmann, Dr. Jonathan Donges, Levke Caesar, Dr. Boris Sakschewski, Dr. Kirsten Thonicke, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, im Juni 2019
Einleitung
Die Erderwärmung bringt große Risiken für die Menschheit, u.a. durch zunehmende Wetterextreme wie Hitze, Dürren, Extremregen und stärkere Tropenstürme, durch den Meeresspiegelanstieg sowie den Verlust von Ökosystemen. Diese Klimafolgen können zu Ernteausfällen mit Hunger, Ausbreitung von Krankheiten, zahlreichen Todesopfern, Massenmigration und im schlimmsten Fall zu internationalen Konflikten sowie zur Destabilisierung von Staaten führen^1. Die meisten dieser Risiken wachsen graduell mit der weiteren Erwärmung, ohne definierte Kipppunkte.
Einige Teilsysteme des Klimasystems haben dagegen bestimmte Kipppunkte bzw. kritische Schwellenwerte, bei deren Überschreiten es zu starken und teils unaufhaltsamen und unumkehrbaren Veränderungen kommt. Eine einfache Metapher: schiebt man eine Kaffeetasse über den Schreibtischrand passiert erst nichts, bis sie einen kritischen Punkt erreicht, an dem sie kippt und abstürzt. Diese Teilsysteme (zum Beispiel die Atlantikzirkulation) werden „Kippelemente“ genannt („tipping elements“). Abb. 1 zeigt eine (unvollständige) Übersicht über wichtige Kippelemente des Klimasystems.
Abb. 1 Karte der wichtigsten Kippelemente des Klimasystems
Die klassische Arbeit von Lenton et al. 2008 2 definiert einen Kipppunkt als einen kritischen Grenzwert, an dem eine kleine zusätzliche Störung zu einer qualitativen Veränderung im System führen kann. Die Kipp-Elemente reagieren oft lange Zeit nur wenig auf den Klimastress, aber wenn die Belastung dann nur geringfügig weiter zunimmt, kommt es zum Umkippen.
Aus der Definition folgt eine Grundeigenschaft der Kippelemente: sie reagieren sehr nicht-linear und ihre Reaktion hängt empfindlich von ihrem genauen Zustand ab, nämlich davon, ob man sich gerade in der Nähe des kritischen Grenzwerts befindet. Diese Eigenschaft bringt es mit sich, dass wir von den Kippelementen in der Regel wissen, dass es einen solchen kritischen Grenzwert gibt, aber nicht genau, wo er sich befindet bzw. wie weit wir davon entfernt sind. Daher können wir keinen scharfen Grenzwert angeben, sondern es gibt einen Unsicherheitsbereich, in dem mit steigender globaler Temperatur das Risiko wächst, einen Kipppunkt zu überschreiten. Die geeigneten Ansätze zum Umgang mit Kippelementen im Erdsystem sind daher die Risikoanalyse (bekannt z.B. vom Umgang mit den Risiken der Kernenergienutzung) und das Vorsorgeprinzip.
Abb. 2 zeigt für eine Reihe von Kippelementen den Risikobereich – d.h. den oben genannten Unsicherheitsbereich der globalen Temperatur, in dem das Risiko des Umkippens von „verschwindend gering“ bis auf „höchstwahrscheinlich“ ansteigt. Es handelt sich dabei um Expertenurteile auf Basis der vorhandenen Fachliteratur, die unvermeidlich zu gewissem Grade subjektiv sind. Die Originalgrafik erschien in Schellnhuber et al. 2016 3. Für diese Übersicht haben wir sie im Lichte neuerer Studien etwas angepasst. In den folgenden Absätzen diskutieren wir kurz die einzelnen Kippelemente.
Abb. 2 Die Unsicherheitsbereiche der wichtigsten Kippelemente im Kontext der globalen Temperaturentwicklung seit dem Höhepunkt der letzten Eiszeit und für die Zukunft (für verschiedene Emissionsszenarien; RCP2.6 wäre Paris-kompatibel, RCP 8.5 ist der Pfad ohne wirksame Klimapolitik). Jeder Balken illustriert einen Bereich der globalen Erwärmung, in dem das Risiko von verschwindend gering bis zu höchstwahrscheinlich dargestellt ist.
Meereis
Die ganzjährige Meereisdecke auf dem arktischen Ozean kühlt das Klima, indem sie die ankommende Sonnenstrahlung größtenteils ins All reflektiert, und ist ein essenzieller Bestandteil des arktischen
Ähnlich wie bereits früher in einer PIK-Studie vorhergesagt 17 , rechnet der 1,5-Grad Bericht des IPCC 4 schon bei 2 °C Erwärmung mit dem nahezu kompletten Verlust der tropischen Korallenriffe. Gelingt es dagegen, die globale Erwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen, könnten 10% bis 30% der Korallen überleben. Laut der US-Ozeanbehörde NOAA sind weltweit mehr als eine halbe Milliarde Menschen für ihre Nahrungsversorgung, ihr Einkommen oder den Küstenschutz auf Korallenriffe angewiesen.
Abb. 3. Tropische Korallenriffe, die 2015 und 2016 von schwerer (rot) oder moderater (orange) Korallenbleiche betroffen waren. Lediglich ein Fünftel der untersuchten Riffe blieben verschont (blau). Quelle: Hughes et al. 2018 16.
Monsunsysteme
Monsunsysteme in Indien und China werden mit zunehmender Erwärmung schwankender und unberechenbarer18,19. Aufgrund einer Rückkopplung zwischen atmosphärischer Feuchte und auflandigem Wind könnte bei 1-3°C Erwärmung ein Sommermonsun-System in der Sahelzone einsetzen^20. Rund ein Drittel der IPCC Klimamodelle zeigen einen solchen Dynamikwechsel. Dieser tritt in diesen Modellen zwischen 1.5 und 2.5°C globaler Erwärmung auf 21.
Instabilität der Atlantikzirkulation
Die Atlantikzirkulation (oft auch Golfstromsystem genannt) ist eine große Umwälzbewegung des Atlantischen Ozeans, bei der warmes Oberflächenwasser vom Südatlantik über den Äquator bis in den hohen Norden des Atlantiks strömt, wo es abkühlt und Wärme an die Luft abgibt. Das Ganze funktioniert wie eine Zentralheizung für den Nordatlantikraum bis hinein nach Europa. Gefährdet ist diese Strömung vor allem durch Süßwassereintrag durch verstärkte Niederschläge und Eisschmelze. Süßwasser ist leichter als Salzwasser und behindert damit das Absinken des Wassers in die Tiefe und damit den Antrieb der Atlantikzirkulation.
Modelle lassen eine Abschwächung der Strömung durch die globale Erwärmung erwarten, deren Ausmaß aber unsicher ist und von sehr gering bis 50% in diesem Jahrhundert reicht. Es gibt ernsthafte Hinweise, dass viele Modelle die Stabilität des Golfstromsystems systematisch überschätzen^22. Eine auffallende Abkühlung des Wassers im subpolaren Nordatlantik seit Mitte des
- Jahrhunderts deutet auf eine Abschwächung um bislang 15 % hin 23.
Die Folgen eines Abreißens der Strömung wären massiv und unabsehbar, sie reichen von Extremwetter in Europa über den Kollaps wichtiger Ökosysteme im Nordatlantik bis zu verstärktem Meeresspiegelanstieg an der US-Küste (bis zu einem Meter zusätzlich).
Wälder
Die Regenwälder der Amazonasregion sind bereits heute direkt vom Klimawandel betroffen. Satellitendaten und Messungen vor Ort haben gezeigt, dass zunehmende Dürren den Amazonaswald von einer Kohlenstoffsenke in eine Kohlenstoffquelle verwandeln24,25. Bereits heute sind Teile der Baumbestände den neuen Klimabedingungen nicht gewachsen und sterben ab26,27.
Mindestens genau so bedeutend ist die Expansion der Landwirtschaft und damit verbundene Entwaldung, welche die Auswirkungen des Klimawandels noch verstärkt. Z.B. befördern landwirtschaftliche Flächen bedeutend weniger Wasser in die Atmosphäre als Wald. Dadurch kommt es zu einem selbstverstärkenden Prozess der Austrocknung. Daher verliert der Amazonaswald bei weiter fortschreitender Abholzung an Resilienz. Der Kipppunkt, der zu weiträumigem Verlust dieses einzigartigen Ökosystems führt, wird bei umso geringerer globaler Erwärmung erreicht, je mehr abgeholzt wird. Der heutige Waldverlust wird bereits auf 20% beziffert 28.
Abschätzungen zum gespeicherten Kohlenstoff in lebenden und toten Pflanzenmaterial in der Amazonasregion (Summe ober- und unterirdisch) belaufen sich auf 80-120 Milliarden Tonnen Kohlenstoff29-33. Würde also im Extremfall dieser gespeicherte Kohlenstoff freigesetzt werden, entspräche das 8-12 Jahren der heutigen globalen fossilen CO2-Emissionen und hätte regionale und globale Folgen für das Klima.
Bei zunehmender Erwärmung können auch die an kalte Klimabedingungen angepassten Nadelwälder des Nordens zunehmend in ihrer Existenz gefährdet sein, u.a. durch Feuer und Insektenbefall. In den letzten Jahren gab es bereits ausgedehnte Waldbrände in Kanada (z.B. in Fort McMurray 2016) und Russland (2010 im europäischen Teil) und sogar innerhalb des Polarkreises, 2017 in Grönland, 2018 in Schweden. In der Übergangszone des nördlichen Waldgürtels zur Steppe ist die Regeneration des Baumbestandes möglicherweise durch zunehmende Trockenheit und Hitzestress gefährdet.
Permafrost
Die Permafrostregion ist ein global bedeutender Kohlenstoffspeicher, der 1,300–1,600 Milliarden Tonnen Kohlenstoff enthält 35 und damit wahrscheinlich 50% des gesamten im Boden gespeicherten Kohlenstoffs weltweit. Die terrestrischen Permafrostgebiete haben sich zwischen 1990 und 2016 bereits um bis zu 4°C erwärmt 34.
Auftauender Permafrost initiiert die mikrobielle Zersetzung des Bodenkohlenstoffs und könnte den im Permafrost gespeicherten Kohlenstoff bis 2100 um 15% reduzieren (in den oberen 3m des Bodens). Obwohl die Produktivität der Wälder zunehmen und diese damit weiteren Kohlenstoff aufnehmen könnten, würden diese Veränderungen zu einer zusätzlichen globalen Erwärmung von 0.13-0.27°C bis 2100 bzw. 0.42°C bis 2300 führen. Diese Rückkopplung ist jedoch noch mit sehr großen Unsicherheiten behaftet 35. Je stärker die globale Erwärmung, umso mehr überwiegen die Verluste durch Zersetzung organischen Materials die Kohlenstoffaufnahme durch erhöhte Produktivität der borealen Nadelwälder.
Ein Problem des auftauenden Permafrosts besteht darin, dass hier eine für Jahrhunderte nicht zu kontrollierende Quelle von Treibhausgasemissionen geschaffen wird, die zu weiterer Erwärmung führen dürfte auch nachdem die direkten anthropogenen Emissionen auf null reduziert worden sind.
Folgerungen
Die Kipppunkte im Erdsystem stellen gravierende Risiken für die Menschheit dar, zusätzlich zu den ohnehin durch die globale Erwärmung verursachten schwerwiegenden Folgen. Sie können unkontrollierbare selbstverstärkende Prozesse auslösen, die u.a. zu einem Jahrtausende anhaltenden massiven Anstieg des Meeresspiegels oder zum Totalverlust wichtiger Ökosysteme führen, oder sie können zu verstärktem Extremwetter beitragen. Einige dieser Prozesse können auch den globalen Temperaturanstieg weiter verstärken, zum Beispiel der Eisverlust (weil weniger Sonneneinstrahlung durch helle Eisflächen reflektiert wird) sowie die Freisetzung von CO 2 durch den Verlust von Wald oder das Tauen von Permafrost. Durch letzteres wird zusätzlich Methan freigesetzt.
Diese Rückkopplungsprozesse auf die globale Temperatur wurden auch in der im vergangenen Jahr stark beachteten „Heißzeit“-Studie thematisiert 36 , in der eine Verstärkung der globalen Erwärmung um 0,5 °C bis 2100 abgeschätzt wurde, bei einem Emissionsszenario, das ohne diese Rückkopplungen
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