Kippelemente – Achillesfersen im Erdsystem

 

Kippelemente sind Bestandteile des Erdsystems von überregionaler Größe, die ein Schwellenverhalten aufweisen. Sofern das Hintergrundklima sie schon nahe an einen Schwellenwert gebracht hat, können sie also bereits durch kleine externe Störungen in einen qualitativ neuen Zustand versetzt werden. Beim Vergleich mit dem menschlichen Körper könnten Organe als Kippelemente beschrieben werden. Diese verändern ihre gewohnte Funktionsweise drastisch oder stellen sie gar ein, sobald bestimmte Voraussetzungen, wie zum Beispiel Sauerstoffzufuhr, nicht mehr in ausreichendem Maße erfüllt sind.
Dem Schwellenverhalten im Erdsystem liegen oft selbstverstärkende Prozesse zugrunde, die – einmal angestoßen – auch ohne weiteren externen Einfluss weiterlaufen. Dadurch kann es passieren, dass der neue Zustand eines Kippelementes erhalten bleibt, selbst wenn das Hintergrundklima wieder hinter den Schwellenwert zurückfällt. Der Übergang nach dem Überschreiten eines systemspezifischen Kipppunktes kann dabei sprunghaft, aber auch kriechend erfolgen. Bereits das Überschreiten einzelner Kipppunkte hat weitreichende Umweltauswirkungen, die die Lebensgrundlage vieler Menschen gefährden1.
Es besteht zudem das Risiko, dass durch Rückkopplungsprozesse weitere Kipppunkte im Erdsystem überschritten werden und so eine dominoartige Kettenreaktion ausgelöst wird. Eine solche „Kipp-Kaskade“ könnte das Erdsystem in eine neue Heißzeit katapultieren2.

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Abbildung: Geografische Einordnung der wichtigsten Kippelemente im Erdsystem mit Angabe der Klimazonen nach Köppen. Die Kippelemente lassen sich in drei Klassen einteilen: Eiskörper, sich verändernde Strömungs- bzw. Zirkulationssysteme der Ozeane und der Atmosphäre, und bedrohte Ökosysteme von überregionaler Bedeutung. Fragezeichen kennzeichnen Systeme, deren Status als Kippelement wissenschaftlich noch nicht gesichert ist. Quelle: PIK, 2017.

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Eiskörper

Wo das helle Eis schwindet, kommt meist ein dunklerer Untergrund zum Vorschein, sei es das felsige Bett eines Gletschers oder das Meer. Diese freigelegte dunkle Oberfläche nimmt mehr Sonnenwärme auf, die wiederum den Schwund des verbliebenen Eises beschleunigt. Dieser Mechanismus, die so genannte Eis-Albedo-Rückkopplung, ist ein klassisches Beispiel eines selbstverstärkenden Prozesses, bei dem ein und dasselbe Phänomen, nämlich der Eisverlust, sowohl Folge als auch ein Teil der Ursache der lokalen Temperaturerhöhung ist. Daneben gibt es noch viele weitere Mechanismen, welche - wie im Folgenden beschrieben - die großen Eismassen des Erdsystems zu Kippelementen machen.

 

Schmelzen des Arktischen Meereises

Das arktische Meereis schwindet seit einigen Jahrzehnten beispiellos schnell. Dies betrifft nicht nur die Ausdehnung, sondern vor allem auch die Dicke des schwimmenden Eises.  Zwar baut sich dünnes Eis in kalten Jahren über große Flächen schnell wieder auf, es ist jedoch auch sehr empfindlich gegenüber warmen Sommern, so dass bis zum Ende des Jahrhunderts damit zu rechnen ist, dass die Arktis im Sommer eisfrei sein wird. Dies trägt wegen der Eis-Albedo-Rückkopplung (neben einigen anderen Phänomenen) dazu bei, dass die Erderwärmung in den hohen nördlichen Breiten etwa doppelt so schnell von Statten geht wie im globalen Durchschnitt3.

Verlust des Grönland-Eispanzers

In den letzten Jahren hat der Eisverlust in Grönland durch ins Meer fließende Gletscher und verstärktes Abschmelzen im Sommer stark zugenommen. Der stellenweise drei Kilometer starke Eisschild verliert dadurch langfristig an Höhe. Seine Oberfläche, die sich jetzt noch in hohen und damit kalten Luftschichten befindet, sinkt und wird somit wärmeren Temperaturen ausgesetzt. Das wiederum verstärkt das Abschmelzen weiter. Es gibt Hinweise darauf, dass der Kipppunkt eines auf lange Sicht so gut wie vollständigen Eisverlustes schon bei einer globalen Erwärmung von knapp 2°C erreicht werden könnte4. Steigen die Emissionen weiter an, könnte das Eisschild bis zum Ende des Jahrtausends sogar vollständig kollabieren und zu einem Anstieg von bis zu sieben Metern führen5.

Kollaps des Westantarktischen Eisschildes

Große Teile der Sohle des Westantarktischen Eisschildes liegen auf dem kontinentalen Rücken unterhalb des Meeresspiegels, und zwar immer tiefer, je weiter man „eisstromaufwärts“ ins Innere dieses Teils des Kontinents vordringt. Diese spezielle Situation führt dazu, dass der Eisschild aufgrund bestimmter Fließprozesse instabil werden kann6. Sollte der Westantarktische Eisschild durch diesen Prozess zerfallen, würde der Meeresspiegel im Laufe von Jahrhunderten um über drei Meter ansteigen. Allerdings gibt es Hinweise darauf, dass – ob mit oder ohne menschliches Zutun7 – genau solch ein Prozess heute bereits anfänglich im Gange ist8–11.

Teilkollaps in der Ostantarktis

Obwohl die Ostantarktis, die den größten Teil der in Eis gebundenen Süßwasserreserven der Welt beherbergt, zur Zeit stabil erscheint, liegen auch hier große Zuflussbecken unterhalb des Meeresspiegels. Es wäre möglich, dass der Verlust eines relativ kleinen „Pfropfens“ aus Eis, der einen labilen Bereich verstöpselt, Teile der Ostantarktis ebenfalls dem oben für die Westantarktis beschriebenen Mechanismus des selbstverstärkten Eisverlustes aussetzt12. So könnte bei einer Erwärmung um 2-3°C auch hier eine Instabilität ausgelöst werden, mit einem langfristigen Meeresspiegelanstiegspotential von 3-4 Metern13.

Auftauen der arktischen Permafrostböden

Die arktischen Perma- oder Dauerfrostböden, gefroren über Jahrhunderte bis Jahrtausende, befinden sich in Sibirien und Nordamerika und könnten beim Auftauen riesige Mengen an Kohlenstoffdioxid und Methan freisetzen. In den obersten drei Metern sind um die Tausend Milliarden Tonnen Kohlenstoff gespeichert14. Permafrost kann aber noch viel tiefer reichen: In sogenannten Yedoma-Böden sind in Tiefen von mehr als 3 Metern vermutlich nochmal mehrere hundert Milliarden Tonnen Kohlenstoff gespeichert – diese Stoffe stammen aus organischem Material, welches während und seit der letzten Eiszeit hier eingelagert wurde14. Mikroorganismen, die diese Kohlenstoffverbindungen zersetzen, erzeugen Wärme und beschleunigen so das Auftauen und die Zersetzung des Bodens. Wegbrechender Boden setzt bei der sogenannten Thermokarst-Bildung15 auch tieferliegende Schichten Tau- und Zersetzungsprozessen aus. Solche selbstverstärkten Zerstörungsprozesse, befeuert durch eine zweieinhalb mal schnellere Erwärmung der Arktis im Vergleich zum globalen Mittel16, wären auf kurzen Zeitskalen von wenigen Jahrhunderten nicht wieder umkehrbar, da sich die ursprüngliche Einlagerung über viele Jahrtausende hingezogen hat17.

Methan-Ausgasung aus den Ozeanen

Methanhydrat ist in Eis eingeschlossenes Methan, das in den arktischen Meeressedimenten, besonders in Ostsibirien, eingelagert ist. Die Menge des dort gespeicherten organischen Kohlenstoffs ist nach wie vor schwer solide abzuschätzen14. Die Methanhydrate bauen sich bereits seit Jahrtausenden langsam durch die Wärmezufuhr aus dem Meerwasser ab – sie gelten als träges Kippelement. Methan ist ein kurzlebiges, wenn auch sehr potentes Treibhausgas. Der größte Teil davon oxidiert in der Atmosphäre innerhalb eines Jahrzehnts zu Kohlendioxid, welches dann die Atmosphäre über einen Zeitraum von Jahrtausenden zusätzlich erwärmt.

 

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Strömungssysteme

Es gibt ganzjährig oder saisonal vorherrschende großskalige Muster von Luft- und Meeresströmungen, sowie mehrjährige natürliche Schwankungen, die nicht unveränderlich sind. In der Klimageschichte unseres Planeten hat es mehrfach Umbrüche und Phasen der Neuorganisation gegeben. Mit welchen möglicherweise abrupten Veränderungen der Strömungssysteme wir in Zukunft zu rechnen haben, ist im Folgenden zusammengefasst.

 

Abschwächung der Atlantischen Thermohalinen Zirkulation

Die Umwälzströmungen des Atlantiks stellen ein gewaltiges Energieförderband dar, mit dem warmes Wasser an der Oberfläche in den Norden und nach dem dortigen Abkühlen und Absinken in der Tiefe wieder in den Süden transportiert wird. Der Golfstrom, verantwortlich für das milde Klima in Nordwest-Europa, ist Teil dieses Strömungssystems. Einer seiner wesentlichen Motoren ist das kalte, dichte (und somit schwere) Salzwasser, welches vor Grönland und Labrador in die Tiefe sinkt. Strömt durch schmelzendes Eis im Norden mehr Süßwasser zu, könnte sich die Tiefenwasserbildung aufgrund der geringeren Dichte des Wassers abschwächen und dieser Antrieb erlahmen. Eine Abschwächung des Golfstroms um etwa 15% wurde bereits nachgewiesen18-19. Dies kann gravierende Auswirkungen auf marine Ökosysteme haben, zu einer Abkühlung im Nordatlantikraum führen,  sowie den Meeresspiegelanstieg besonders an der US-amerikanischen Atlantikküste verstärken.

Störung des El  Niño-Phänomens

Normalerweise treiben Passatwinde im Pazifik vor Südamerika kaltes Tiefenwasser an die Oberfläche. Warmes Oberflächenwasser strömt dann – windgetrieben –  von Südamerika nach Südostasien. Bei dem Wetterphänomen El Niño werden die Passatwinde abgeschwächt und es entsteht eine entgegengesetzte Strömung. Folglich erwärmt sich der südöstliche Pazifik vor Südamerika. Besonders starke Ausprägungen dieses unregelmäßig alle zwei bis sieben Jahre wiederkehrenden Phänomens können bei ungebremstem Klimawandel häufiger werden20. Die Wirkung dieses Musters ist um den ganzen Globus zu spüren, zum Beispiel in Form von Dürren in Australien und Südostasien und verstärktem Niederschlag an den westlichen Küsten Amerikas. Im Zuge einer derartigen Veränderung des ozeanisch-atmosphärischen Zirkulationsmusters kann sich auch die Monsundynamik wandeln21, zum Beispiel in Westindien oder Südafrika.

Verlangsamung oder Einrasten der Planetarischen Wellen des Jet Streams

In 7 bis 12 Kilometer Höhe schlängelt sich der Jet Stream genannte Strahlstrom über den mittleren Breiten um die Nordhalbkugel und trennt als zonales Starkwindband die kalten Luftmassen der Arktis von den gemäßigteren im Süden. Die Wellen, die er schlägt, „wandern“ so um die Erde, dass sie diese Luftmassen in Ostrichtung verschieben. Diese Luftdynamik ist die Ausgangslage für die Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten, welche wiederum das Wettergeschehen in diesen Regionen stark prägen. Die Luftmassenbewegung durch den Jet Stream scheint sich zu verlangsamen, bzw. es kann sogar zu einem Einrasten der Wellen im Jet Stream kommen, so dass sich Großwetterlagen über viele Wochen nicht auflösen. Daraus wiederum können verschiedene anhaltende Extremwetter wie Kälte- und Hitzewellen, Überflutungen und Dürren resultieren22–26.

Destabilisierung des Indischen Monsuns

Bis zu 90% des indischen Regens sind dem regelmäßig auftretenden Sommermonsun zu verdanken. Der Monsun beruht auf einem inneren Rückkopplungsmechanismus, der für einen ständigen, selbstverstärkten Transport von feuchter Luft vom Meer aufs Land sorgt. Wegen der Kondensation dieser Feuchtigkeit wird durch die fallenden Niederschläge latente Wärme frei, die weiterhin dafür sorgt, dass warme Luftmassen aufsteigen und feuchte Luft vom Meer hinter sich herziehen. Sowohl Aerosole (Stichwort Luftverschmutzung) als auch Landnutzungsänderung spielen eine Schlüsselrolle in diesem hochsensiblen System. Es könnte im Zuge des Klimawandels eine Pendelbewegung von abgeschwächten und verstärkten Monsunereignissen in Südasien erzeugt werden, in Folge derer sich extreme Dürren und Flutkatastrophen abwechseln würden27–29.

Verlagerung des Westafrikanischen Monsuns mit Auswirkung auf die Sahara 

Das Zusammenspiel von Bodenfeuchte, Vegetation und Atmosphäre kann ebenso eine Verlagerung des westafrikanischen Monsunsystems auslösen30. Dies kann zu regenreichen oder regenarmen Zeiten für die Bevölkerung Westafrikas führen, je nachdem, ob sich der Niederschlagsgürtel nach Süden bis zum Golf von Guinea oder nach Norden bis in die Sahel-Zone verschiebt. In letzterem Fall könnten sich die Niederschläge in der Sahelzone erhöhen und eine Wiederbegrünung der Sahara begünstigen – vorausgesetzt, die Region wird nicht überweidet. Das Ergrünen hätte möglicherweise jedoch auch negative Folgen. Denn die Quellen des Wüstenstaubs, der bislang mit Stürmen westwärts über den Atlantik transportiert wird und sogar Korallenriffe in der Karibik und den Amazonasregenwald mit Nährstoffen versorgt, könnten durch das Ergrünen der Sahara versiegen.

Austrocknen des Nordamerikanischen Südwestens

Durch die Ausdehnung der subtropischen Trockenzone nach Norden nehmen die Niederschlagsmengen im Südwesten Nordamerikas schon heute ab. Die für den Niederschlag in der Region verantwortlichen Strömungsmuster des Ozeans und der Atmosphäre weisen große Ähnlichkeiten mit einem Monsunsystem auf. Entsprechend könnte ein Kipppunkt existieren, bei dessen Überschreiten der Südwesten der USA schlagartig mit noch größerer Trockenheit zu kämpfen hätte.

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Ökosysteme

Wenn es Pflanzen- und Tierarten in einem Gebiet zu warm oder zu trocken wird - wenn sich ihre ökologische Nische aufgrund klimatischer Änderungen schließt - werden sie sich dort nicht halten können. Einige Arten sind gut dafür gerüstet auszuweichen, zum Beispiel polwärts oder in größere Höhenlagen. Arten, die an sehr spezifische Lebensbedingungen wie z.B. in Gebirgs- oder Polarlebensräumen angepasst sind - können das nicht. Ohnehin sind geeignete Lebensräume in der heute zum größten Teil vom Menschen beanspruchten Welt rar. Der Klimawandel könnte ganze Landstriche verändern, indem er Ökosystem-Gemeinschaften, ihr typisches Klima und die daran angepassten Artengemeinschaften verschwinden lässt.

 

Umwandlung des Amazonas-Regenwaldes

Ein Großteil der Niederschläge im Amazonasbecken stammt aus über dem Wald verdunstetem Wasser. Ein Rückgang der Niederschläge in einem wärmeren Erdklima und die Abholzung des Regenwaldes sowie Brände könnten den Wald an eine kritische Grenze bringen31. Dabei können zwischen dem Überschreiten dieser kritischen Grenze und seinen sichtbaren Auswirkungen mehrere Jahrzehnte liegen. Eine Umwandlung des Amazonas-Regenwaldes in einen an die Trockenheit angepassten saisonalen Wald oder eine Graslandschaft hätte grundlegende Auswirkungen auf das Erdklima, da immerhin etwa ein Viertel des weltweiten Kohlenstoff-Austausches zwischen Atmosphäre und Biosphäre hier stattfindet. Zudem ginge eine bedeutende Kohlenstoffsenke verloren. Gleichzeitig würde das Verschwinden des Regenwaldes einen gewaltigen Verlust von Biodiversität bedeuten, welche gleichzeitig ein wichtiger Hoffnungsträger für eine mögliche Erholung des Systems wäre32.

Rückgang der Nordischen Nadelwälder (Borealwälder)

Die nordischen Nadelwälder umfassen fast ein Drittel der weltweiten Waldfläche. Mit dem Klimawandel erhöht sich der auf sie wirkende Stress durch Pflanzenschädlinge, Feuer und Stürme, während gleichzeitig ihre Regeneration durch Wassermangel, erhöhte Verdunstung und menschliche Nutzung beeinträchtigt wird33. Wenn die Belastung charakteristische Schwellenwerte überschreitet, könnten sie von Busch- und Graslandschaften verdrängt werden. Das Verschwinden der Wälder würde nicht nur den Lebensraum vieler Tiere und Pflanzen vernichten, sondern auch eine massive Freisetzung von Kohlendioxid bedeuten, welche zur beschleunigten Erderwärmung beitragen dürfte34-35.

Zerstörung von Korallenriffen

Korallenriffe sind sehr empfindliche Lebensräume, die durch geringe Temperaturschwankungen und insbesondere durch die Versauerung der Ozeane beschädigt werden. Die Erwärmung des Wassers befördert maßgeblich die in den letzten Jahren vermehrt auftretende „Korallenbleiche“, bei denen die Korallenpolypen die in ihnen lebenden Algen abstoßen und dann oft absterben36. Selbst für den Fall, dass die 2°C Grenze eingehalten wird, muss mit dem Verlust eines Großteils der Riffe gerechnet werden37. Ist ein Riff erst einmal kollabiert, dauert es mehrere tausend Jahre, bis es wieder nachwächst.

Abschwächung der Marinen Kohlenstoffpumpe

Die Weltmeere nehmen riesige Mengen an Kohlenstoff auf – rund 40% der bisherigen anthropogenen CO2 Emissionen wurden so der Atmosphäre wieder entzogen. Ein großer Teil davon wird von Algen zum Wachstum genutzt und sinkt nach deren Absterben in die Tiefsee. Die Funktion dieser so genannten marinen biologischen Kohlenstoffpumpe könnte durch Erwärmung und Versauerung des Wassers sowie häufiger auftretende Sauerstoffarmut eingeschränkt werden.

 



Allgemeines zu Kippelementen

Schellnhuber, Hans Joachim. Selbstverbrennung: Die fatale Dreiecksbeziehung zwischen Klima, Mensch und Kohlenstoff. C. Bertelsmann Verlag, Kapitel 21, 2015.

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Referenzen

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Klimaklassifikation nach Köppen

               

Köppen-Klimaklassifikation modifiziert nach Trewartha und mit
Berücksichtigung abweichender Verfahren nach Rudloff.

Köppen, W. (1936). Das geographische System der Klimate. In: Köppen W., Geiger R. (eds) Handbuch der Klimatologie, Bd. I, Borntraeger, Berlin.

Trewartha, G. T. (1968). An introduction to climate, McGraw-Hill, New York.

Rudloff, W. (1981). World-Climates, with tables of climatic data and
practical suggestions, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart.