Kipppunkte

Seit Beginn des Industriezeitalters ist die Durchschnittstemperatur der unteren Erdatmosphäre um 1 Grad Celsius gestiegen - und die Erwärmung geht weiter.

In den nächsten beiden Jahrzehnten müssen wir mit einer weiteren Temperaturzunahme um jeweils 0,2 Grad rechnen. Selbst wenn wir die Treibhausgas-Emissionen ab sofort konstant hielten, wäre es immer noch ein Zehntel Grad pro Jahrzehnt.

Zu befürchten ist, dass die globale Erwärmung schon bald Schwellenwerte überschreitet: Tipping Points oder Kipppunkte, wie die Experten sagen. Das Klima könnte schlagartig einen Schalter umlegen und in einen anderen Zustand kippen. Unwiderruflich.

Auch wenn die Auswirkungen zum Teil erst in vielen Jahrzehnten oder gar Jahrhunderten voll durchschlagen:


Nur in diesem Jahrhundert kann das Auslösen verhindert werden.

---

Der Arktische Ozean

o. 1979
u. 2005

Der Arktische Ozean steht ganz oben auf der Liste dieser Kippelemente.

Im September 2007 war die Meereis-Ausdehnung im hohen Norden so schwach wie nie. Das Nationale Schnee- und Eisdaten-Zentrum an der Universität von Colorado in den USA meldet einen Flächenverlust von 40 Prozent gegenüber dem Mittel der 80er- und 90er-Jahre. Zugleich wird das Eis immer dünner. Nach Analysen von Polarforschern der Universität von Washington in Seattle schrumpft es um 60 Zentimeter pro Jahrzehnt zusammen; 2007 war es im Schnitt nur noch 2,60 Meter dick.

Wenn das arktische Meereis immer mehr Masse verliert, ist irgendwann zu wenig da, um es über den immer milder werdenden Sommer zu schaffen. Das schneeweiße Meereis reflektiert einfallendes Sonnenlicht wirkungsvoll. Wenn es sich zurückzieht, kommt dunkler Ozean zum Vorschein, der die Strahlung nicht zurückwirft, sondern absorbiert.

Die Albedo ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen von nicht selbst leuchtenden Oberflächen. Sie wird bestimmt durch den Quotienten aus reflektierter zu einfallender Lichtmenge und liegt zwischen 0 und 1. Schnee und Eis haben eine hohe Albedo von bis zu 0,9 (= Rückstrahlung der Energie von bis zu 90%). Die Albedo von Wasser beträgt demgegenüber nur ca. 0,06 - d.h. 94% der einfallenden Sonnenenergie wird absorbiert, nur 6% wird reflektiert (WP).

Je mehr Eisfläche verloren geht, desto schneller erwärmt sich die Erde - auch unabhängig vom CO2 Gehalt der Atmosphäre. Ein Teufelskreislauf wird in Gang gesetzt.



In der Arktis steigt die Temperatur ungefähr doppelt so stark an wie global gemittelt. Im Moment nimmt die Lufttemperatur in der Arktis um 1,1 Grad Celsius pro Jahrzehnt zu. Allein 0,9 Grad davon gehen auf das Konto des Meereisrückgangs.


Beim arktischen Seeeis ist das Kippelement möglicherweise bereits ausgelöst worden. Sollte dies noch nicht der Fall sein, befindet sich die Erde wahrscheinlich sehr in der Nähe des Punktes, bei dem wir eine Erwärmung erreicht haben, bei dem das arktische Seeeis für den Sommer unrettbar verloren ist.


Sea Ice in Retreat

---

Das Grönlandeis

     Über Jahrtausende hat sich Schnee auf Grönland zu einem Eispanzer aufgetürmt, der mehr als 3000 Meter in die Höhe ragt. Eine solche Kontinental-Eismasse stabilisiert sich selber. An der Oberfläche ist es aufgrund der Höhe sehr kalt. Die Atmosphäre wird nach oben hin pro Kilometer etwa sechs bis sieben Grad kälter. Damit erzeugt sich das Eis seine eigene Hochgebirgslage selber, die dann so kalt ist, dass das Eis nicht abtauen kann.

Seit rund einer Million Jahre, seit dem Ende des warmen Pliozäns, trägt Grönland vermutlich seinen Eispanzer. Die Kältekonservierung funktioniert bis heute. Doch jetzt stellt der Klimawandel seine Fortdauer in Frage.

Wenn es jetzt wärmer wird und ein kritischer Punkt überschritten wird, und das Eis dadurch dünner wird, dann gerät die Oberfläche allmählich in immer wärmere Luftschichten. Dies wird dann zum Selbstläufer. Das Eis wird dann allmählich vollständig verschwinden.

Der letzte Weltklimabericht des IPCC besagt, dass ab knapp zwei Grad globaler Erwärmung das Risiko erheblich wird, dass wir den grönländischen Eispanzer destabilisieren. - Irgendwo zwischen 1,9 und 4,2 Grad Erwärmung liegt der kritische Punkt.

Wenn das Abschmelzen einmal begonnen hat, dann ist der Prozess nicht mehr umkehrbar. Die Auswirkungen wären ein Anstieg des Meeresspiegels um sieben Meter - sämtliche Küstenstädte: Venedig, Amsterdam, London, Lagos würden in einigen hundert Jahren verschwinden.

Der Punkt aber ist: Nur in diesem Jahrhundert kann es verhindert werden.

---

Der tropische Regenwald



Noch 1950 dehnte sich der tropische Regenwald über schätzungsweise 16 bis 17 Millionen Quadratkilometer aus. Das entsprach rund elf Prozent der gesamten Landoberfläche der Erde. Heute sind es nicht einmal mehr sechs Millionen Quadratkilometer. Unverändert wird Regenwald gerodet - in Südamerika, in Afrika, in Asien. Die Welternährungsorganisation FAO beziffert den jährlichen Verlust noch immer auf fast 170.000 Quadratkilometer. Das entspricht der vierfachen Fläche der Schweiz.

Was der Mensch noch nicht durch Kahlschlag vernichtet hat, das könnte bald dem Klimawandel zum Opfer fallen. Auch der tropische Regenwald im Amazonas-Gebiet steht auf der Kippe: Selbst ein Ökosystem wie der Amazonas-Wald hat einen solchen kritischen Punkt. Wenn dieser überstiegen wird, ist es zu trocken für diesen Wald. Er kann sich auf Dauer in der Form nicht halten.

Dieses Risiko besteht, wenn sich Niederschlagsgürtel im Zuge der globalen Erwärmung verlagern. Tatsächlich deuten einige Klimamodelle solche markanten Veränderungen der atmosphärischen Zirkulation an. Die innertropische Konvergenzzone, ein wichtiges Regen bringendes Windsystem für das Amazonas-Becken, wird sich in seiner räumlichen Positionierung verschieben. Die Frage ist: Wieviel Trockenheit verträgt ein Regenwald? Es ist möglich, dass diese Austrocknung so stark ist, dass im amazonischen Regenwald flächig Wald zurückgehen könnte, die Biomasse abnimmt und der heutige Primärwald ins Wanken kommt.

Der Klima-Kippschalter würde dann von Regenwald auf Savanne umgelegt, auf anspruchsloseres Grasland. Anhaltende Brandrodungen durch den Menschen könnten den Vegetationswandel zusätzlich befördern, wenn Feuer auf die Grassteppe übergreifen und diese Savanne sich dann selber stabilisiert. Weil die Feuer dann häufiger sind und das Wiederaufkommen des vorhergehenden Waldes selbst dann nicht erlauben würden, wenn die Trockenheit zurückginge.

Mit dem tropischen Regenwald gerät nicht nur ein einzigartiges, besonders artenreiches Ökosystem in Gefahr. Wälder sind auch ein wichtiger Faktor im Klimageschehen. Ihre Bäume leben von Kohlendioxid und binden große Mengen des Treibhausgases im Holz. Das gilt sogar für die heutigen CO2-Emissionen durch menschliche Aktivitäten: Wälder schlucken einen beträchtlichen Teil davon. Dadurch kühlen sie das Klima.

Diese Thermostat-Wirkung droht nun verlorenzugehen - am Amazonas, am Kongo, in Indonesien und - was die Lage zusätzlich verschärft - auch im größten zusammenhängenden Waldgürtel der Erde, dem boreale Nadelwald im Norden Kanadas, Skandinaviens und Sibiriens.

Aufgrund von Einschlag und aufgrund sich verändernden klimatischen Bedingungen. (Mehr)

---

Das Auftauen des Permafrostbodens und die Freisetzung von CO2 und Methan



Die Permafrost-Regionen der Erde nehmen mindestens 25 Prozent der Erdoberfläche ein. Vor allem die Regionen in Sibirien, aber auch in Kanada und Alaska sind durch diese gefrorenen Landschaften geprägt. In Zentralsibirien kann der Boden bis in eine Tiefe von über 1.500 Meter gefroren sein. Im Zuge der globalen Erwärmung wurde in den letzten Jahrzehnten eine Nordwärtswanderung der Permafrostgrenze in Nordamerika und in Eurasien beobachtet. Langfristig wird ein Auftauen in noch wesentlich größerem Ausmaß befürchtet, da die Klimamodelle eine weit überdurchschnittliche Erwärmung in der Arktis voraussagen.

Die große Gefahr besteht darin, dass es zu einer positiven Rückkopplung kommt, indem die in dem bisher gefrorenen Böden gebundenen Gase CO2 und Methan in großen Mengen bei Erwärmung an die Atmosphäre abgegeben würden. - Gase, die dann ihrerseits die Erwärmung beschleunigen.


Die Konzentration von Methan (CH4) in der Atmosphäre beträgt gegenwärtig nur ca. 2 ppm (parts per million). Das bedeutet eine Gesamtmenge von ca. 4 Gigatonnen Kohlenstoff (Gt C).


Das Treibhauspotenzial von Methan ist jedoch 25 mal so groß ist wie das von CO2.


Die im Permafrost der Nordhalbkugel gespeicherte Menge an Methan wird auf 7,5 bis 400 Gt geschätzt.






Als bedeutende Methanquelle der Zukunft wird vor allem das Auftauen von Permafrost in den hohen nördlichen Breiten eingeschätzt.








Permafrost: Die tickende Klimabombe







--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Vorkommen von Methanhydraten



Der Klimawandel könnte auch eine noch wesentlich größere Methanquelle angreifen, nämlich die Methanhydrate in Ozeansedimenten. Bei den Methanhydraten handelt es sich um unter hohem Druck und bei Temperaturen um den Gefrierpunkt entstandene Verbindungen aus Wasser und Methan, die an den Kontinentalhängen der Ozeanböden in Tiefen von ca. 400-1000 m liegen. Die gegenwärtig dort eingebundene Methanmenge wird auf 500 bis 10.000 Gt C geschätzt. Auch eine relativ geringe Freisetzung hätte bei einem atmosphärischen Gehalt an Methan von etwa 4 Gt C in der Atmosphäre eine erhebliche Wirkung.


Methan: Auswirkungen klimatischer Änderungen

Temperaturanstieg im Permafrost erhöht Freisetzung des Klimagases Methan

Carbon Feedback From Thawing Permafrost Will Likely Add 0.4°F – 1.5°F To Total Global Warming By 2100, Oct 6, 2012

Tauende Permafrostböden beschleunigen den Klimawandel, 13.11.12


UPDATE
Permafrost thaw’s runaway effect on carbon release, May 14, 2015
The vast amounts of carbon now preserved in the frozen soils could one day all get back into the atmosphere. Since the Arctic is the fastest-warming place on the planet, such a release of greenhouse gas could only accelerate global warming and precipitate catastrophic climate change. That the circumpolar regions of the northern hemisphere hold vast amounts of deep-frozen carbon is not in question. The latest estimate is 17 billion tonnes, which is twice the level of carbon dioxide in the atmosphere and perhaps 10 times the quantity put into the atmosphere by burning fossil fuels since the start of the Industrial Revolution. ...
At he moment, permafrost carbon is not a big factor in projections by the Intergovernmental Panel on Climate Change.
Dr Spencer says: “When you have a huge frozen store of carbon and it’s thawing, we have some big questions. The primary question is, when it thaws, what happens to it? “Our research shows that this ancient carbon is rapidly utilised by microbes and transferred to the atmosphere, leading to further warming in the region, and therefore more thawing. So we get into a runaway effect.”



UPDATE
Die Permafrostböden tauen rasch auf. Wie sehr sollte uns das beunruhigen?, 01.09.19
Das „abrupte Auftauen“ von Permafrost „innerhalb weniger Jahrzehnte“ setzt große Mengen an CO2 und Methan über Bodenmikroben frei. Wissenschaftler nehmen an, dass der gefrorene Boden zwischen

1.300 und 1.600 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) enthält.

Zum Vergleich: Die gesamte Atmosphäre enthält derzeit rund 800 Gigatonnen Kohlenstoff. Der Kohlenstoff im Permafrost stammt von Tier- und Pflanzenresten, die seit Jahrtausenden in der Erde lagern.

---

Die Eisströme der Antarktis



Lange Zeit hielten Experten die lebensfeindliche Tiefkühlkammer jenseits des 60. südlichen Breitengrades für unangreifbar. Doch wie es scheint, kann sich auch der sechste Kontinent dem Klimawandel nicht entziehen. Ein Schelfeis nach dem anderen bricht auseinander. Gletscher haben ihrer Fließgeschwindigkeit stark beschleunigt.

Die Westantarktis war in den Warmphasen während des Pliozäns, vor ein bis fünf Millionen Jahren, gleich mehrfach fast oder ganz gletscherfrei. Diese Erkenntnis ist wichtig, da die Erde wieder auf Bedingungen zusteuert, wie sie damals herrschten. Im Pliozän war es lediglich zwei bis drei Grad wärmer als heute und der Gehalt von Kohlendioxid in der Atmosphäre nur unwesentlich höher.

Würde nur das Eis der Westantarktis abschmelzen, so hätte auch das einen weiteren Anstieg des Meeresspiegels um sieben Meter zur Folge.

---

Das Versiegen des Golfstroms

Die Meereszirkulation im Nordatlantik könnte bei steigenden Temperaturen tatsächlich ins Stocken geraten. Auch sie ist ein Kippelement im Klimasystem. Wobei sich die Experten nicht so sehr um den Golfstrom sorgen, sondern um seinen nördlichen, Richtung Europa schwenkenden Ausläufer: den Nordatlantikstrom. Der Golfstrom ist der Teil, der an der nordamerikanischen Küste entlang fließt. Der ist windgetrieben in diesem Bereich, das heißt da haben wir auch keine Sorge, dass der abbricht. Wenn er aber die amerikanische Küste verlässt, wird er zum Nordatlantikstrom. Und dann wird er vulnerabel, dann ist er plötzlich dichtegetrieben. Wenn man diesen Dichteunterschied verändert, dann kann auch die Zirkulation abbrechen.



Je weiter die warme Strömung nach Norden vorstößt, desto kälter wird es. Das Oberflächenwasser kühlt ab, verdichtet sich immer stärker und sinkt schließlich ab, in der Meeresgegend um Island herum. Diese sogenannte thermohaline Zirkulation geriete ins Stocken, wenn man den Nordatlantikstrom verdünnte - durch den Eintrag von Süßwasser.

Genau das ist in einem wärmeren Treibhaus zu erwarten. Weil der Niederschlag über dem Nordatlantik dann zunimmt und immer mehr Schmelzwasser von Grönlands Gletschern in den Ozean fließt. Nach den Erkenntnissen der Paläoklimatologen kam die Zirkulation während der letzten Eiszeit wiederholt zum Stillstand. Mit gravierenden Folgen auch für andere Komponenten des Klimasystems. "Die Arktis, das arktische Meereis, hängt damit zusammen. Grönland hängt damit zusammen. Aber auch der gesamte Regengürtel in den Tropen über dem Atlantik. Es wurde sogar schon gezeigt, dass der indische Monsun mit der thermohalinen Zirkulation verbunden ist über atmosphärische Strömungen.

Wir haben heute die Situation, dass im Nordatlantik der Meeresspiegel besonders tief ist, weil im Nordatlantik das Tiefenwasser absinkt. Man kann es mit dem Badewannenabfluss vergleichen. Da neigt sich die Wasseroberfläche ebenso bergab in Richtung Abfluss. Wenn man den Nordatlantikstrom zum Erliegen bringt, kommt der Meeresspiegel im Nordatlantik bis zu einem Meter hoch. Und er sinkt dafür hauptsächlich im Südpolarmeer ab. Dort nützt es leider keinem Menschen, weil es fernab von bewohnten Küsten passiert.

---

"Es wäre jetzt wichtig, das Wissen bezüglich der Kipppunkte deutlich zu verbessern und vor allem zu verstehen, wie viel Spielraum eigentlich bleibt, bis diese Gefahr erheblich wird. Wenn man solche Zusammenhänge dann noch besser versteht und bestimmte Schwellen noch nicht überschritten sind, könnte es dennoch zu spät sein, die Politik noch umzusteuern.

Eine Eigenschaft von solchen Kippelementen ist, dass die Erde danach einfach nicht mehr die Erde ist, wie man sie vorher kannte. Etwas Großes hat sich dann verändert."

Wolfgang Lucht, Leiter des Forschungsbereiches "Klimawirkungen" am PIK, dem Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung

---

Kipp-Punkte des Weltklimas, Spiegel

7 Crucial Tipping Points, Live Science

Klima auf der Kippe, d-radio, 06.12.09

Tipping elements in the Earth System
Hans Joachim Schellnhuber, Dec 8, 2009

Kipp-Punkte im Klimasystem
Interview mit Hans Joachim Schellnhuber, Direktor des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung, März 2006

What are positive feedbacks?