KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Erdgeschichtliche Klimaveränderungen haben das Schicksal der Vorfahren des modernen Menschen beeinflusst – warum aber manche evolutionäre Varianten entstanden oder verschwanden, war bislang unklar.

Fossiler Schädel – Foto: Martin Trauth / Uni Potsdam

Wissenschaftler des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) und der Universität Potsdam haben nun eine neuartige Betrachtungsweise für die Entwicklung der vergangenen fünf Millionen Jahre vorgelegt. Eine nichtlineare statistische Analyse von Ablagerungen auf dem Meeresboden vor Afrika deutet darauf hin, dass abrupte Änderungen der Schwankungsneigung des Klimas die Evolution des Menschen entscheidend geprägt haben könnten. Zunächst drei solcher urzeitlicher Kipp-Punkte haben die Forscher ausgemacht.

„Dass Klimaänderungen für die Menschheitsgeschichte bedeutsam sind, wurde schon lange angenommen – aber bisher nie wirklich statistisch belegt“, sagt Jonathan Donges vom PIK, Leitautor der in den renommierten Proceedings of the National Academy of Sciences diese Woche veröffentlichten Studie. Dieser Beleg sei aber wichtig. „Wir können erstmals zeigen, dass das Zusammentreffen von Veränderungen der Schwankungsneigung des Klimas und solchen in der frühmenschlichen Evolution mit hoher Wahrscheinlichkeit kein Zufall war“, so Donges. Entscheidend sei der Wechsel von Zeiten geringer Klimaschwankungen zu solchen starker Klimaschwankungen – „also gleichsam die Änderungen der Änderungen“. Diese erhöhten offenbar den Selektionsdruck.

Staubspuren auf dem Boden der Ozeane als Datenlieferant
Statt längerer Trends haben sich die Forscher vergleichsweise kurzfristige Veränderungen angeschaut, die allerdings immer noch einige tausend Jahre umfassen. Die mathematische Auswertung der Millionen Jahre umfassenden Zeitreihen stützte sich auf Daten, die marine Geologen bereits vor längerer Zeit veröffentlichten. Sie stammen aus Bohrkernen aus dem Untergrund des indischen und atlantischen Ozeans sowie des Mittelmeeres. Hier finden sich Spuren von Wüstenstaub, die Rückschlüsse auf das zu bestimmten Zeiten an Land herrschende Klima zulassen.

Dabei konnten die Forscher auch einige der Mechanismen identifizieren, welche die Klimaänderung vermutlich ausgelöst haben. So hat sich etwa der Zufluss von warmem Wasser aus dem Pazifik Richtung Afrika verringert, weil sich in der Region des heutigen Indonesiens Landmassen verschoben. Da Meeresströmungen aber Förderbänder für Wärme sind, veränderten sich in der Folge die regionalen Temperaturen und Niederschläge in Afrika. Dies hatte wiederum Auswirkungen auf die örtliche Pflanzenwelt und damit den Tierbestand sowie Vormenschen wie den Australopithecus, der vor etwa einer Million Jahren ausstarb. Andere Vorläufer des Menschen hingegen konnten sich unter den geänderten Bedingungen plötzlich besser durchsetzen, weil sie anpassungsfähiger waren. „Der Generalist Homo hatte im stärker schwankenden Klima bessere Chancen als spezialisiertere Vormenschen“, so Donges.

Blick auf die Vergangenheit schärft den auf die Zukunft
Der Blick auf die Vergangenheit könnte auch den auf die Zukunft schärfen helfen. „Klimaänderungen haben Auswirkungen auf die Lebensbedingungen des Menschen – und was in der Vergangenheit viele hunderttausend Jahre gedauert hat, das könnte durch den menschengemachten Treibhauseffekt jetzt im Zeitraffer ablaufen“, erklärt der Leiter des Forschungsteams und Ko-Autor Jürgen Kurths. Eine der drei relevanten Perioden vor gut drei Millionen Jahren gilt von den Temperaturen her als Gegenstück zu einer Welt mit ungebremstem CO2-Ausstoß Ende unseres Jahrhunderts. „Dabei geht es nicht um eine Übertragung Eins zu Eins, sondern um das Verstehen der grundlegenden Mechanismen von Klimaveränderungen“, so Kurths. „Die so genannte Paläo-Klimatologie dient oft der Überprüfung von Annahmen für das Klima von Heute, Morgen und Übermorgen.“

„Es ist ein großer Schritt nach vorn, dass endlich die Methoden der nichtlinearen Physik auch in der Forschung zur Entwicklung der Menschheit genutzt werden können“, sagt Hans Joachim Schellnhuber, Direktor des PIK und gleichfalls einer der Ko-Autoren der Studie. Er ist einer der Pioniere bei der Anwendung dieser auch als Chaostheorie bekannten Disziplin in der Erdsystemforschung. „Besser und besser gelingt es uns, komplexe dynamische Systeme zu verstehen“, so Schellnhuber. „Und dabei zeigt sich immer mehr, dass es sich hier nicht um ein Glasperlenspiel handelt, sondern ein außerordentlich relevantes Forschungsfeld – gerade mit Blick auf den Klimawandel.“

Originalpublikation
Donges, J., Donner, R.V., Trauth, M.H., Marwan, N., Schellnhuber, H.J., Kurths, J.: Nonlinear detection of paleoclimate-variability transitions possibly related to human evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences [doi:10.1073/pnas.0709640104]

Das Eisschild der West-Antarktis ist ein mögliches Kipp-Element im Klimasystem, das teils bereits gekippt sein könnte.

Eisschild der West-Antarktis kippt – Foto: NASA / Jane Peterson

Wissenschaftler können nicht ausschließen, dass die Eismassen nahe der antarktischen Amundsen See bereits instabil zu werden beginnen. Dies ist eines der Ergebnisse einer jetzt in der Fachzeitschrift Climatic Change erschienenen neuen Einschätzung des gegenwärtigen Zustands von sechs potenziell instabilen Regionen im Klimasystem mit großen direkten Auswirkungen auf Europa. Die Wahrscheinlichkeit des Kippens dieser Elemente steigt im Allgemeinen mit dem Anstieg der globalen Mitteltemperatur, als Folge des von Menschen verursachten Ausstoßes von Treibhausgasen.
„Wir zeigen hier nur eine Momentaufnahme des Wissensstands, aber sie ist in mancher Hinsicht schärfer als die zuvor gemachten“, sagt Anders Levermann vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung. Zum ersten Mal hätten sich Experten für die verschiedenen möglichen Kipp-Elemente als Ko-Autoren zusammen getan, um gemeinsam einen Überblick zum Stand des Wissens über sogenannte klimatische Übergänge zu geben. Derartige Einschätzungen, das legt der Begriff schon nahe, entwickeln sich ständig weiter, wie Levermann betont. Allerdings werden die betreffenden Systeme immer besser begriffen. „Diese Vorgänge zu verstehen ist von entscheidender Bedeutung als Grundlage künftiger gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Entscheidungen“, sagt Levermann. „Aus dem Blickwinkel der Risiko-Abschätzung muss die Wissenschaft – natürlich immer unter Hinweis auf Unsicherheiten – Betroffene und Entscheider mit Informationen über Wahrscheinlichkeiten und mögliche Wirkungen von klimatischen Übergängen unterstützen. Einfach Abwarten ist keine Alternative.“

Solch ein teilweiser Abbruch des westantarktischen Inlandeises wäre zum Beispiel gleichbedeutend mit einem zusätzlichen Meeresspiegelanstieg von 1,5 Meter, wie frühere Forschung zeigt. Die meisten Deiche in Europa können um nicht mehr als einen Meter erhöht werden, so die Studie. Danach muss das Hinterland verändert werden. Selbst wenn der vollständige Zerfall des Eisschildes der Westantarktis hunderte von Jahren dauern würde, wären die Auswirkungen erheblich. Zusätzlich zum globalen Meeresspiegelanstieg durch das Schmelzwasser würde auch die Anziehungskraft in Richtung des Südpols verringert – wo die Masse schrumpft, wird auch die Gravitation weniger. Hierdurch könnte der Meeresspiegelanstieg in Europa sogar noch verstärkt werden. All dies fließt in die Schlussfolgerungen der Forscher mit ein.

Das arktische Meer-Eis und die Gebirgsgletscher der Alpen werden unter den in der Studie aufgelisteten Elementen als diejenigen eingeschätzt, die am empfindlichsten auf die Erderwärmung reagieren. Geht das arktische Meer-Eis zurück, so kann dies Auswirkungen auf das System von Hoch- und Tiefdruckgebieten in der Atomsphäre über dem Nordatlantik haben – und hiermit auch auf die vom Atlantik kommenden Stürme in Europa. Ein Schrumpfen der Gletscher in den Alpen hat Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von Wasser in der Region, weil sich je nach Jahreszeit der Abfluss von Schmelzwasser in die Flüsse verändert. Mit einer Erwärmung von zwei Grad Celsius würden von den Gletschern nur kleine Reste bleiben. Ob es bei diesen zwei Kipp-Elementen eine Selbstverstärkung der Effekte gibt, ist unsicher. So könnte sich etwa der Rückgang beim arktischen Meer-Eis wieder umkehren, wenn die globale Mitteltemperatur sinkt – auch wenn ein solches Szenario nicht sehr wahrscheinlich ist.

Das Risiko, bei der Abnahme der Ozonschicht über der Arktis einen Kipp-Punkt zu erreichen, werde unbedeutend, wenn die Menge von Chlor in der Stratosphäre unter das Niveau von 1980 sinkt, so die Einschätzung der Experten. Dies werde voraussichtlich 2060 der Fall sein. Hohe Unsicherheit gibt es bei der großen Umwälzströmung im Atlantik, der sogenannten thermohalinen Zirkulation. Ihr möglicher Zusammenbruch könnte durch den Zustrom von Süßwasser geschehen, der seine Ursache im Schmelzen der Eisdecke auf Grönland und in veränderten Niederschlagsmustern hat. Die Unsicherheit in der zukünftigen Veränderung dieser Größen spiegelt sich in einer starken Unsicherheit über das Kippen der Ozeanströmung. Entsprechend bleibt, im Gegensatz zu den anderen Kippelementen, die Unsicherheit auch bei starker Erwärmung hoch.

Andere Kipp-Elemente wie die Gletscher des Himalaya, der indische Monsun oder das Tauen der sibirischen Permafrostböden werden in der Studie nicht im Detail untersucht, da sie keine direkten Auswirkungen auf Europa haben, so die Autoren. Allerdings sind indirekte Auswirkungen durchaus wahrscheinlich.

Der Begriff ‚Kipp-Elemente’ ist dadurch definiert, dass hier kleine äußere Störungen eine starke Reaktion auslösen. Dies könnte bei manchen so missverstanden werden, dass die Veränderung dieser Elemente immer selbstverstärkend und unumkehrbar sei. Zwar gehören zu den meisten Kipp-Elementen solche dynamischen Prozesse mit Selbstverstärkung, aber nicht zu allen. „Der entscheidende Punkt ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen im globalen Klima”, erklärt Levermann. „Diese stellt ein Risiko dar, dessen sich die Gesellschaft bewusst sein muss.“

Artikel: Levermann, A., Bamber, J., Drijfhout, S., Ganopolski, A., Haeberli, W., Harris, N., Huss, M., Krüger, K., Lenton, T., Lindsay, R., Notz, D., Wadhams. P., Weber, S.: Potential climatic transitions with profound impact on Europe, Review of the current state of six ‘tipping elements of the climate system’. Climatic Change (2011) [DOI 10.1007/s10584-011-0126-5]
Weblink zum Artikel (PDF)

Weitere Informationen

Lenton, Timothy: Early warning of climate tipping points. Nature Climate Change (2011) [DOI: 10.1038/nclimate1143]

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E. Kriegler. J. Hall, H. Held, R. Dawson, H.-J. Schellnhuber (2009) Imprecise probability assessment of tipping points in the climate system. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 106(13): 5041-5046, Weblink zum Artikel

T. Lenton, H. Held, E. Kriegler, J.W. Hall, H. Held, R. Dawson, H.-J. Schellnhuber (2008) Tipping element’s in the earth’s climate system. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 105: 1786-1793,

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Der starke Rückgang des Meereises in der Arktis ließ in den letzten Jahren die Sorge aufkommen, dass die Eisbedeckung sich einem sog. Kipp-Punkt nähern könnte.

Die Arktis bei Grönland – Foto: Martin Schwan – Fotolia.com

Bei Überschreiten des Kipp-Punktes wäre der Verlust des verbleibenden Meereises nicht mehr zu stoppen. Aktuelle Ergebnisse des Hamburger MPI für Meteorologie deuten jetzt jedoch darauf hin, dass es keinen solchen Kipp-Punkt für den Verlust des Sommereises in der Arktis gibt. Stattdessen reagiert die Eisbedeckung relativ direkt auf die jeweiligen klimatischen Bedingungen. Der fortschreitende Verlust des Arktischen Meereises könnte also verlangsamt oder sogar gestoppt werden, wenn die globale Erwärmung verlangsamt oder gestoppt würde.

Steffen Tietsche, Erstautor der in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters erschienen Studie [1], sagte, er sei anfänglich ziemlich überrascht über die Ergebnisse gewesen: „Die mögliche Existenz eines Kipp-Punktes für den Verlust des Arktischen Meereises erscheint zunächst völlig logisch: Wenn die Eisbedeckung zurückgeht, nimmt das Meerwasser mehr Sonnenlicht auf und erwärmt sich deswegen stärker, sodass noch mehr Eis abschmilzt. Diese Rückkopplung kann prinzipiell dazu führen, dass der Verlust des Arktischen Meereises sich selbst verstärkt und unabhängig von den vorherrschenden Klimabedingungen wird.” Die Gültigkeit dieses Konzepts untersuchten die Forscher jetzt mit einem Klimamodell. In diesem Modell entfernten sie die Arktische Eisbedeckung zu Beginn des Sommers vollständig, um so die Aufnahme von Sonnenlicht im offenen Wasser zu maximieren. “Wir erwarteten eigentlich, dass der Ozean nach der künstlichen Eisschmelze eisfrei bleiben würde, weil das offene Wasser im Sommer deutlich mehr Wärme aufnimmt”, sagte Tietsche. Unerwarteterweise erholte sich jedoch in den Modellsimulationen die Eisbedeckung stets innerhalb von etwa drei Jahren, sodass dann wieder Bedingungen wie vor der künstlichen Eisschmelze herrschten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass der Zustand des Meereises jederzeit eng an die vorherrschenden Klimabedingungen gebunden ist, was die Existenz eines Kipp-Punktes unwahrscheinlich macht.

Die Forscher fanden auch heraus, welche Prozesse die Erholung der Eisbedeckung ermöglichen: Der Ozean verliert während des Winters den Großteil der im Sommer zusätzlich aufgenommenen Wärme. Dieser Wärmeverlust ist wegen des Fehlens einer isolierenden Eisdecke extrem effizient, weil der offene Ozean direkt Kontakt zur kalten Atmosphäre hat. Außerdem wächst das sich schließlich bildende dünne Eis sehr schnell, weil dünnes Eis schlechter isoliert als dickes Eis. Die Wärme, die vom Ozean durch das dünne Eis abgegeben wird, führt anschließend zu einer stärkeren Wärmeabstrahlung der Atmosphäre in den Weltraum und zu einem verringerten Wärmetransport aus dem Süden in die Arktis. Die Kombination dieser stabilisierenden Rückkopplungen ist stärker als die destabilisierende Rückkopplung durch die zusätzliche Aufnahme von Sonnenlicht im Sommer. Die Studie der Max-Planck-Wissenschaftler bestätigt Forschungen von US-Wissenschaftlern, die mit einem viel einfacheren Modell durchgeführt wurden [2]. „Diese Übereinstimmung von Modellen völlig unterschiedlicher Komplexität bedeutet normalerweise, dass die Resultate vertrauenswürdig sind”, sagt Jochem Marotzke, Direktor am Max-Planck-Institut und Koautor der neuen Studie.

Die Forscher betonen, dass ihre Ergebnisse nicht den dramatischen Verlust des Arktischen Meereises aufgrund des menschengemachten Klimawandels infrage stellen. “Wenn wir die globale Erwärmung nicht stark verlangsamen, wird die Arktis in einigen Jahrzehnten im Sommer eisfrei sein”, sagt Tietsche. “Unsere Forschung zeigt, dass die Geschwindigkeit, mit der das Meereis zurückgeht, eng mit der Geschwindigkeit der globalen Erwärmung zusammenhängt. Unsere Arbeit unterstreicht aber, dass wir den Verlust des Arktischen Meereises grundsätzlich noch verlangsamen oder vielleicht sogar stoppen können.”

Originalpublikationen
[1] Tietsche, S., D. Notz, J. H. Jungclaus, and J. Marotzke (2011), Recovery mechanisms of Arctic summer sea ice, Geophys. Res. Lett., 38, L02707, doi:10.1029/2010GL045698.
[2] Eisenman, I., and J. S. Wettlaufer (2009), Nonlinear threshold behavior during the loss of Arctic sea ice, Proc. Nat. Acad. Sci. U. S. A., 106(1), 28–32, doi:10.1073/pnas.0806887106.

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.)

Der Klimawandel vollzieht sich schneller als erwartet.

Kopenhagen-Diagnose

Die großen Eisschilde der Erde verlieren zunehmend an Masse; das arktische Meereis schwindet deutlich schneller als noch kürzlich projiziert und der Meeresspiegel wird wahrscheinlich stärker ansteigen als bislang angenommen. Das geht aus einem neuen globalen Synthesebericht hervor, den einige der führenden Klimawissenschaftler der Welt verfasst haben.

In dem “Copenhagen Diagnosis” genannten Bericht kommen 26 Wissenschaftler, die meisten davon Autoren früherer Berichte des Weltklimarates IPCC, zu dem Schluss, dass einige Aspekte des Klimawandels früher und stärker eintreten als noch vor wenigen Jahren vermutet.

Der globale Temperaturanstieg folgt weiterhin den früheren Projektionen des IPCC aufgrund der wachsenden Treibhausgas-Konzentrationen in der Atmosphäre. Ohne deutliche Verminderung der Emissionen könnte die globale Durchschnittstemperatur bis zum Jahr 2100 um bis zu sieben Grad Celsius ansteigen, berichten die Autoren.

Der Bericht ist Ergebnis einer einjährigen Zusammenarbeit. Die Autoren fassen darin neue Schlüsselergebnisse der Klimaforschung zusammen, die noch nicht im vierten Sachstandsbericht des IPCC (Fourth Assessment Report, 2007) enthalten waren:

• Satelliten- und direkte Messungen zeigen, dass sowohl der Grönländische als auch der Antarktische Eisschild zunehmend an Masse verlieren und zum Anstieg des Meeresspiegels beitragen.
• Das arktische Meereis schwindet deutlich schneller als nach den Projektionen von Klimamodellen zu erwarten war. So war der Eisverlust in den Sommern der Jahre 2007 bis 2009 jeweils rund 40 Prozent größer als der Mittelwert der Simulationsrechnungen für den vierten Sachstandsbericht des IPCC von 2007.
• In den vergangenen 15 Jahren ist der Meeresspiegel um mehr als fünf Zentimeter angestiegen. Der Anstieg liegt damit rund 80 Prozent über den Projektionen aus dem dritten Sachstandsbericht des IPCC von 2001. Durch den Schmelzwasserzufluss von Eisschilden und Gebirgsgletschern könnte der Pegel bis zum Jahr 2100 global um mehr als einen Meter bis maximal zwei Meter ansteigen – deutlich stärker als nach den Projektionen des IPCC. In den nächsten Jahrhunderten muss mit einem weiteren Anstieg um mehrere Meter gerechnet werden.
• Im Jahr 2008 wurden rund 40 Prozent mehr Kohlendioxid aus fossilen Quellen freigesetzt als im Jahr 1990. Selbst wenn die Emissionen nicht weiter zunähmen, wäre schon innerhalb von 20 Jahren das Emissionsbudget aufgebraucht, das der Welt noch zur Verfügung steht, wenn die globale Erwärmung auf höchstens zwei Grad Celsius begrenzt werden soll.

Aus dem Bericht geht hervor, dass die globalen Emissionen in spätestens fünf bis zehn Jahren ihren Gipfel überschritten haben und anschließend schnell abnehmen müssen, damit die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels vermieden werden können.

Um das Klimasystem zu stabilisieren, müssen die Emissionen von Kohlendioxid und anderen langlebigen Treibhausgasen noch in diesem Jahrhundert fast auf Null gesenkt werden, berichten die Autoren.

Beobachtete (rote Line) und simulierte Meereisbedeckung der Arktis für den Monat September in Millionen Quadratkilometern. Die dicke schwarze Linie repräsentiert den Ensemble Mittelwert von 13 IPCC AR4 Modellen während die gestrichelten Linien die Variationsbreite wiedergeben. Nach Stroeve et al. (2007) ergänzt mit Daten von 2008. Das Minimum für 2009 wurde kürzlich mit 5.1 Millionen Quadratkilometern berechnet und ist damit der drittkleinste aller bisher gemessenen Werte und liegt noch deutlich unter dem Worst-Case-Szenario des IPCC.
Copenhagen Diagnosis, 2009

Printveröffentlichung

The Copenhagen Diagnosis, 2009: Updating the World on Latest Climate Science.
I. Allison, N.L. Bindoff, R.A. Bindschadler, P.M. Cox, N. de Noblet, M.H. England, J.E. Francis, N. Gruber, A.M. Haywood, D.J. Karoly, G. Kaser, C. Le Quéré, T.M. Lenton, M.E. Mann, B.I. McNeil, A.J. Pitman, S. Rahmstorf, E. Rignot, H.J. Schellnhuber, S.H. Schneider, S.C. Sherwood, R.C.J. Somerville, K. Steffen, E.J. Steig, M. Visbeck, A.J. Weaver. University of New South Wales Climate Change Research Centre (CCRC), Sydney, Australia, 60pp.

Statements von Autoren:

“Dies ist der letzte wissenschaftliche Aufruf an die Unterhändler von 192 Staaten, den Klimaschutz-Zug in Kopenhagen nicht zu verpassen. Sie müssen die ganze Wahrheit über die globale Erwärmung und die damit verbundenen nie dagewesenen Risiken kennen.”
Hans Joachim Schellnhuber, Direktor des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) und Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU)

“Der Meeresspiegel steigt rascher und das arktische Meereis schwindet deutlich schneller als erwartet. Leider zeigen uns diese Daten, dass wir die Klimakrise bislang unterschätzt haben.”
Stefan Rahmstorf, Professor für Physik der Ozeane und Abteilungsleiter des Forschungsbereichs Erdsystemanalyse am PIK

“Die Ozeane sind durch die Erwärmung und die gesteigerte Aufnahme von Kohlendioxid zunehmend gefährdet. Die Verluste an biologischer Vielfalt aufgrund der Wassererwärmung, der Versauerung und des auftretenden Sauerstoffmangels werden in Zukunft erheblich zur aktuellen Gefährdung durch Überfischung und Meeresverschmutzung beitragen.”
Martin Visbeck, Professor für Physikalische Ozeanographie und Stellvertretender Direktor des IFM-GEOMAR

“Schon die Anpassung der Gletscher an das heutige Klima wird den Meeresspiegel voraussichtlich um 18 Zentimeter ansteigen lassen. Bei weiterer Erwärmung könnten sie bis zum Jahr 2100 mehr als einen halben Meter zum Anstieg beitragen.”
Georg Kaser, Glaziologe an der Universität Innsbruck

“Das Klimasystem hält uns keinen Rettungsanker bereit. Den müssen wir selber auswerfen, indem wir die Emissionen von CO2 und den anderen Treibhausgasen möglichst schnell reduzieren.”
Nicolas Gruber, Professor für Umweltphysik, ETH Zürich

“Die Kohlendioxid-Emissionen dürfen nicht weiter zunehmen, wenn die Menschheit das Risiko unbeherrschbarer Auswirkungen des Klimawandels begrenzen will. Wir müssen den Wendepunkt bald erreichen; die Aufgabe duldet keinen Aufschub. Wenn wir die Erwärmung auf zwei Grad Celsius begrenzen wollen, was sich viele Länder zum Ziel gesetzt haben, müssen die Emissionen ihr Maximum vor 2020 erreichen und anschließend schnell abnehmen.”
Richard Somerville, Professor Emeritus für Atmosphärenwissenschaften an der University of California, San Diego

“Unser Spielraum für ‘erlaubte Emissionen’, die unsere Klimazukunft nicht zu stark gefährden, ist so gut wie ausgeschöpft. Innerhalb nur eines Jahrzehnts müssen die globalen Emissionen beginnen abzunehmen. Angesichts des schnellen Wirtschaftswachstums in einigen Nationen brauchen wir dringend eine verbindliche Einigung, die sicherstellt, dass die großen Emittenten einmütig handeln.”
Matthew England, Direktor am Climate Change Research Centre der University of New South Wales, Australien

Die Kopenhagen-Diagnose zum kompletten Download (engl.)

Die Kopenhagen-Diagnose als Zusammenfassung in deutsch (PDF)

Der Klimawandel wird nicht langsam und stetig verlaufen und nicht erst in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts seine dramatischen Folgen zeigen.

In Afrika ist man auf das wenige Wasser angewiesen – (c) Brent Stirton / Getty-Images / WWF

Einzelne Klimaphänomene könnten in zahlreichen Regionen bereits vor 2050 einen Punkt überschreiten, ab dem sie unumkehrbar sein und den weiteren Wandel noch zusätzlich verstärken werden. Zu diesen sogenannten „Tipping Points“ (Kipp-Punkten) zählen die Eisschmelze an den Polen, die Trockenheit in Kalifornien, die Veränderungen des Sommermonsuns in Indien und das Waldsterben am Amazonas. Hunderte von Millionen Menschen und ihre Vermögenswerte werden davon unmittelbar betroffen sein. Die Studie „Tipping Points“ des Finanzdienstleisters Allianz SE und der Umweltstiftung WWF zeigt unmittelbar vor den Klimaverhandlungen in Kopenhagen die schwerwiegenden sozialen und wirtschaftlichen Auswirkungen in besonders betroffenen Regionen auf.

Küstenstädte: Über 28 Billionen US$ gefährdet

Das Abschmelzen der Polkappen könnte bereits vor 2050 zu einem Meeresspiegelanstieg von einem halben Meter führen. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass dies in den 136 Küstenstädten mit mehr als einer Million Einwohner Vermögenswerte von über 28 Billionen US-Dollar gefährdet. Allein an der Nordostküste der USA steigen die dadurch gefährdeten Werte bis 2050 von heute 1,35 auf 7,4 Billionen US-Dollar an. Küstenregionen sind stärker von diesen Folgen des Klimawandels betroffen, weil hier Stürme und Fluten gleichzeitig verheerende Auswirkungen haben können, wie der Hurrikan Katrina 2005 in New Orleans zeigte. Die Studie schätzt, dass im Großraum New York die Schäden eines Hurrikans der Stärke 4 heute bei 1 Billion US-Dollar liegen würden, im Jahr 2050 aber bereits 5 Billionen US-Dollar übersteigen könnten.

Dürre in Kalifornien und Südeuropa

Der Südwesten der USA, hauptsächlich Kalifornien, könnte hingegen ähnlich wie Südeuropa von extremer Trockenheit betroffen sein. Laut der „Tipping Points“-Studie werden Dürren spätestens ab Mitte des Jahrhunderts das regionale Klima bestimmen und weitreichende Folgen für die Landwirtschaft, die Wasserversorgung und für die Wälder haben. Die Studie schätzt, dass sich die Schäden durch Waldbrände bis 2050 auf jährlich bis zu 2,5 Milliarden US-Dollar verzehnfachen könnten. Hinzu kommen indirekte Schäden durch die sozio-ökonomischen Veränderungen in der Landwirtschaft und anderen Wirtschaftsbereichen.

Möglicher Ausfall des Monsuns bedroht Millionen Inder

Veränderungen im indischen Sommermonsun wie etwa die Verschiebung von Niederschlagsgebieten und –zeiten sowie das Abschmelzen der Gletscher im Himalaya könnten zunehmenden Dürren und Trockenheit auslösen. Über 70 Prozent der arbeitenden Bevölkerung sind in Indien von der Landwirtschaft abhängig, ihre Existenz damit unmittelbar gefährdet. Die Versorgung der Bevölkerung mit Wasser und Nahrungsmitteln und ebenso die Gesundheit der Menschen in der Region wären bedroht. Die Kosten werden auf rund 40 Milliarden Dollar pro Jahrzehnt bis zur Mitte des Jahrhunderts geschätzt.

Amazonas-Waldsterben gefährdet Klimaschutz

Irreversible Veränderungen in Ökosystemen sind teilweise schon lange angelegt, bevor sie sichtbar werden. Häufig auftretende Dürren und erhöhte globale Temperaturen könnten dazu führen, dass bis zur Mitte des Jahrhunderts das Absterben von bis zu 70 Prozent des Amazonas Regenwaldes bis 2100 vorprogrammiert ist . In Folge würden in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts große Mengen Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden.   Bei einer Temperaturerhöhung von 2°Celsius ist ein Verlust von rund 1,6 Millionen Quadratkilometer Regenwald zu erwarten. Umgerechnet würden dadurch zusätzliche CO2-Minderungskosten von bis zu 3 Billionen US-Dollar verursacht werden.

Gemeinsamer Klimaschutz notwendig

„Die prognostizierten katastrophalen Folgen der Kipp-Punkte betreffen viele Regionen. Eine gemeinsame weltweite Anstrengung aller Länder zur Bewältigung des Klimaproblems ist für alle ökonomisch und ökologisch von Vorteil. Auch die USA müssten im Eigeninteresse ihre Treibhausgasemissionen massiv reduzieren. Der wichtigste nächste Schritt auf diesem Weg ist ein rechtlich verbindliches Abkommen in Kopenhagen“, erklärt Regine Günther, Leiterin Klima- und Energiepolitik des WWF Deutschland.

Versicherer und Investoren müssen jetzt reagieren

Die Versicherer und ihre Kunden betrifft der Klimawandel mehrfach. Klimabedingte Wetterkatastrophen, wie Stürme, Fluten oder Waldbrände, sorgen für eine Zunahme direkter Schäden. Daneben drohen signifikante Folgeschäden insbesondere in der Landwirtschaft und in der Energieversorgung durch nachhaltige Störungen des Wasserhaushaltes. Zusätzlich erhöht allein der steigende Meeresspiegel die Menge der potenziell gefährdeten Werte in Küstennähe massiv und führt zu deutlich größeren Schadenszenarien.

Klima-Kipp-Punkte verschärfen die Situation, weil sie plötzlich und schon früher als andere Klimafolgen eintreten können. Zudem sind sie oft irreversibel. “Als Versicherer und Investor müssen wir unsere Kunden auf diese Szenarien vorbereiten, solange noch Handlungsspielräume bestehen“, sagt Clemens von Weichs, Vorstandsvorsitzender der Allianz Reinsurance. „Risikogerechte und nachhaltige Prämiengestaltung sind für alle Beteiligten von vitalem Interesse, da nur sie den Fortbestand von Deckungslösungen garantieren.“ Die Allianz will dem Klimawandel durch den frühzeitigen Dialog mit den Kunden begegnen. So sollen rechtzeitig Gegenmaßnahmen aufgezeigt und gemeinsam konkrete Deckungskonzepte erarbeitet werden, sei es für bestehende Werte oder für zukünftige klimagerechte Projekte wie alternative Energie- und Wasserversorgungskonzepte, Wasserschutzbauten oder für den Schutz vor Ernteausfällen.

Die Versicherungsindustrie profitiert heute aus ihren Erfahrungen nach Großschäden durch Hurrikane wie Andrew (1992), Ivan (2004) und Katrina (2005). Bessere Modelle helfen, die Häufigkeit und Stärke von Naturkatastrophen zu begreifen. “Gute Modelle werden beim Klimaschutz jedoch nicht ausreichen”, erklärt Michael Bruch von Allianz Global Corporate & Specialty, dem Industrieversicherer der Allianz Gruppe.  „Die menschliche Komponente spielt eine immer größere Rolle bei der Risikominderung von Naturkatastrophen, sowohl beim Risikomanagement als auch bei der Bekämpfung der menschlichen Ursachen des Klimawandels.” Neben ihren eigenen Investitionszusagen von 1,5 Milliarden Euro in Windenergie und Photovoltaik unterstützt die Allianz daher auch ihre Kunden bereits durch Versicherungslösungen für neue Technologien in der erneuerbaren Energieversorgung wie Windkraft- und Biogasanlagen.

Die Studie von Allianz und WWF:
Kippelemente im globalen Klimasystem und ihre Konsequenzen für den Versicherungssektor (PDF, engl.)

Hans Joachim Schellnhuber (PIK) berichtete bei den Vereinten Nationen über den Klimawandel.

Schellnhuber berichtet bei den Vereinten Nationen über Kippelemente und Budgetansatz (c) Vereinte Nationen

„Das Zeitfenster, innerhalb dessen wir die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels noch abwenden können, schließt sich zusehends“, sagte Schellnhuber, Direktor des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) und Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung „Globale Umweltveränderungen“, am vergangenen Montag in einem Vortrag im Sitz der Vereinten Nationen in New York. Die Fachsitzung wurde von der UN-Abteilung für wirtschaftliche und soziale Angelegenheiten ausgerichtet.

„Das Klimasystem beginnt, den Bereich der historischen Erfahrung zu verlassen“, sagte der Physiker den Teilnehmern, darunter Botschafter, Agenturleiter, leitende Vertreter von UN-Organisationen, der Zivilgesellschaft und US-amerikanischen und internationalen Organisationen.

Außerhalb dieses Bereichs erhöhe sich das Risiko nicht-linearer Veränderungen der Umweltbedingungen wesentlich, die den Lebensunterhalt von Millionen Menschen weltweit gefährdeten. Erdsystemforscher begännen erst, die Grenzen des sicheren planetarischen Umweltraums zu verstehen, in dem Menschen leben und wirtschaften können, ohne die Lebensgrundlagen künftiger Generationen zu vernichten. Die heutige Konzentration von Kohlendioxid liege mit etwa 387 Volumenanteilen pro Million (ppm) bereits über dem ‚sicheren’ Grenzwert von 350 ppm, den Forscher kürzlich im renommierten Wissenschaftsmagazin „Nature“ vorgeschlagen haben. Die Konzentration sei deutlich höher als die vorindustriellen Werte um 280 ppm und übersteige die Werte aus Jahrmillionen zuvor.

Eine Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur um mehr als zwei Grad Celsius gilt als „gefährliche Störung“ des Klimasystems, die daher vermieden werden müsse. Die Europäische Union, die G8-Staaten und mehr als einhundert weitere Länder haben daher die 2°-Leitplanke als Klimaschutzziel gesetzt. Gelänge es nicht, die globale Erwärmung darauf zu begrenzen, könnte sie wichtige Prozesse im Klimasystem der Erde über kritische Grenzen hinaus belasten, sodass sie „kippen“ und von da an grundsätzlich anders ablaufen. Klimaforscher sehen das arktische Meereis und den Grönländischen Eisschild als besonders anfällig an. Andere Kippelemente wie der Amazonas-Regenwald, Monsunsysteme oder das El-Niño-Phänomen könnten die Gesellschaft überraschen, indem sie naheliegende Kipppunkte offenbarten.

Um das Risiko abrupter Veränderungen im Erdsystem zu mindern und die globale Erwärmung bei maximal zwei Grad Celsius zu stoppen, dürften weltweit zwischen 2010 und 2050 nicht mehr als 750 Gigatonnen Kohlendioxid durch die Verbrennung von Öl, Kohl und Gas sowie die Rodung von Wäldern freigesetzt werden. Da vor allem die Industrienationen bereits große Mengen Treibhausgase produziert, seien das Restbudget klein und umfangreiche Reduzierungen in naher Zukunft notwendig. Der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung „Globale Umweltveränderungen“ hat vorgeschlagen, bei Überlegungen zu einem neuen globalen Klimaabkommen diesen Budgetansatz zu verfolgen. Verhandlungen darüber stehen auf der Weltklimakonferenz in Kopenhagen im Dezember an.

Auf einem Nobelpreisträger-Symposium mit Experten auf den Gebieten der Erdwissenschaften, Ökonomie und Politik, das im Frühjahr im Londoner St. James’s Palace stattfand, unterzeichneten die Teilnehmer ein Memorandum, in dem sie einen globalen Pakt für den Klimaschutz fordern, welcher den Ausmaßen und Dringlichkeiten der heutigen sozialen, ökologischen und wirtschaftlichen Krisen gerecht wird. Politik und Wissenschaft werden darin aufgerufen, gemeinsam mit Industrie und Zivilgesellschaft die historische Chance zu nutzen, unsere Kohlenstoff-intensive Wirtschaftsweise durch eine nachhaltige und gerechtere zu ersetzen. „Wir müssen die unerbittliche Dringlichkeit des Jetzt begreifen“, zitierte Schellnhuber aus dem Memorandum.

Webcast und Präsentationsunterlagen zum Schellnhuber-Vortrag finden Sie hier.

Ein sich selbst verstärkender Effekt erhält derzeit Monsunwinde aufrecht, könnte die Luftzirkulation über Land und Meer jedoch auch unterbrechen.

Monsunwolken, hier über Bangladesch, versorgen große Weltregionen regelmäßig mit Niederschlägen. (c) Image Science & Analysis Laboratory, NASA Johnson Space Center

Die regelmäßigen Niederschläge des Monsuns könnten dann von einem aufs andere Jahr oder über Monate innerhalb einer Saison ausbleiben. Starke Luftverschmutzung könnte solch einen Abbruch herbeiführen, berichten Forscher vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) in der Online-Ausgabe des Magazins „Proceedings of the National Academy of Sciences“. Die globale Erwärmung erhöhe das Risiko abrupter Übergänge des Monsuns zwischen niederschlagsreichen und trockenen Phasen.

„Von der namengebenden Regelmäßigkeit der Monsunniederschläge hängt die landwirtschaftliche Nahrungsmittelversorgung von rund zwei Milliarden Menschen in Asien und Afrika ab“, sagt der leitende Autor Anders Levermann. Der Name „Monsun“ wurde vom arabischen Wort „Mausim“ für Jahreszeit abgeleitet. Bisweilen werden jedoch extrem regenarme Monate innerhalb der Monsunsaisons beobachtet, etwa in Indien im Jahr 2002, was zu wirtschaftlichen und humanitären Problemen in den betroffenen Regionen führt. Während der letzten 11.000 Jahre schwankte die Regenintensität in Monsungebieten auch über längere Perioden extrem.

Das Team um Levermann ging nun der Frage nach, wie solche Schwankungen oder Abbrüche der Monsunzirkulationen zustande kommen können. „Unsere Analyse zeigt auf Basis von Beobachtungen, dass Monsunsysteme zwei stabile Zustände haben könnten“, sagt Levermann. Zwischen beiden Zuständen seien abrupte Übergänge möglich.

Die treibende Kraft der Monsunzirkulationen sind unterschiedliche Lufttemperaturen. Im Frühling wird die Luft über Land stärker erwärmt als über dem Meer. Die warme Luft steigt auf und zieht feuchte und kühlere Luft vom Meer nach. Die über Land einsetzenden Niederschläge haben zwei Effekte: Zum einen kühlen sie die Landoberfläche, zum anderen wird aber latente Wärme freigesetzt, wenn Wasserdampf zu Regentropfen kondensiert. Je mehr feuchte Luft zum Land transportiert wird und dort abregnet, umso mehr Wärme wird freigesetzt und umso mehr feuchte Luft vom Meer nachgesogen. Diese Selbstverstärkung, die so genannte Feuchte-Advektions-Rückkopplung, erhält die Temperaturdifferenz und die Zirkulation aufrecht. Der Mechanismus ist allerdings anfällig und könnte schon bei kleinen Störungen abrupte Veränderungen verursachen, berichten die Autoren.

Sie haben nun ein konzeptionelles Monsunmodell entwickelt, das die Rückkopplung abbildet. Die zugrunde liegenden Gleichungen zeigen, dass die Sonneneinstrahlung einen Schwellenwert übersteigen muss, um eine Monsunzirkulation in Gang zu setzen. Wird dieser Schwellenwert nicht erreicht, etwa aufgrund starker Luftverschmutzung, setzt keine Zirkulation ein. Oberhalb des kritischen Wertes sind zwei stabile Zustände möglich: einer mit und einer ohne Zirkulation.

Skizze des Modellkonzepts und des Rückkopplungsmechanismus [W = Wind, P = Niederschlag, R = Sonneneinstrahlung]. (c) PIK
Daraus ergeben sich zwei Möglichkeiten für abrupte Übergänge zwischen den stabilen Zuständen: Klimatische Veränderungen könnten das Zirkulationssystem über den Schwellenwert führen. Der Übergang würde von einer auf die andere Monsunsaison stattfinden und der neue Zustand so lange anhalten wie die Klimaänderung. Die zweite Möglichkeit für einen abrupten Übergang besteht zwischen den beiden stabilen Zuständen oberhalb des Schwellenwertes – in dem Bereich, in dem sich die Monsunsysteme heute befinden. Innerhalb einer Saison könnte eine Abschwächung der Monsunwinde und der Freisetzung latenter Wärme über Land dazu führen, dass die Temperaturdifferenz zwischen Land und Meer zu gering wird und die Zirkulation abbricht.

Die Forscher grenzten mithilfe des Modells und anhand von Beobachtungsdaten aus den letzten 60 Jahren Schwellenwerte von Monsunsystemen in Indien, China, Bangladesch, Westafrika, Nordamerika und Australien ein. „Künftig wollen wir genauere Aussagen über die Anfälligkeit der Monsunsysteme treffen können“, sagt Jacob Schewe, ein Mitautor der Studie. Die vorläufigen Abschätzungen seien noch mit großen Unsicherheiten belegt. Während fortschreitende globale Erwärmung die Niederschlagsmenge erhöhen würde, könnte zunehmende Luftverschmutzung, etwa in Indien und China, die Stabilität der dortigen Monsunsysteme einschränken. „Der Wechsel zwischen regenreichen und extrem regenarmen Monaten könnte die Anpassungsfähigkeit der Menschen in den betroffenen Regionen überfordern“, sagt Schewe. Die Forscher möchten daher in weiteren Studien untersuchen, wie groß das Risiko abrupter Übergänge in den verschiedenen Monsunregionen ist.

Der Artikel „Grundlegender Mechanismus für abrupte Monsun-Übergänge“ wird in Druck in einer Sonderausgabe des Magazins „Proceedings of the National Academy of Sciences“ erscheinen. Die Sonderausgabe wird redaktionell von PIK-Direktor Hans Joachim Schellnhuber betreut und behandelt acht potentielle Kippelemente im Erdsystem.

Printartikel:

Levermann A, Schewe J, Petoukhov V, Held H (2009) Basic mechanism for abrupt monsoon transitions. Proc Natl Acad Sci USA, 10.1073/PNAS.0901414106.