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Kippelemente – Achillesfersen im Erdsystem

Kippelemente sind Bestandteile des Erdsystems von überregionaler Größe, die schon durch kleine externe Störungen in einen neuen Zustand versetzt werden können. Diesem Verhalten liegen selbstverstärkende Prozesse zugrunde, die einmal angestoßen auch ohne weiteren externen Einfluss weiterlaufen. Der Übergang nach dem Überschreiten eines systemspezifischen Kipppunktes erfolgt in der Regel sprunghaft und ist häufig unumkehrbar. Seine Umweltauswirkungen sind weitreichend und könnten die Lebensgrundlagen vieler Millionen Menschen gefährden.

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Abbildung: Geografische Einordnung der wichtigsten Kippelemente im Erdsystem mit Angabe der Bevölkerungsdichte. Die Kippelemente lassen sich in drei Klassen einteilen: schmelzende Eiskörper, sich verändernde Strömungssysteme der Ozeane und der Atmosphäre, und bedrohte Ökosysteme von überregionaler Bedeutung. Fragezeichen kennzeichnen Systeme, deren Status als Kippelement wissenschaftlich noch nicht gesichert ist.

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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. 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 schneller als von vielen Wissenschaftlern erwartet. Bis zum Ende des Jahrhunderts ist damit zu rechnen, dass die Arktis im Sommer ohne Eis sein wird. Ob es sich dabei um einen Kippprozess handelt, konnte bisher noch nicht einwandfrei geklärt werden, denn zumindest dünnes Eis baut sich in kalten Jahren schnell wieder auf. Das ganzjährige Verschwinden des Eises stellt dagegen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit einen Kipppunkt dar.

Verlust des Grönland-Eises

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 an Höhe. Wo seine Oberfläche bislang in höheren und damit kälteren Luftschichten war, befindet sie sich jetzt teils in niedrigeren und damit wärmeren Luftschichten. Das verstärkt das Abschmelzen. Neueste Studien weisen darauf hin, dass der Kipppunkt des vollständigen Eisverlustes schon bei einer globalen Erwärmung von knapp 2°C erreicht werden könnte. Der völlige Kollaps des Grönländischen Eisschildes würde über Jahrhunderte bis Jahrtausende einen Meeresspiegelanstieg von 7 Metern verursachen.

Kollaps des Westantarktischen Eisschildes

Im Gegensatz zum Ostantarktischen Eisschild, der bislang stabil ist, verliert der Westantarktische Eisschild an Masse. Große Teile der Sohle des Westantarktischen Eisschildes liegen auf dem kontinentalen Rücken unterhalb des Meeresspiegels. Würden sie von Meerwasser unterspült, könnte das gesamte Eismassiv instabil werden. Vieles deutet darauf hin, dass der Westantarktische Eisschild vor 5 bis 3 Millionen Jahren, als die Erde deutlich wärmer war als heute, mehrmals kollabiert ist. Sollte der Westantarktische Eisschild zerfallen, würde der Meeresspiegel um rund fünf Meter ansteigen, was allerdings mehrere Jahrhunderte dauern würde.

Schwinden der Tibetischen Gletscher

Auf dem Dach der Welt, dem tibetischen Hochplateau, sind die Temperaturen in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts etwa doppelt so stark gestiegen wie im globalen Mittel. Die große Mehrheit der Gletscher hat an Fläche und Volumen verloren. Es ist bisher kaum untersucht, ob ein Kipppunkt zum irreversiblen Abschmelzen existiert. Als erwiesen gilt jedoch, dass ein Schwinden der Gletscher, die die großen süd- und ostasiatischen Flüsse speisen, die Frischwasserversorgung von Millionen von Menschen gefährden könnte.

Methan-Ausgasung aus den Ozeanen

Methanhydrate sind Klumpen aus Methan und Eis, die tief in den Meeressedimenten vergraben liegen. Global sind auf diese Art und Weise schätzungsweise bis zu zwei Billionen Tonnen Kohlenstoff im Ozean gespeichert. Die Methanhydrate gelten als träges Kippelement. Ein globaler Temperaturanstieg von etwa 3°C könnte – über Jahrtausende – mehr als die Hälfte des Methans freisetzen. Methan ist ein kurzlebiges wenn auch sehr potentes Treibhausgas. Der größte Teil davon würde in der Atmosphäre innerhalb eines Jahrzehnts zu Kohlendioxid oxidiert und würde die Atmosphäre über einen Zeitraum von Jahrtausenden zusätzlich erwärmen.

Auftauen der Yedoma Dauerfrostböden

Die arktischen Dauerfrostböden in Sibirien und Nordamerika könnten beim Auftauen riesige Mengen an Kohlenstoffdioxid und Methan freisetzen. An den meisten Orten läuft dieser Prozess kontinuierlich – ohne Überschreiten eines Kipppunktes – ab. Eine Ausnahme stellt der Yedoma Dauerfrostboden dar. In diesem sehr kohlenstoffhaltigen Lößboden in Ostsibirien sind bis zu 500 Milliarden Tonnen Kohlenstoff gespeichert. Mikroorganismen, die diese Kohlenstoffverbindungen zersetzen, erzeugen Wärme und beschleunigen so das Auftauen und die Zersetzung des Bodens. Ab einer Erwärmung von 9°C in dieser Region könnte dieser Prozess unaufhaltsam werden und innerhalb eines Jahrhunderts drei Viertel des gespeicherten Kohlenstoffs in Form von Kohlenstoffdioxid freisetzten.

 

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Strömungssysteme

Die ganzjährig oder saisonal vorherrschenden Muster von Luft- und Meeresströmungen sind relativ stabil, aber nicht unveränderlich. 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.

 

Erlahmen der atlantischen thermohalinen Zirkulation

Die Umwälzströmungen des Atlantiks stellen ein gewaltiges Energieförderband dar, mit dem warmes Wasser in den Norden und kaltes Wasser 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 Salzwasser, welches vor Grönland und Labrador in die Tiefe sinkt. Strömt durch schmelzendes Eis im Norden mehr Süßwasser zu, könnte die Tiefenwasserbildung aufgrund der geringeren Dichte des Wassers ausbleiben und dieser Antrieb erlahmen. Die Folgen wären eine Abkühlung im Nordatlantikraum, eine Erwärmung auf der Südhalbkugel inklusive möglicher Konsequenzen für die tropischen Niederschlagsgürtel, und ein regionaler Meeresspiegelanstieg um bis zu einem Meter. Experten veranschlagen den Kipppunkt der atlantischen thermohalinen Zirkulation oberhalb einer globalen Temperaturerhöhung von 4-5°C.

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 Transport von feuchter Luft vom Meer aufs Land sorgt. Die fallenden Niederschläge erzeugen eine Temperaturdifferenz zwischen Land und Meer, welche die Zirkulation des Monsunsystems aufrechterhält. Sowohl Kohlendioxid als auch Aerosole spielen eine Schlüsselrolle in diesem hochsensiblen System. Luftverschmutzung, Landnutzungsänderung und Treibhausgas-Emissionen könnten eine Pendelbewegung von abgeschwächten und verstärkten Monsunereignissen in Südasien erzeugen, in Folge derer sich extreme Dürren und Flutkatastrophen abwechseln würden.

Verlagerung des westafrikanischen Monsuns mit Auswirkung auf die Sahara

Die Erwärmung des atlantischen Ozeans könnte eine „sprunghafte“ Verlagerung des westafrikanischen Monsunsystems auslösen. 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.

Störung der Südpazifischen Klima-Oszillation und Verstärkung des El  Niño-Phänomens

Obwohl die Unsicherheiten noch groß sind, sagen einige Klimamodelle eine zunehmende Intensität von El Niño-Bedingungen im Südpazifik voraus. Normalerweise kommt es durch die Passatwinde zum Auftrieb von kaltem Wasser im Pazifik vor Südamerika. Warmes Oberflächenwasser strömt dann von Südamerika nach Südostasien. Bei dem Wetterphänomen El Niño werden die Passatwinde abgeschwächt und es entsteht eine entgegengesetzte Strömung. Der südöstliche Pazifik vor Südamerika erwärmt sich. Die Wirkung einer derartigen Veränderung der ozeanisch-atmosphärischen Zirkulationsmuster wäre um den ganzen Globus zu spüren, zum Beispiel in Form von Dürren in Australien und Südostasien und verstärktem Niederschlag an den westlichen Küsten Amerikas. Sogar ein Zusammenhang zwischen El Niño und ungewöhnlich kalten Wintern in Europa wird diskutiert.

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 aus Gebirgs- oder Polarlebensräumen 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.

 

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 wird. 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 dürfte.

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 könnten den Wald an eine kritische Grenze bringen. 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 ein Regenwald der Atmosphäre effektiv mehr Kohlendioxid entzieht. Gleichzeitig würde das Verschwinden des Regenwaldes einen gewaltigen Verlust von Biodiversität bedeuten.

Abschwächung der marinen Kohlenstoffpumpe

Die Weltmeere nehmen zurzeit jährlich rund zwei Milliarden Tonnen Kohlenstoff auf. 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. Nimmt die Fähigkeit der Ozeane ab, Kohlendioxid zu absorbieren, würde die atmosphärische Konzentration des Treibhausgases schneller ansteigen und die Versauerung der Ozeane sowie die Erwärmung der Atmosphäre beschleunigen.

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 absterben. Die Versauerung der Meere betrifft insbesondere Kaltwasserkorallenriffe, die in einer Tiefe von bis zu 3000 Meter vorkommen. Sobald die Korallen von „saurem“ so genanntem korrosiven Wasser umspült werden, beginnen sich die Kalkskelette aufzulösen. Ist ein Riff erst einmal kollabiert, dauert es mehrere tausend Jahre, bis es wieder nachwächst.

 

 

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