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Erde+Klima

Kippelemente der Ozeane reagieren sensibel

Meeresströmungen
Die nordatlantische Umwälzströmung ist Teil eines weltumspannenden Zirkulationssystems. (Bild: aristotoo/ iStock)

Kommen wichtige Meeresströmungen wie die nordatlantische Umwälzzirkulation durch den Klimawandel plötzlich zum Erliegen, verändern sich die Bedingungen in verschiedenen Regionen der Erde rapide: Regenfälle nehmen zu oder bleiben aus, die Temperaturen werden extremer und Stürme heftiger. Wann dieser Kipppunkt erreicht ist, hängt neuen Studien zufolge nicht nur davon ab, wie stark sich das Klima erwärmt, sondern auch davon, wie schnell es das tut. Gelangt in kurzer Zeit viel Schmelzwasser von den Polen in den Atlantik, kann der kritische Punkt eher eintreten, als anhand der Menge des Schmelzwassers oder des Betrags der Temperaturänderung zu erwarten gewesen wäre, warnen Wissenschaftler.

Die Ozeane speichern große Mengen an Kohlendioxid (CO2) und puffern außerdem den Temperaturanstieg durch den menschengemachten Klimawandel ab. Gewaltige Meeresströmungen sorgen überdies für einen klimatischen Ausgleich zwischen wärmeren und kühleren Regionen. So verdankt Europa sein mildes Klima der nordatlantischen Umwälzzirkulation (Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC), zu der unter anderem der Golfstrom zählt. Doch dieses und weitere wichtige Klima-Subsysteme wie die Eisschilde der Antarktis und Grönlands, der Amazonas-Regenwald und der asiatisch-australische Monsun sind durch den fortschreitenden Anstieg von CO2 in der Atmosphäre und die damit einhergehende globale Erwärmung gefährdet. Ist eine bestimmte Schwelle überschritten, könnten sie unwiederbringlich in einen neuen Zustand kippen.

Auch die Geschwindigkeit spielt eine Rolle

Die Klimawissenschaftler Johannes Lohmann und Peter Ditlevsen von der Universität Kopenhagen in Dänemark haben nun in einer Modellstudie gezeigt, dass die AMOC und möglicherweise auch andere Klima-Subsysteme lange vor dem erwarteten Zeitpunkt die kritische Schwelle erreichen könnten. In einer Simulation der weltweiten Ozeane stellten die Forscher nach, wie durch das Abschmelzen der Pole mehr und mehr Süßwasser in den Nordatlantik gelangt. Je nachdem, wie schnell sie dabei den Zustrom an Süßwasser wählten, verschob sich die kritische Schwelle, bei der die AMOC zum Erliegen kommt.

Bei einem langsamen Abschmelzen lag die Schwelle vergleichsweise hoch. Simulierten die Forscher dagegen ein schnelles Abschmelzen der Eisschilde über Zeiträume zwischen zehn und 150 Jahren, stoppte die AMOC bereits bei deutlich niedrigeren absoluten Werten. Strömt das Süßwasser also schnell ein, genügt eine geringere Menge, um das System zum Kippen zu bringen. „Kipppunkte werden oft damit in Verbindung gebracht, dass ein zuvor stabiler Systemzustand seine Stabilität verliert, wenn ein Systemparameter über einen wohldefinierten kritischen Wert erhöht wird“, erläutern die Forscher. „In einigen Fällen können solche Übergänge jedoch schon vor dem Überschreiten einer Parameterschwelle auftreten, vorausgesetzt, die Parameteränderung ist schnell genug.“ Dieses Phänomen ist als rateninduziertes Kippen bekannt.

Das Modell reagierte sehr empfindlich auf kleinste Änderungen der Ausgangsbedingungen. Das macht aus Sicht der Forscher Vorhersagen schwierig. Eine eindeutige Schwelle lässt sich demnach nicht festlegen. Die Modellstudie zeige, dass sich aufgrund des chaotischen Zusammenspiels vieler Faktoren keine scharfe Grenze definieren lasse, so die Forscher. „Das ist eine beunruhigende Nachricht. Denn wenn dies wahr ist, reduziert es unseren sicheren Handlungsspielraum“, sagt Lohmann.

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Kipppunkte ernst nehmen

In einem Begleitartikel betont ein Forschungsteam um Christoph Heize von der Universität Bergen in Norwegen zudem, dass verschiedene Kipppunkte der Ozeane zwar regional und zeitlich versetzt auftreten können, sich aber zu globalen Dimensionen summieren. „Diese Kipppunkte in Kombination mit allmählichen Veränderungen müssen ebenso ernsthaft angegangen werden wie einzelne katastrophale Ereignisse, um die kumulativen und sich oft verstärkenden negativen Auswirkungen auf die Gesellschaft und das Erdsystem zu verhindern“, so die Autoren.

Bereits bei einer moderaten globalen Erwärmung von 1,5 bis 2 Grad Celsius können Temperatur, CO2-Gehalt und Sauerstoffversorgung der Weltmeere kritische Werte erreichen. Kurzfristige Extremereignisse wie marine Hitzewellen können dann dazu führen, dass das System kippt – mit schwerwiegenden Folgen nicht nur für das Weltklima, sondern auch für die Ökosysteme der Meere. Denn in der Tiefsee können selbst kleine, aber anhaltende Veränderungen der Umweltbedingungen schädlich für Tiefseeorganismen sein, die an eine sehr enge Bandbreite von Variationen der Lebensbedingungen gewöhnt sind.

Nachteilige Auswirkungen minimieren

„Der Ozean als CO2- und Wärmesenke leistet der Menschheit bei fortschreitendem Klimawandel einen entscheidenden Dienst – allerdings zu einem hohen Preis, denn die Umweltbedingungen verändern sich dadurch nachhaltig“, sagt Heinze. Gemeinsam mit seinen Kollegen präsentiert er eine Reihe an Vorschlägen zur Schadensbegrenzung.

Besonders wichtig sei, die Treibhausgasemissionen effektiv zu reduzieren, sich international auf gemeinsame Ziele zu verständigen und diese entschlossen umzusetzen. Auch die wissenschaftliche Forschung spiele eine wichtige Rolle, um potenziell besonders gefährdete Systeme zu identifizieren und Schutzstrategien auszuloten. Zugleich müsse die Kommunikation zwischen Wissenschaftlern und politischen Entscheidungsträgern verbessert und das Vertrauen in die Wissenschaft erhöht werden. „Die nachteiligen Auswirkungen des vom Menschen verursachten Klimawandels auf den Ozean können noch minimiert werden“, meinen die Autoren.

Quellen: Johannes Lohmann und Peter Ditlevsen (Universität Kopenhagen, Dänemark), Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2017989118; Christoph Heinze (Universität Bergen, Norwegen) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2008478118

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