Klimakipppunkte – zu gefährlich, um dagegen zu wetten

Kommentar: (aus Nature Climate, November 2019)

Timothy M. Lenton (Global Systems Institut, Exeter, UK), Johan Rockström (Direktor des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK), Ökologe), Owen Gaffney (PIK und Stockholm Resilienzzentrum), Stefan Rahmstorf (PIK, Abteilungsleiter Erdsystemanalyse und Uni Potsdam Ozeanphysik), Katherine Richardson (Uni Kopenhagen Globe Institut, biologische Ozeanographie), Will Steffen (emeritierter Professor Uni Canberra, Klima- und Erdsystemwissenschaft), Hans Joachim Schellnhuber (Gründungsdirektor PIK und Gastprofessor Tshinghua Universität Peking)

Die wachsende Bedrohung durch abrupte und unumkehrbare Klimaänderungen muss politische und wirtschaftliche Handlungen hinsichtlich Treibhausgasemissionen erzwingen.

Politiker, Ökonomen und sogar einige Naturwissenschaftler haben zu der Annahme tendiert, dass Kipppunkte (s. Lenton und Kollegen 2008) im Erdsystem – wie der Verlust des Amazonas-Regenwaldes oder des westantarktischen Eisschildes – wenig wahrscheinlich und schlecht verstanden sind. Jedoch häufen sich Anzeichen, dass diese Ereignisse wahrscheinlicher sind als gedacht, dass sie weitreichende Auswirkungen haben, über verschiedene biophysikalische Systeme hinweg miteinander verbunden sind, und dadurch unsere Welt potenziell langfristig und irreversibel verändern. (Anmerkung des Übersetzers: irreversibel im Sinne von mindestens einigen hunderttausend Jahren, teilweise auch absolut (Artensterben)).

Hier fassen wir die Erkenntnisse über die Gefahr der Überschreitung von Kipppunkten zusammen, identifizieren Wissenslücken und schlagen vor, wie diese geschlossen werden sollten. Wir untersuchen die Auswirkungen solch großflächiger Veränderungen, wie schnell sie sich entfalten könnten und ob wir noch Kontrolle über sie haben.

Nach unserer Ansicht hilft die Berücksichtigung von Kipppunkten bei der Definition, dass wir uns in einer Klimanotlage befinden, und stärkt den diesjährigen Aufruf zu dringenden Klimaschutzmaßnahmen – von Schülern über Wissenschaftler bis hin zu Städten und Ländern.

Der Weltklimarat (Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen, IPCC) hat die Idee der “Tipping Points” (Kipppunkte) vor zwei Jahrzehnten eingeführt. Damals hielt man diese “großräumigen Diskontinuitäten” (in etwa Verhaltenssprünge, Anmerkung des Übersetzers) im Klimasystem nur für wahrscheinlich, wenn die globale Erwärmung 5 °C über dem vorindustriellen Niveau liegt. Informationen, die in den beiden jüngsten IPCC-Sonderberichten (veröffentlicht im Jahr 2018 und im September dieses Jahres) zusammengefasst wurden, legen nahe, dass Kipppunkte sogar bei einer Erwärmung zwischen 1 und 2 °C überschritten werden könnten (siehe “Too close for comfort” –gefährlich nah dran).

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Anmerkungen zum Bild auf Deutsch: Abrupte und unumkehrbare Änderungen im Klimasystem haben ein höheres Risiko bei geringerem globalem Temperaturanstieg zugewiesen bekommen; links/senkrecht: globale Durchschnittstemperatur, unten/waagrecht: Jahr des Berichts des Weltklimarats, seit 2018 globaler Durchschnittstemperaturanstieg gegenüber der vorindustriellen Zeit ca. 1 Grad Celsius, Risikolevel: very high – sehr hoch; high – hoch, moderate – mittelmäßig, low– niedrig und undetectable – nicht feststellbar

Falls die derzeitigen nationalen Zusagen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen umgesetzt werden – und das ist ein großes “falls” – werden sie wahrscheinlich zu einer globalen Erwärmung von mindestens 3 °C führen; und dies trotz des Ziels des Pariser Abkommens von 2015, die Erwärmung auf deutlich unter 2 °C zu begrenzen. Manche Ökonomen haben unter der Annahme, dass Kipppunkte sehr unwahrscheinlich seien (obschon katastrophal), vorgeschlagen, dass eine Erwärmung um 3 °C aus Kosten-Nutzen-Sicht optimal ist. Wenn jedoch Kipppunkte nun wahrscheinlicher sind, dann entspricht eine “optimale Politik”-Empfehlung aus einfachen Kosten-Nutzen- Klima-Wirtschaftsmodellen (s. Cai und Kollegen 2016) mit denen des jüngsten IPCC- Berichts überein (Anmerkung d.Ü.: nach dem 1,5 Grad Sonderbericht explodieren die Kosten der Klimafolgeschäden schon bei 1,5 Grad Celsius Erwärmung, bei höheren Anstiegen werden sie schnell gänzlich unbezahlbar). Mit anderen Worten, die Erwärmung muss auf 1,5 °C begrenzt werden. Dies verlangt Eingreifen wie bei einem Notfall.

Eiskollaps

Wir denken, dass mehrere Kryosphären-Kipppunkte (Anmerkung des Übersetzers: die Kryosphäre besteht aus allen gefrorenen/Eiskomponenten des Erdsystems, also Festlandeis, Meereis, Gebirgsgletscher, Permafrost, verschneite Flächen) gefährlich nah sind, aber eine Minderung der Treibhausgasemissionen könnte die unvermeidliche Aufhäufung der Auswirkungen immer noch verlangsamen und uns bei der Anpassung helfen.

Forschungen des letzten Jahrzehnts haben gezeigt, dass die Westantarktis an der Bucht der Amundsensee möglicherweise einen Kipppunkt überschritten hat: die Aufschlussfläche, auf der Eis, Ozean und Gestein aufeinander treffen, zieht sich unumkehrbar zurück. Eine Modellstudie zeigt (Feldmann & Levermann 2015), dass der Zusammenbruch dieses Teils den Rest des westantarktischen Eisschildes wie fallende Dominosteine destabilisieren könnte – was zu einem Anstieg des Meeresspiegels um etwa 3 Meter auf einer Zeitskala von Jahrhunderten bis Jahrtausenden führen würde. Paläo-Beweise zeigen, dass es in der Vergangenheit immer wieder zu einem solch weitreichenden Zusammenbruch des westantarktischen Eisschildes gekommen ist. (Anmerkung des Übersetzers: hiermit ist primär der mittlerweile höchst instabile Thwaites-Gletscher gemeint, der die zweifache Fläche Deutschlands hat – bricht/schmilzt er, verliert der Pine-Island- Gletscher ebenfalls den Halt und bricht und schmilzt ab, woraufhin dann der Rest des westantarktischen Eisschildes ebenfalls vollends abschmilzt; das ist mit der Kette aus Dominosteinen gemeint).

Neueste Daten zeigen, dass ein Teil des ostantarktischen Eisschildes – das Wilkes-Becken – ähnlich instabil sein könnte. Arbeit an Modellen legt nahe, dass er auf Zeitskalen über ein Jahrhundert hinaus weitere 3-4 m zum Meeresspiegelanstieg beitragen könnte.

Der grönländische Eisschild schmilzt mit steigender Geschwindigkeit. Ee könnte im Zeithorizont von Jahrtausenden weitere 7 m zum Meeresspiegel hinzufügen, wenn er eine bestimmte Schwelle überschreitet. Da die Anhöhe des Eisschildes beim weiteren Schmelzen abnimmt, wird darüber hinaus Oberfläche immer wärmeren Luftmassen ausgesetzt. Modelle deuten darauf hin, dass das grönländische Eisschild bei einer Erwärmung von 1,5 °C zum Untergang verurteilt sein könnte; das könnte bereits 2030 der Fall sein.

So könnten wir bereits jetzt künftige Generationen dazu gezwungen haben, mit einem Meeresspiegelanstieg von etwa 10 m über Tausende von Jahren (oder schneller, s.o.) zu leben. Aber diese Zeitspanne ist immer noch unter unserer Kontrolle. Die Geschwindigkeit des Abschmelzens hängt von der Stärke der Erwärmung über den Kipppunkt hinaus ab. Bei 1,5 °C könnte die Entwicklung 10.000 Jahre dauern, oberhalb von 2 °C weniger als 1.000 Jahre. Forscher benötigen mehr Beobachtungsdaten, um festzustellen, ob die Eisschilde sich ihrem Kipppunkt nähern, und sie brauchen bessere Modelle, eingegrenzt durch Daten aus Vergangenheit und Gegenwart, um zu ermitteln, wie bald und wie schnell die Eisschilde zusammenbrechen könnten.

Was auch immer diese Daten zeigen, es müssen Maßnahmen ergriffen werden, um den Meeresspiegelanstieg zu verlangsamen. Dies wird die Anpassung erleichtern, einschließlich einer eventuellen Umsiedlung großer, tief gelegener Bevölkerungszentren.

Ein weiterer wesentlicher Impuls zur Begrenzung der Erwärmung auf 1,5 °C besteht darin, dass andere Kipppunkte bei einem niedrigen Niveau der globalen Erwärmung ausgelöst werden könnten. Die neuesten IPCC-Modelle projizierten eine Häufung von abrupten Umwälzungen zwischen 1,5 °C und 2 °C, in denen bei mehreren das Meereis beteiligt ist. Dieses Eis schrumpft in der Arktis bereits rapide, was darauf hindeutet, dass die Region bei 2 °C mit einer Wahrscheinlichkeit von 10-35 % im Sommer weitgehend eisfrei werden wird.

Grenzen der Biosphäre

Der Klimawandel und andere menschliche Aktivitäten drohen in einer Reihe von Ökosystemen und Größenordnungen Biosphärenkipppunkte auszulösen (siehe ‘Alarm geben’ bzw. „Raising the Alarm“).

Alarm gebend: Im letzten Jahrzehnt häuften sich Beweise, dass Kippelemente des Erdsystems aktiviert wurden. Auch Domino-Effekte (Kaskaden) sind vorgestellt worden. Punkte: Kippelemente, Pfeile: Abhängigkeiten/Rückwirkungen.

A. Amazonas Regenwald (häufige Trockenperioden) B. Arktisches Meereis(Flächenrückgang) C. Atlantische Meeresströmung (verlangsamt sich seit den 50er Jahren) D. Taiga (nördlicher Nadelwald) (Waldbrände und Schädlingsbefall) F. Korallenriffe (großräumige Bleichen/Absterbeprozesse) G. Grönlandeis (beschleunigter Eisverlust) H. Permafrost ( Auftauen) I. Westantarktischer Eisschild (beschleunigter Eisverlust) J. Wilkes Basin, Ostantarktischer Eisschild (beschleunigter Eisverlust)

Hitzewellen im Ozean haben zu Massenbleichen an Korallen und zum Verlust der Hälfte der Flachwasserkorallen am australischen Great Barrier Riff geführt. Zutiefst beunruhigende 99% der tropischen Korallen sind bei einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um 2 °C aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Erwärmung, Ozean-Versauerung und -Verschmutzung voraussichtlich verloren. Dies würde einen schwerwiegenden Verlust an mariner Biodiversität und menschlichen Lebensgrundlagen bedeuten.

Biosphärenkipppunkte können nicht nur unser Lebenserhaltungssystem aushebeln, sondern sie können auch eine abrupte Kohlenstofffreisetzung zurück in die Atmosphäre auslösen. Dies kann den Klimawandel verstärken und die verbleibenden Emissionsbudgets reduzieren.

Abholzung und Klimawandel destabilisieren den Amazonas – den größten Regenwald der Welt, in dem jede zehnte bekannte Spezies beheimatet ist. Schätzungen, wo ein Kipp-Punkt im Amazonasgebiet liegen könnte, reichen von 40% Entwaldung bis hin zu nur 20% Waldverlust (Lovejoy & Nobre 2018). 17% etwa sind seit 1970 verloren gegangen. Die Abholzungsrate variiert gemäß jeweiliger Politik. Um den Kipp-Punkt zu finden, sind Modelle erforderlich, die Abholzung und Klimawandel als miteinander wechselwirkende Triebkräfte betrachten und Rückkopplungen durch Feuer und Klima unterschiedlichen Ausmaßes als interagierende Kipp-Mechanismen einbeziehen.

Der “Borealwald” (Taiga oder nördlicher Nadelwald) in der Subarktis ist zunehmend gefährdet, da sich die Arktis mindestens doppelt so schnell erwärmt wie der globale Durchschnitt. Schon jetzt hat die Erwärmung großflächige Störungen durch Insekten und eine Zunahme von Bränden ausgelöst, die zum Absterben nordamerikanischen Borealwaldes geführt hat, wodurch einige Regionen möglicherweise von Kohlenstoffsenken zu Kohlenstoffquellen wurden (Walker und Kollegen 2019).

Der Permafrost in der ganzen Arktis beginnt irreversibel aufzutauen und setzt Kohlendioxid und Methan frei – ein Treibhausgas, das über einen Zeitraum von 100 Jahren etwa 30 Mal wirksamer ist als CO2.

Forscher müssen ihr Verständnis dieser festgestellten Veränderungen in den wichtigsten Ökosystemen verbessern und herausfinden, wo künftige Kipppunkte liegen können. Existierende Kohlenstoffspeicher und potenzielle Freisetzungen von CO2 und Methan müssen besser quantifiziert werden.

Das global verbleibende Emissionsbudget für eine 50:50-Chance, die Erwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen, beträgt nur etwa 500 Gigatonnen (Gt) CO2. Permafrost-Emissionen könnten dieses Budget um schätzungsweise 20% (100 Gt CO2) verringern (Rogelj und Kollegen 2019), und zwar ohne Berücksichtigung von Methan aus tiefen Permafrostschichten oder Unterwasser-Hydrat. Wenn die Wälder nahe an den Kipp-Punkten liegen, könnte das Amazonassterben weitere 90 Gt CO2 und die borealen Wälder weitere 110 Gt CO211 freisetzen (Steffen und Kollegen 2018). Da die globalen CO2-Gesamtemissionen immer noch mehr als 40 Gt pro Jahr betragen, könnte das verbleibende Budget bereits fast vollständig aufgezehrt sein. Da die globalen CO2- Gesamtemissionen immer noch bei über 40 Gt pro Jahr liegen, könnte das verbleibende Budget bereits fast vollständig aufgebraucht sein.

Globale Kaskade

Unserer Ansicht nach wäre der deutlichste Notfall, wenn wir uns einer globalen Kaskade von Kipppunkten nähern würden, die zu einem neuen, weniger bewohnbaren “Heißzeit”-Klimazustand führen. Wechselwirkungen könnten durch die Zirkulation der Ozeane und der Atmosphäre oder durch Rückkopplungen erfolgen, die Treibhausgasvolumen und globale Temperatur erhöhen. Oder aber es könnten starke Rückkopplungen von Wolken zu einem globalen Kipppunkt führen (s. Schneider und Kollegen 2019 sowie Tan und Kollegen 2016).

Wir sind der Ansicht, dass Kaskadeneffekte der Normalfall sein können. Forschungsarbeiten im letzten Jahr analysierten 30 Varianten von Systemverschiebungen, die das physikalische Klima und ökologische Systeme umspannen – vom Zusammenbruch des westantarktischen Eisschildes zum Wechsel von Regenwald zu Savanne. Dabei zeigte sich, dass die Überschreitung von Kipppunkten in einem System das Risiko, diese in anderen Systemen zu überschreiten, erhöhen kann. Solche Querverbindungen wurden für 45% der möglichen Wechselbeziehungen gefunden.

Unserer Ansicht nach werden jetzt Beispiele beobachtet. So verstärkt beispielsweise der arktische Meereisverlust die regionale Erwärmung, und die Erwärmung der Arktis und Grönlandschmelze führen zu einem Zufluss von Süßwasser in den Nordatlantik. Dies könnte beigetragen haben zu einer 15-prozentigen Verlangsamung der Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC, Golfstromsystem) seit Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts, einem Schlüsselfaktor des globalen Wärme- und Salztransports durch den Ozean. Das rasche Abschmelzen des grönländischen Eisschildes und eine weitere Verlangsamung der AMOC könnten den westafrikanischen Monsun destabilisieren und eine Dürre in der afrikanischen Sahelregion auslösen. Eine Verlangsamung des AMOC könnte auch den Amazonas austrocknen, den ostasiatischen Monsun stören und zu einem Hitzestau im Südlichen Ozean führen, der den antarktischen Eisverlust beschleunigen könnte (Anmerkung des Übersetzers: statt die Wärme wie früher nach Europa abzutransportieren, verbleibt diese im südlichen Ozean, wenn das Golfstromsystem sich verlangsamt).

Die paläoklimatischen Archive zeigen globale Kippvorgänge, wie den Eintritt in die Eiszeitzyklen vor 2,6 Millionen Jahren und vor etwa einer Million Jahre einen Wechsel in Kipp-Ausmaß und -häufigkeit, die mit den Modellen nur bedingt simuliert werden können. Regionale Kippvorgänge traten wiederholt innerhalb und am Ende der letzten Eiszeit auf, zwischen 80.000 und 10.000 Jahren (die Dansgaard-Oeschger- und Heinrich-Ereignisse). Dies ist zwar nicht direkt auf die heutige Zwischeneiszeit übertragbar, macht aber deutlich, dass das Erdsystem schon früher über mehrere Zeitskalen hinweg instabil war, und zwar unter relativ schwacher äußerer Einwirkung, nämlich Veränderungen der Erdumlaufbahn. Heute wirken wir stark auf das System ein, wobei die atmosphärische CO2-Konzentration und die globale Temperatur mit Geschwindigkeiten steigen, die um eine Größenordnung höher sind als die während der letzten Eisschmelze.

Das atmosphärische CO2 ist bereits auf einem Niveau, das zuletzt vor etwa vier Millionen Jahren, im Pliozän, beobachtet wurde. Es bewegt sich rasch auf Werte zu, die zuletzt vor etwa 50 Millionen Jahren – im Eozän – beobachtet wurden, als die Temperaturen bis zu 14 °C höher waren als in vorindustrieller Zeit. Es ist eine Herausforderung für Klimamodelle, solche vergangenen “Treibhaus”-Erdzustände zu simulieren. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass die Modelle einen wichtigen Wendepunkt übersehen haben: Ein in diesem Jahr veröffentlichtes wolkenauflösendes Modell legt nahe, dass das abrupte Aufbrechen der Stratocumulus-Wolken oberhalb von etwa 1.200 Teilen pro Million (ppm) CO2 zu einer globalen Erwärmung von etwa 8 °C geführt haben könnte.

Einige frühe Ergebnisse der neuesten Klimamodelle – die für den sechsten Sachstandsbericht des IPCC, der 2021 fällig ist, erstellt wurden – deuten auf eine wesentlich größere Klimasensitivität hin als in den bisherigen Modellen. Viele weitere Ergebnisse stehen noch aus und weitere Untersuchungen sind notwendig, aber für uns deuten diese vorläufigen Ergebnisse darauf hin, dass ein globaler Kipppunkt möglich ist.

Um diese Probleme anzugehen, brauchen wir Modelle, die eine reichhaltigere Anzahl von Kopplungen und Rückkopplungen im Erdsystem erfassen, und wir brauchen mehr Daten – gegenwärtige und frühere – und bessere Möglichkeiten, sie zu nutzen. Die Verbesserung der Fähigkeit von Modellen, bekannte frühere abrupte Klimaänderungen und “Treibhaus”-Klimazustände zu erfassen, sollte das Vertrauen in ihre Fähigkeit erhöhen, diese vorherzusagen.

Einige Wissenschaftler entgegnen, dass die Möglichkeit eines globalen Kippens nach wie vor höchst spekulativ ist. Wir sind der Meinung, dass jede ernsthafte Risikobewertung angesichts der enormen Auswirkungen und der Irreversibilität des Phänomens die Beweise berücksichtigen muss, so begrenzt unser Verständnis auch sein mag. Sich auf der Seite der Gefahr zu irren, ist keine verantwortungsvolle Option.

Wenn es zu schädlichen Kippkaskaden kommen kann und ein globaler Kipppunkt nicht auszuschließen ist, dann ist dies eine existenzielle Bedrohung der Zivilisation. Eine ökonomische Kosten-Nutzen-Analyse hilft uns nicht weiter. Wir müssen unsere Herangehensweise an das Klimaproblem ändern.

Jetzt handeln

Unserer Ansicht nach deuten allein die Hinweise auf die Kipppunkte darauf hin, dass wir uns in einem planetarischen Notstand befinden: Sowohl das Risiko als auch die Dringlichkeit der Situation sind akut (siehe unten: ‘Notfall: Rechnen Sie mal nach’).

Wir argumentieren, dass die verbleibende Interventionszeit zur Vermeidung von Kippvorgängen bereits gegen Null geschrumpft sein könnte, während die Reaktionszeit zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen bestenfalls 30 Jahre beträgt. Daher könnten wir bereits die Kontrolle darüber verloren haben, ob Kippvorgänge stattfinden. Eine rettende Aussicht besteht darin, dass die Geschwindigkeit, mit der sich die Schäden durch das Abkippen – und damit das Risiko – aufhäufen, bis zu einem gewissen Grad noch unter unserer Kontrolle sein könnte.

Die Stabilität und Widerstandsfähigkeit unseres Planeten ist in Gefahr. Internationale Taten – nicht nur Worte – müssen dies widerspiegeln.

Notfall (Emergency): Rechnen Sie nach.

Wir definieren den Notfall (E) als das Produkt aus Risiko und Dringlichkeit (urgency). Das Risiko (R) wird von den Versicherern als Wahrscheinlichkeit (p) multipliziert mit dem Schaden (D) definiert. Dringlichkeit (U) ist in Notfallsituationen definiert als Reaktionszeitauf einen Alarm (τ) geteilt durch die verbleibende Interventionszeit, um einen schlechten Ausgang zu vermeiden (T). Somit ist die Emergency (Notfall)

E =R ×U =p ×D ×τ / T

Die Situation ist ein Notfall, wenn sowohl das Risiko als auch die Dringlichkeit hoch sind. Ist die Reaktionszeit länger als die verbleibende Interventionszeit (τ / T > 1), haben wir dieKontrolle verloren.

Nature 575, 592-595 (2019) https://www.nature.com/articles/d41586-019-03595-0
doi: 10.1038/d41586-019-03595-0

Teilweise übersetzt mit http://www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version), verbessert und ergänzt durch verschiedene Mitglieder der Regionalgruppe Stuttgart von Scientists for Future. Zum Papiersparen beim Ausdrucken am besten die Reader-Ansicht im Browser wählen, dort die Schriftgröße reduzieren und so als PDF exportieren. Beim PDF-Ausdrucken dann die Größe auf 60% setzen.

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