KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Die MARUM-Wissenschaftler Professor Dierk Hebbeln und Dr. Mahyar Mohtadi haben die Geschichte des Kohlendioxidaustausches zwischen Ozean und Atmosphäre erforscht.

Dr. Mohtadi entnimmt Proben des Sedimentkerns- (c) marum

Zur Seite standen ihnen Forscher-Kollegen aus den USA. Meeresablagerungen aus dem östlichen Südpazifik lieferten dafür Daten, die den Zeitraum vom Ende der letzten Eiszeit bis heute abdecken. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie nun in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Geoscience.
Das Weltmeer spielt im Kohlenstoffkreislauf eine überragende Rolle. So nimmt es etwa die Hälfte des vom Menschen verursachten Kohlendioxids auf und mildert damit den Treibhauseffekt. In anderen Epochen der Erdgeschichte, zum Beispiel gegen Ende der letzten Eiszeit, hat der Ozean dagegen verstärkt Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben und damit zur Klimaerwärmung beigetragen. Einen solchen Fall haben die Bremer Meeresgeologen Prof. Dierk Hebbeln und Dr. Mahyar Mohtadi im östlichen Südpazifik untersucht. Dabei sind sie zu überraschenden Ergebnissen gekommen.

Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass das Kohlendioxid, das in der Schlussphase der letzten Eiszeit aus dem Ozean in die Atmosphäre entwich, mit einer ganz bestimmten Wasserschicht, dem Antarktischen Zwischenwasser, transportiert wurde. In diese Schicht wurde das Treibhausgas am Ende der letzten Eiszeit aus dem darunter liegenden Ozeanstockwerk, dem Antarktischen Tiefenwasser, eingespeist.

Um diese Annahme zu überprüfen, untersuchten die beiden MARUM-Wissenschaftler gemeinsam mit US-amerikanischen Kollegen einen Sedimentkern, der aus 1.000 Meter Wassertiefe stammt und vor der Küste Chiles gewonnen wurde. Die Lokation, an dem der Kern aus dem Meeresboden gestochen wurde, ist von besonderer Bedeutung. Hier nämlich speist der südliche Ozean Antarktisches Zwischenwasser in den Pazifik ein. Als die Bremer Geologen ihre Proben auswerteten, war die Überraschung perfekt: “Für die Annahme, dass das Kohlendioxid aus dem tiefen südlichen Ozean stammt und von dort in das Antarktische Zwischenwasser gelangte, konnten wir keine Belege finden”, sagt Prof. Dierk Hebbeln.

Die Ablagerungen vom Meeresboden enthalten Überreste von Kleinstlebewesen, sogenannte Foraminiferen. Diese nahmen das Forscherteam näher unter die Lupe. Denn die mikroskopisch kleinen Organismen haben zu ihren Lebzeiten Kohlenstoff aus dem Antarktischen Zwischenwasser aufgenommen und in ihre Kalkschalen eingebaut. Durch geochemische Analysen konnten die MARUM-Forscher feststellen, wie lange dieser Kohlenstoff schon von der Atmosphäre abgeschnitten im Tiefenwasser verweilte. Der Befund war eindeutig: “Die Foraminiferen müssen nacheiszeitlichen Kohlenstoff aus dem Antarktischen Zwischenwasser aufgenommen haben, sagt Dr. Mohtadi. “Er stammt jedenfalls nicht aus dem eiszeitlichen Reservoir. Dafür ist er nicht alt genug.”

Diese Ergebnisse für das Antarktische Zwischenwasser zeigen also, dass der tiefe südliche Ozean nicht die Quelle für den CO2-Anstieg in der Atmosphäre am Ende der letzten Eiszeit gewesen sein kann, wie Wissenschaftler bislang annahmen. “Unsere Daten zeigen, dass ein anderer Mechanismus dafür gesucht werden muss”, sagt. Dr. Mohtadi. “Welcher dafür infrage kommt, ist indes noch ungewiss. Es könnte sein, dass eine andere Wassermasse im Pazifik für den Austausch mit der Atmosphäre verantwortlich ist”.

Um das Rätsel zu lösen, haben sich die MARUM-Wissenschaftler bereits wieder auf die Suche begeben. Derzeit analysieren sie weitere Sedimente aus dem Ostpazifik vor der Küste Chiles. Zudem planen sie, auch Meeresablagerungen aus dem westlichen Pazifik zu untersuchen. So hoffen sie, in enger Kooperation mit Kollegen aus Chile und den USA, das Kohlendioxidrätsel im Pazifik schon bald aufklären zu können.

Das Forschungsschiff Polarstern legte jetzt erstmalig in Wellington, Neuseeland, an.

Das deutsche Forschungsschiff Polarstern in der Antarktis – (c) Hannes Grobe, AWI

Dies ist das Ende eines zweimonatigen Expeditionsabschnitts mit meeresgeologischem Schwerpunkt, der in Punta Arenas, Chile, gestartet war.
Den kurzen Hafenaufenthalt nutzen Vertreter aus Wissenschaft und Politik, um sich im Rahmen eines Empfangs an Bord auszutauschen und die gute Zusammenarbeit zu vertiefen.

Zur Zeit begibt sich die Polarstern mit neuer Besatzung, neuem wissenschaftlichen und technischem Personal auf den Weg zurück nach Punta Arenas. Geophysikalische Messprofile werden vom östlichen Rossmeer entlang des gesamten Kontinentalrandes von Marie-Byrd-Land aufgenommen, um das existierende Datennetz des Rossmeeres mit den Messprofilen im Amundsen- und Bellingshausenmeer zu verbinden.

Die Wissenschaftler um Fahrtleiter Dr. Karsten Gohl vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft möchten die hier bestehende große Datenlücke schließen. Ziel dieser Arbeiten ist es, die Topographie des Meeresbodens jetzt und in der geologischen Vergangenheit zu bestimmen und damit die Grundlage für langfristige Klimasimulationen zu schaffen. Hauptarbeitsgebiet ist anschließend die Pine-Island-Bucht, bekannt für die dort seit kurzer Zeit beschleunigt stattfindenden Rückzüge der Pine-Island- und Thwaites-Gletschersysteme. Die Rekonstruktion der dynamischen Veränderungen des westantarktischen Eisschilds soll helfen die derzeitigen Veränderungen mit ihrem möglichen Einfluss auf einen verstärkten Meeresspiegelanstieg besser zu verstehen und steht im Mittelpunkt der geophysikalischen und geologischen Untersuchungen. Geothermische Wärmeflussmessungen sollen Einblick liefern in jüngere vulkanische Aktivitäten, die einen Einfluss auf das Fließverhalten des Eisschildes haben können. Ozeanographische Messungen sollen eine der möglichen Ursachen für den augenblicklichen Rückzug der Gletscher erklären helfen.

Insgesamt 1000 Meter Sedimentkerne (Gewicht etwa elf Tonnen) haben die 43 Expeditionsteilnehmer des gerade beendeten Fahrtabschnitts unter der Leitung des Geologen Dr. Rainer Gersonde vom Alfred-Wegener-Institut auf der 9400 Seemeilen (17.000 km) langen Forschungsreise von Chile nach Neuseeland an 70 Stationen gesammelt. Das einzigartige Material wird erstmals detaillierten Aufschluss über die Klimageschichte der letzten 400.000 bis 4 Millionen Jahre in diesem bislang kaum erforschten aber für die Klimaentwicklung wichtigen Raum geben. Wissenschaftler aus sechs Nationen, darunter auch Neuseeland, werden die Entwicklungsgeschichte des Antarktischen Zirkumpolarstroms, der Meereisverbreitung und seines Einflusses auf die Änderungen von Treibhausgaskonzentrationen sowie Abschmelzereignisse des westantarktischen Eisschildes und ihren Einfluss auf die globale Ozeanzirkulation unter Einsatz modernster Methoden gemeinsam untersuchen. Dabei geht es auch um die Erfassung von klimawirksamen Wechselwirkungen zwischen dem polaren Südpazifik, den tropischen und nordpolaren Breitenregionen während vergangener Kalt- und Warmzeiten.

Solche klimarelevanten Fragestellungen stehen auch im Fokus eines geplanten Tiefseebohrprojektes im Rahmen des “Integrated Ocean Drilling Program” (IODP) im antarktischen Pazifik. Die beiden laufenden Expeditionsabschnitte liefern die Datenbasis zur Auswahl der Bohrstellen des IODP. Wissenschaftler aus aller Welt wollen mit den künftig zu erbohrenden Tiefseesedimenten bis zu 40 Millionen Jahre in die geologische Vergangenheit zurück schauen.

Neben Geologen und Geophysikern nutzen auch Biologen, Chemiker, Ozeanographen und Wissenschaftler vieler weiterer Disziplinen den Forschungseisbrecher regelmäßig für ihre Untersuchungen. So ist diese insgesamt 50. Expedition (unterteilt in etwa 200 Fahrtabschnitte) ein gutes Beispiel für die multidisziplinäre Ausrichtung der Polarstern, die seit 1985 in der Arktis, Antarktis und den Ozeanen der mittleren und hohen Breiten unterwegs ist. Sie ist die Plattform für Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts und ihre Kooperationspartner, und trägt dazu bei, die komplexen Zusammenhänge im System Erde zu entschlüsseln. Vor allem das Ziel, die treibenden Kräfte und Fluktuationen im Klimageschehen zu verstehen, steht im Mittelpunkt der Forschung.

Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden haben am Südlichen Patagonischen Eisfeld eine starke Hebung der Erdkruste gemessen.

Der Fitz Roy in Argentinien wird durch schmelzende Gletscher ‘wachsen’ – (c) Judith / Pixelio

Gemeinsam mit Fachkollegen aus Chile und den USA konnten sie nachweisen, dass diese Hebung das Ergebnis einer sich beschleunigenden Abnahme des Eises ist. Das Südliche Patagonische Eisfeld ist mit 13.000 Quadratkilometern nach der Antarktis die zweitgrößte Eismasse auf der Südhalbkugel.

“Hier kommen zwei Faktoren zusammen”, erläutert der Projektleiter Prof. Reinhard Dietrich vom Institut für Planetare Geodäsie der TU Dresden. “Zum einen die Abnahme des Eises, die nach der kleinen Eiszeit vor etwa 120 Jahren begann und jetzt einen jährlichen Massenverlust von 30 Gigatonnen, das heißt etwa 30 Kubikkilometern, erreicht hat. Dieser zunehmende Schwund des Eises geht eindeutig mit dem Klimawandel in den letzten Jahrzehnten einher. Zum anderen besitzen Lithosphäre und Erdmantel dort die Eigenschaft, Massenänderungen an der Erdoberfläche besonders schnell zu kompensieren, was insbesondere durch eine geringe Viskosität des Erdmantels hervorgerufen wird.”

Es ist unter dem Begriff  “Glazialisostasie” bekannt, dass der Auf- und Abbau großer Eismassen zu Senkungen und Hebungen der darunterliegenden Erdkruste führt. Die in Patagonien mittels GPS bestimmte Rate von 39 mm/Jahr ist die größte glazialisostatische Hebungsrate, die bisher weltweit gemessen wurde. Darüber berichten die Forscher in der Fachzeitschrift “Earth and Planetary Science Letters”.
“Wir werden diese Untersuchungen fortsetzen”, so Prof. Dietrich. “Unsere Modellrechnungen zeigen, dass in einigen Bereichen sogar Hebungsraten von
50 mm/Jahr zu erwarten sind. Das bedeutet beispielsweise, dass die Gipfelhöhen so bekannter Berggruppen der Südanden wie Torres del Paine oder Fitzroy derzeit innerhalb von 20 bis 30 Jahren jeweils um einen Meter zunehmen.”

Das Wissenschaftsmagazin “Proceedings of the National Academy of Sciences” veröffentlicht in einem Sonderschwerpunkt neue wissenschaftliche Erkenntnisse über Kippelemente im Klimasystem.

PNAS-Titelbild – (c) Gletscher Ulrich Heim (Lübeck), Methanblasen AWI, Staubwolke NASA, Amazonas-Regenwald Greenpeace

Kippelemente sind als Bestandteile des Erdsystems identifiziert worden, die schon durch geringe Störungen grundsätzlich verändert werden können. Das Kippen eines oder mehrerer dieser Elemente – insbesondere im Laufe fortschreitender Erderwärmung – könnte die bemerkenswert stabilen Umweltbedingungen der Nacheiszeit unwiderruflich beenden.

Der Schwerpunkt der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift wurde inhaltlich von Hans Joachim Schellnhuber, dem Direktor des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) gestaltet. Die Veröffentlichung ist auch ein grundlegender Beitrag zur Nachhaltigkeitsforschung. Die beteiligten Autoren analysieren im Einzelnen acht bedeutende Elemente des Erdsystems. Drei davon, die größte Staubquelle unseres Planeten sowie ozeanische Stoffkreisläufe und Methanhydrate werden erstmals eingehend als potenzielle Kippelemente diskutiert.

„Es ist die Kardinalfrage der Erdsystem- und Nachhaltigkeitsforschung, ob die Erderwärmung zu singulären Veränderungen kritischer Bestandteile der planetarischen Maschinerie führen kann“, sagt Schellnhuber. Singuläre – im Gegensatz zu stetigen linearen und nichtlinearen Veränderungen – würden die Umweltbedingungen drastisch verändern, unter denen menschliche Zivilisationen entstanden sind und sich über Jahrtausende entwickelt haben. „Gegenwärtig funktioniert das Klimasystem noch im Holozän-Modus, doch die hier vorgestellten Forschungsergebnisse belegen, dass ein Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um mehr als zwei Grad Celsius das System in den Bereich singulärer Veränderungen drücken könnte und daher verhindert werden muss“, so Schellnhuber weiter.

Der PIK-Forscher hat das Konzept der Kippelemente vor etwa zehn Jahren in den wissenschaftlichen Diskurs eingebracht. Es beschreibt, wie menschliche Aktivitäten Bestandteile des Klimasystems über kritische Grenzen hinaus belasten könnten, sodass wichtige Prozesse im Gesamtgefüge „kippen“ und von da an grundsätzlich anders ablaufen. In einem 2008 veröffentlichten und vielfach zitierten Artikel hatten Tim Lenton von der britischen University of East Anglia und Hans Joachim Schellnhuber eine formale Definition und eine Liste der neun Kippelemente präsentiert, die von besonderer politischer Relevanz sind. Auf fünf dieser Elemente wird in der vorliegenden Sonderausgabe näher eingegangen: das Klimaphänomen El Niño/Südliche Oszillation (ENSO), das Arktische Meereis und die großen polaren Eisschilde, den Amazonas-Regenwald, die Monsunsysteme sowie die Zirkulation von Meeresströmungen im Atlantik.

Matthias Hofmann und Stefan Rahmstorf vom PIK diskutieren das letztgenannte Thema der Stabilität der so genannten Thermohalinen Atlantischen Umwälzströmung. Die Autoren präsentieren neue Modellsimulationen der Zirkulation unter zunehmenden Süßwassereinstrom in den Nordatlantik. Diese stehen im Widerspruch zur Hypothese, nach der die simulierte Abschwächung der Zirkulation und die Möglichkeit einer abrupten Veränderung durch Fehler der Modelle zustande kämen. Vielmehr zeigten die Projektionen weiter entwickelter Modelle, dass der Strömungskreislauf anfälliger sei als bislang angenommen.

Eine Forschergruppe um Anders Levermann vom PIK zeigt, dass jedes Monsunsystem durch die Möglichkeit eines abrupten Abbruchs gekennzeichnet ist. Dies beruht auf der so genannten Feuchte-Advektions-Rückkopplung, die Kern der Monsunsysteme ist. Die Autoren des Artikels haben diesen sich selbst verstärkenden Effekt, der die Luftzirkulation zwischen Land und Meer aufrecht erhält aber auch unterbrechen kann, in einem konzeptionellen Monsunmodell abgebildet. Von der Regelmäßigkeit der Monsunniederschläge hängt die landwirtschaftliche Nahrungsmittelversorgung von mehreren Hundert Millionen Menschen in den Monsunregionen ab.

David Archer von der University of Chicago und seine Koautoren liefern Argumente dafür, Methanhydrate in Sedimenten am Meeresgrund als „langsames Kippelement“ im Klimasystem der Erde zu betrachten. Ein globaler Temperaturanstieg von etwa drei Grad Celsius könnte – über Jahrtausende – mehr als die Hälfte des eingelagerten Methans freisetzen, das sind geschätzte 940 Milliarden Tonnen Kohlenstoff. Dies wiederum könnte die globale Mitteltemperatur um bis zu 0,5 Grad Celsius ansteigen lassen. Die Autoren führen diesen Temperaturanstieg auf die Wirkung des Treibhausgases Methan zurück. Er würde jedoch über viele Jahrtausende anhalten, da Methan innerhalb etwa eines Jahrzehnts zu Kohlendioxid oxidiert wird, das über Jahrtausende klimawirksam ist.

Ulf Riebesell und seine Kollegen vom Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) beschreiben die Ozeane als Bestandteil des Klima-Systems, der derzeit deutlich verändert wird. Die Meere erwärmen sich und das Milieu des Wassers wird durch die Aufnahme von Kohlendioxid saurer bzw. weniger basisch. Weiterhin zunehmende Emissionen von Treibhausgasen könnten die Stoffkreisläufe von Kohlenstoff und Nährstoffen in den oberflächennahen Wasserschichten verändern und ganze marine Ökosysteme schädigen. Nach gegenwärtigem Wissensstand könne die Frage noch nicht beantwortet werden, ob es Kipppunkte in der Meeresumwelt gibt, schließen die Autoren. Einige der projizierten biogeochemischen Veränderungen der Ozeane könnten jedoch schwerwiegende Folgen haben.

Mojib Latif und Noel Keenlyside, ebenfalls vom IFM-GEOMAR, fassen den Wissensstand über die komplizierten Mechanismen des Klimaphänomens El Niño/Südliche Oszillation (ENSO) zusammen. Es kann von einem Jahr aufs andere Temperaturen und Niederschläge im tropischen Pazifik stark verändern und hat vielfältige Auswirkungen auf das Klimasystem der Erde. Heutige Modelle könnten das mögliche Kippverhalten des ENSO-Phänomens jedoch nicht erfassen, schließen die Autoren. Angesichts der möglicherweise schwerwiegenden Folgewirkungen auf biologische, chemische und sozioökonomische Systeme muss die Frage weiter untersucht werden, ob die Erderwärmung die Dynamik des Phänomens grundlegend verändern könnte.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Richard Washington von der University of Oxford hat die größte Staubquelle unseres Planeten, die Bodélé-Senke in Tschad, als potentielles Kippelement identifiziert. Von dieser Fläche in der südlichen Sahara werden in riesigen Wolken bis zu 700.000 Tonnen Staub in Richtung Atlantik und Amazonasbecken verweht. Die Verfasser legen dar, wie die so aufgewirbelten mineralischen Luftschwebstoffe Kontinente übergreifende klimatische und biophysische Rückkopplungsmechanismen maßgeblich beeinflussen. Sollten sich aufgrund menschlicher Eingriffe regionale Windverhältnisse oder die Oberflächenbeschaffenheit der Bodélé-Senke verändern, könnte die Staubmenge innerhalb eines Jahres stark verändert werden.

Forscher um Yadvinder Malhi, ebenfalls von der University of Oxford, haben mit 19 verschiedenen globalen Klimamodellen untersucht, ob der Klimawandel zu einem großflächigen Absterben des Amazonas-Regenwalds führen könnte. Der Analyse liegt ein Szenario mit im Laufe dieses Jahrhunderts stetig zunehmenden Emissionen von Treibhausgasen zugrunde. Die Ergebnisse deuten darauf, dass Teile des Waldes in der Trockenzeit unter Wasserstress geraten könnten. Die Forscher liefern zudem Hinweise, dass der Amazonas-Regenwald charakteristische Eigenschaften eines Kippelements aufweist und sich zu einem tropischen saisonalen Wald verändern könnte.

In seinem Artikel über mögliche Schwellenwerte beim Rückgang von Meereis und kontinentaler Eisschilde schließt Dirk Notz vom Max-Planck-Institute für Meteorologie, dass Kipppunkte eher für den Rückgang des Grönländischen und des Westantarktischen Eisschilds bestehen könnten als für den Schwund des arktischen Meereises, das sich in einem kühleren Klima wieder bis zu früheren Werten ausdehnen könnte. Eisschilde auf dem Land könnten bei regionaler Erwärmung weit anfälliger sein, da sie im Gegensatz zum arktischen Meereis nicht durch innere Rückkopplungsmechanismen stabilisiert würden. Das Zerrinnen der großen Eisschilde könnte den Meeresspiegel in den nächsten Jahrhunderten um mehrere Meter ansteigen lassen.

Um eine Aktivierung der Kippelemente zu verhindern fordern der Nobelpreisträger Mario Molina von der University of California in San Diego und seine Koautoren rasches Handeln von Entscheidungsträgern in Politik und Wirtschaft. Die Autoren schlagen vor, das Montreal-Protokoll auf klimawirksame Stoffe auszuweiten. Insbesondere der Einsatz von Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen sollte rascher völlig eingestellt und Emissionen von Ruß massiv reduziert werden.

„Nach zwei verlorenen Jahrzehnten im Klimaschutz seit Erscheinen des Weltklimaberichts von 1990 ist zweifelhafter denn je, ob es der Gesellschaft gelingen wird, die Gefahren der globalen Umweltveränderungen auf ein tolerierbares Maß zu begrenzen“, sagt Hans Joachim Schellnhuber. Das Forschungsgebiet der Kippelemente entwickle sich rasch zu einem bedeutenden Wissenschaftsbereich, die entscheidenden Forschungsfragen stellten jedoch noch immer große wissenschaftliche Herausforderungen dar. Keiner der untersuchten Gegenstände könnte künftig außer Acht gelassen werden, weil etwa anthropogene Einflüsse als Auslöser irregulären Verhaltens ausgeschlossen werden könnten. Ebenso wäre die Forschung bei keinem der diskutierten Kipp-Elemente schon so weit, dass man die Aktivierungstemperaturen oder Reaktionszeiten quantifizieren könnte. „Viele der Veröffentlichungen weisen den Weg für weitere Forschungen, aber es scheint, als müssten wir mindestens ein weiteres Jahrzehnt in quälender Ungewissheit über die potenziell bedrohlichsten Auswirkungen der globalen Erwärmung leben“, sagt Schellnhuber.

Die Einleitung ist vorab im Volltext erschienen:

Hans Joachim Schellnhuber (2009) Tipping Elements in Earth Systems Special Feature: Tipping elements in the Earth System. PNAS Online-Vorabausgabe vom 7. Dezember 2009, doi:10.1073/pnas.0911106106 (pdf, engl.)

Eine neue wissenschaftliche Studie warnt, dass der Meeresspiegel deutlich schneller ansteigen könnte als bislang erwartet.

IPCC-Bericht 2007 berücksichtigte nicht ausreichend den Eisverlust in Grönland und Antarktis – (c) Gabi Huckelmann / Pixelio

Die Autoren, Martin Vermeer von der Helsinki University of Technology in Finnland und Stefan Rahmstorf vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) werteten Meeresspiegel- und Temperaturmessungen aus den vergangenen 130 Jahren aus. Die Daten belegen, dass die Geschwindigkeit des Meeresspiegelanstiegs maßgeblich von der globalen Mitteltemperatur beeinflusst wird.

„Seit 1990 ist der Meeresspiegel jährlich um 3,4 Millimeter gestiegen, doppelt so schnell wie im Durchschnitt des 20. Jahrhunderts“, sagt Stefan Rahmstorf. Bliebe es bei dieser Rate, würde das im 21. Jahrhundert zu einem Anstieg um 34 Zentimeter führen. „Aber die Daten zeigen deutlich: Je wärmer es wird, umso schneller steigt der Pegel. Wenn wir einen galoppierenden Anstieg des Meeresspiegels verhindern wollen, sollten wir die Erderwärmung so schnell wie möglich stoppen“, so Rahmstorf weiter.

Der Zusammenhang zwischen der Rate des Meeresspiegelanstiegs und der globalen Mitteltemperatur wurde zuerst im Jahr 2007 von Rahmstorf in einem Artikel im Wissenschaftsmagazin „Science“ beschrieben. Die neue Studie baut darauf auf. Die frühere Gleichung wurde erweitert, um die kurzfristigen Reaktionen des Meeresspiegels zu erfassen. Auf diese Weise wird der physikalische Zusammenhang besser und mit weit größerer Präzision abgebildet. Zudem haben Vermeer und Rahmstorf die neuesten Datensätze wie Satellitenmessungen bis zum Jahr 2008 einbezogen und die künstliche Wasserspeicherung in Stauseen berücksichtigt, durch die der Pegel global etwa drei Zentimeter tiefer liegt.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass selbst bei einem relativ niedrigen Treibhausgas-Emissionsszenario mit einer Erwärmung um zwei Grad Celsius im 21. Jahrhundert der Meeresspiegel wahrscheinlich um mehr als einen Meter ansteigen wird. Das höchste Emissionsszenario mit einem Temperaturanstieg von mehr als vier Grad Celsius im 21. Jahrhundert hätte in dieser Zeit einen Anstieg um mehr als 1,4 Meter zur Folge. Werden sämtliche Emissionsszenarien und die geschätzten Unsicherheiten berücksichtigt, ergeben sich Werte zwischen 0,75 und 1,9 Meter – in Übereinstimmung mit einer anderen Abschätzung von bis zu zwei Metern bis 2100, die die Dynamik der großen Eisschilde berücksichtigt.

„Noch bemerkenswerter als die Maximalwerte des Meeresspiegelanstiegs ist die uhrwerkartige Präzision mit der die Temperatur – auf klimatischen Zeitskalen – den Anstieg des Meeresspiegels antreibt“, sagt Vermeer. Die Ergebnisse der Studie zeugten auch von der hohen Qualität der vorhandenen Temperatur- und Pegeldatensätze, die verwendet wurden, „akribisch abgeleitet von Werten, die über ein Jahrhundert hinweg und an weltweit verteilten Stationen gemessen wurden“, fügt Vermeer hinzu.

Der projizierte Anstieg ist etwa dreimal so hoch wie die Abschätzung aus dem vierten Sachstandsbericht des Weltklimarates IPCC von 2007, die den Eisverlust in Grönland und der Antarktis nicht vollständig berücksichtigt. Ein so starker Anstieg wäre eine existentielle Bedrohung vieler Küstenstädte und einer Reihe kleiner Inselstaaten. Sie wird nur zu vermeiden sein, wenn der Ausstoß von Treibhausgasen drastisch und schnell sinkt.

Küstengebiete entlang der Nordsee. Rot gefärbt sind Landgebiete, die niedriger als zwei Meter über dem gegenwärtigen mittleren Meeresspiegel liegen (ohne Berücksichtigung von Küstenschutzmaßnahmen). Quelle: Brooks et al., 2006 [Ausschnitt aus dem Original]

Nach den Studienergebnissen hätten Verzögerungen schwerwiegende Folgen, da frühe Verringerungen des Treibhausgas-Ausstoßes den Meeresspiegelanstieg deutlich effektiver bremsen als späte. Um den Anstieg des Meeresspiegels auf weniger als einen Meter zu begrenzen, sind wahrscheinlich noch deutlich raschere Emissionsreduzierungen notwendig, als zur Begrenzung des Temperaturanstiegs auf zwei Grad Celsius erforderlich sind. Das so genannte 2 Grad-Ziel wird mittlerweile von vielen Staaten angestrebt.

Originalveröffentlichung:

Vermeer, M., Rahmstorf, S. (2009) Global sea level linked to global temperature. Proc Natl Acad Sci USA

Klimaschwankungen in der Nähe des Äquators weisen ein deutlich anderes Muster auf als die Klimaänderungen in Arktis und Antarktis.

Vegetation am Kilimanjaro – (c) Claus Bünnagel / Pixelio

Es lassen sich in den Tropen deutliche 11500-jährige Schwankungen zwischen Feucht- und Trockenphasen identifizieren, die ein anderes Muster als die Temperatur-Rekonstruktionen aus den polaren Eiskernen zeigen. Die Untersuchungen des Klimas der vergangenen 25 000 Jahre im tropischen Afrika zeigen, dass Trockenphasen bei niedrigerer Solarstrahlung im März und September herrschten, was die folgende Regenzeit schwächer ausfallen ließ. Dieses unterstreicht die Bedeutung hydrologischer Veränderungen im regionalen Klimawandel, formuliert ein europäisches Konsortium von Geowissenschaftlern unter Leitung von Prof. Dirk Verschuren (Univ. Gent, Belgien) in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature (Vol. 462, 7273).

Die Ursachen für die Feuchtigkeitsänderungen sind jahreszeitliche Effekte zyklischer Veränderungen der Erdumlaufbahn um die Sonne, die wiederum die auf der Erde ankommende Solarstrahlung bestimmt. Den grundlegenden Rhythmus geben die jährlichen Regenzeiten vor, die mit der so genannten inntertropischen Konvergenzzone verbunden sind. Darunter versteht man das Wolkenband in Äquatornähe, welches aus Gewittern besteht, die sich durch Sonneneinstrahlung und starke Verdunstung bilden. Mit dem Sonnenhöchststand im Juni auf der Nord- und im Januar auf der Südhalbkugel wandert dieses Wolkenband nord- und südwärts.

Wie spiegelt sich die langfristige Veränderung der Solarstrahlung in diesen Rhythmen wider? Um diese Frage zu bearbeiten, untersuchte die europäische Forschergruppe das Regionalklima Ostafrikas.
“Bisher gab es kaum Daten über Klimawandel in den Tropen. Änderungen der Temperatur spielen dort im Gegensatz zu hydrologischen Änderungen keine große Rolle,” beschreibt Achim Brauer vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ die Fragestellung. Seine Arbeitsgruppe analysierte die Ablagerungen im Challa-See, einem Kratersee am östlichen Fuß des Kilimandscharo. Die GFZ-Wissenschaftler zogen erstmalig in dieser Region feingeschichtete Bohrkerne aus dem Seeboden, die 21 Meter tief reichen. “Damit deckt dieser Sedimentkern die letzten 25000 Jahre ab,” erklärt Achim Brauer. “Detaillierte mikroskopische und geochemische Untersuchungen der einzelnen Sedimentlagen liefern Klimainformationen auf einer sehr genauen Zeitskala.” Dieses weltweit bisher einzige lange Sedimentprofil feingeschichteter Seeablagerungen in den Tropen wird durch hochauflösende geophysikalische Daten ergänzt..

Als Resultat wurde festgestellt, dass die Schwankungen in der Sonneneinstrahlung genau dem zeitlichen Muster der Änderung der Erdumlaufbahn folgen, die sich wiederum in Klimazyklen niederschlagen. Der Feuchtetransport nach Ostafrika durch die Passatwinde aus dem Indischen Ozean war stärker, wenn die Einstrahlung und folglich das Aufsteigen der Luft am Äquator zunahm. Umgekehrt schwächte sich dieser Feuchtetransport ab, wenn die geringere Einstrahlung zu schwächerem Luftaufstieg und nachfolgend zu schwächerem Passat führte. Das Verständnis tropischer Klimavariabilität und speziell der Lageveränderungen der innertropischen Konvergenzzone ist von besonderer Bedeutung, weil damit die Zusammenhänge zwischen Temperatur und Niederschlag in tropischen Breiten besser entschlüsselt werden können.

Die Antarktis steht im Fokus der Klimaforschung.

Meteorologin beim Start einer Radiosonde – (c) AWI

Der erste umfassende Bericht über den Stand des Klimas in der Antarktis und seine Beziehung zum globalen Klimasystem wird in dieser Woche vom Wissenschaftlichen Ausschuss für Antarktisforschung (Scientific Committee on Antarctic Research – SCAR) in London veröffentlicht. Der Bericht „Antarctic Climate Change and the Environment“ präsentiert die neuesten Forschungsergebnisse vom eisigen Kontinent. Er zeigt Bereiche für die zukünftige wissenschaftliche Forschung auf und befasst sich mit dringenden Fragen, die politische Entscheidungsträger zur Eisschmelze in der Antarktis, zum Anstieg des Meeresspiegels und zur biologischen Vielfalt haben.

Der Bericht fasst die neuesten Erkenntnisse von mehr als 100 weltweit führenden Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen aus 13 Ländern zusammen. Er konzentriert sich auf die Auswirkungen und Folgen der raschen Erwärmung der antarktischen Halbinsel und Gebieten des Südlichen Ozeans, den schnellen Eisrückgang in Teilen der Antarktis und die Zunahme von Meereis um den Kontinent, die Auswirkungen des Klimawandels auf die antarktische Pflanzen- und Tierwelt, den so noch nie da gewesenen Anstieg des Kohlendioxidgehalts, den Zusammenhang zwischen vom Menschen verursachten globalen Veränderungen und natürlicher Variabilität und die außergewöhnliche Feststellung, dass das Ozonloch einen Großteil der Antarktis vor der globalen Erwärmung geschützt hat.

Dr. Colin Summerhayes, Geschäftsführender Direktor von SCAR, sagte: „Die Antarktis ist eine einzigartige Informationsquelle über unseren Planeten. Dieser Bericht beschreibt, was wir heute wissen, und illustriert, wie menschliche Aktivität den raschen Klimawandel vorantreibt. Durch die Integration multidisziplinärer Aussagen in einem Bericht helfen wir Wissenschaftlern und politischen Entscheidungsträgern zu verstehen, welche Umweltveränderungen auf natürliche Kreisläufe der Erde zurückzuführen und welche vom Menschen induziert sind. Die Arbeit ist besonders wichtig, weil sie den Klimawandel in der Antarktis in einen globalen Zusammenhang stellt und die Auswirkungen auf den Rest des Planeten zeigt.”

Professor John Turner vom British Antarctic Survey, leitender Redakteur des Berichts: „Für mich ist das Erstaunlichste der Nachweis, dass ein menschlicher Umwelteinfluss – das Ozonloch – den Großteil der Antarktis vor der globalen Erwärmung geschützt hat. Das Verständnis solch komplexer Zusammenhänge ist eine Herausforderung für die Wissenschaft – und diese in sinnvoller Weise für die Gesellschaft und die Politik zu kommunizieren, ist von wesentlicher Bedeutung. Es besteht kein Zweifel, dass unsere Welt sich verändert und menschliche Aktivitäten die globalen Veränderungen beschleunigen. Dieser Bericht ist ein wichtiger Schritt, um sicherzustellen, dass die aktuellsten und besten wissenschaftlichen Aussagen gebündelt verfügbar sind. Er stellt die Grundlage für die zukünftige Antarktis-Forschung dar und liefert das Wissen, dass wir uns alle darauf einstellen müssen, mit Umweltveränderungen leben zu müssen.”

Eine Zusammenfassung des Berichts in zehn wichtigen Punkten:

1. Das Ozonloch hat den Großteil der Antarktis in den letzten 30 Jahren vor der globalen Erwärmung geschützt.
2. Die Erwärmung des Südlichen Ozeans führt zu Änderungen im antarktischen Ökosystem.
3. Rasche Zunahme der Pflanzengesellschaften auf der antarktischen Halbinsel
4. Schneller Eisverlust in Teilen der Antarktis
5. Zehnprozentige Zunahme des Meereises rund um die Antarktis
6. Steigerung der Kohlendioxidgehalte so schnell wie noch nie seit 800.000 Jahren
7. Rückgang des Meereises westlich der antarktischen Halbinsel beeinflusst unmittelbar Krillvorkommen und Pinguinkolonien.
8. Die Antarktis könnte sich im Laufe dieses Jahrhunderts um etwa 3 ° C erwärmen.
9. Verluste am Westantarktischen Eisschild könnten den Meeresspiegelanstieg beschleunigen.
10. Verbesserte Modellierung der polaren Prozesse ist für genauere Vorhersagen erforderlich.

Der Wissenschaftliche Ausschuss für Antarktisforschung (SCAR) befasst sich mit der internationalen Koordinierung der wissenschaftlichen Forschung in der Antarktis und im Südlichen Ozean. Es ist ein interdisziplinäres Komitee des International Council for Science (ICSU) und hat heute 35 Mitgliedsländer. 12 Mitgliedstaaten gründeten ihn im Jahr 1958 nach gemeinsamen Aktivitäten im Rahmen des Internationalen Geophysikalischen Jahres 1957. SCAR spielte eine führende Rolle in dem kürzlich abgeschlossenen Internationalen Polarjahr (2007 – 2008).

Aus Deutschland haben Dr. Julian Gutt und Dr. Eberhard Fahrbach vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven federführend und viele Kollegen mit Fachbeiträgen an dem Bericht mitgearbeitet.

Der Bericht stellt Informationen aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen (z.B. Meteorologie, Glaziologie, Ozeanografie und Biologie) und über verschiedene Aspekte des globalen Klimasystems zusammen.

Hier finden Sie sie wichtigsten Ergebnisse in 85 Punkten.

Wie stark wirkt sich der Klimawandel langfristig auf die eisbedeckten Gebiete der Erde aus und welche Folgen hat das für den Meeresspiegel?

Antarktis – Lemaire-Kanal – (c) klaus / Pixelio

Diese Fragen untersuchen Mitarbeiter des Geodätischen Instituts der Universität Stuttgart zusammen mit Kollegen der Curtin University of Technology in Perth, Australien, auf der Basis von Messdaten der Satellitenmission GRACE. Sie fanden heraus, dass die Eismassen über Grönland in den letzten Jahren kontinuierlich und weitaus mehr als erwartet abgenommen haben. Dadurch stieg der Meeresspiegel durchschnittlich um etwa 0,5 Millimeter pro Jahr an.

Mit dem Start der Satellitenmission GRACE wurde es erstmals möglich, globale Massenänderungen wie zum Beispiel das Abschmelzen von Eismassen zu bestimmen, indem man Änderungen der Erdanziehungskraft (Gravitation) misst. Das dahinterstehende Prinzip ist einfach: Es basiert darauf, dass eine Umverteilung der Erdmasse zwangsläufig eine Änderung des Gravitationsfeldes der Erde nach sich zieht. Deshalb messen die Wissenschaftler, wie sich die Kraft, mit der eine Probemasse von der Erde angezogen wird, über einen bestimmten Zeitraum hinweg verändert. Daraus ziehen sie Rückschlüsse auf Massenänderungen an der Erdoberfläche.

Die Satelliten-Daten zeigen, dass Grönland den stärksten Massenschwund zu verzeichnen hat, was vorrangig durch das anhaltende Schmelzen der dortigen Eisschilde zu erklären ist. Die arktische Insel verliert jährlich zwischen 165 und 189 Kubikkilometer Eis – weit mehr, als aufgrund der Ergebnisse von Messungen mit alternativen Verfahren in den 1990er-Jahren bisher angenommen wurde.

Globale Masseänderungen im Zeitraum August 2002 bis Juli 2008. Über Grönland, Alaska und der Antarktis dominieren negative Signale, die aus dem Abschmelzen von Eis resultieren. Grafik: Universität Stuttgart

Der Abschmelzvorgang bewirkt den Zufluss der entsprechenden Wassermassen in die Ozeane. Zudem bedingen die global steigenden Temperaturen die thermische Ausdehnung des Wassers. Allerdings ändert sich der Meeresspiegel entgegen der allgegenwärtigen Vorstellung nicht gleichmäßig über die Ozeane hinweg. Vielmehr bedingt die globale Massen-Neuverteilung eine regional sehr unterschiedlich ausgeprägte Variation des Meeresspiegels. Dabei gilt das Prinzip, dass das Schmelzen der Eismassen auf der Nordhalbkugel den Meeresspiegel auf der südlichen Hemisphäre am stärksten anwachsen lässt. Umgekehrt wirkt sich der Eismassenverlust über der Antarktis am stärksten auf der Nordhalbkugel aus.
Zusammengerechnet sind die Effekte alarmierend. Schließlich leben heute in den Küstengebieten weltweit Millionen Menschen. Schon Hochrechnungen aufgrund bisheriger Messungen über Grönland lassen über 100 Jahre hinweg auf einen Anstieg des Meeresspiegels von fünf Zentimetern schließen – und dabei ist weder die beschleunigte Abnahme der Eismasse, noch die Eisschmelze über der Antarktis berücksichtigt. Bezieht man diese Progressionseffekte ein, so gelangt man schnell zu einer Prognose von 50 Zentimetern Wasseranstieg bis zum Ende des Jahrhunderts. Um dies wissenschaftlich abzusichern, sind weitere Messungen erforderlich.