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Über Kipppunkte und den Umgang mit Unsicherheiten. Ein Gespräch mit Sina Loriani

Es gibt Bestandteile des Erdsystems wie zum Beispiel Grönlands Eisschild und den Amazonas-Regenwald, die sogenannte Kipppunkte aufweisen. Werden diese überschritten, kommt es zu starken und unumkehrbaren Umweltveränderungen. Der Physiker Sina Loriani erklärt im Interview, was Kipppunkte sind, was man über sie weiß und welche Bedeutung sie für den Planeten haben. 

Planetare Gesundheit

Die Fragen stellte Eva von Grafenstein, Redakteurin des Kanals „Planetare Gesundheit“.  

Sie forschen am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung und beschäftigen sich mit der Analyse des Erdsystems. Was kann man sich darunter vorstellen?

In der Erdsystemanalyse versuchen wir, den Planeten in seiner Gesamtheit zu verstehen – das heißt, wir gehen davon aus, dass die Erde ein großes System aus Bausteinen ist, die durch Kreisläufe miteinander verbunden sind. Über die Jahre wurden durch die fortschreitende Forschung immer mehr Bausteine identifiziert und in die Modelle, mit denen wir arbeiten, integriert. Frühe Versionen der Klimamodelle aus den 60er Jahren waren zum Beispiel einfache Strahlungsbilanzen: Aus der Energiemenge, die die Erde insgesamt von der Sonne erhält, lässt sich, vereinfacht gesagt, die Temperatur der Erde ableiten. Darauf aufbauend wurden immer komplexere Modelle entwickelt, welche die Wirklichkeit immer besser abbilden. Dazu zählen auch der Austausch von Wärme, Luft- und Wassermassen zwischen verschiedenen Orten der Erde. Dieser anfängliche Fokus auf die Physik der Atmosphäre und Ozeane wurde um die wichtigsten Komponenten und Prozesse der Erde erweitert, wie etwa die globale Vegetation, Eisschilde sowie die Kohlenstoff-, Wasser- und Stickstoffkreisläufe. Damit haben wir heute die großen Erdsystemmodelle, die immer komplexere Fragestellungen beantworten können.

Wenn man ein System betrachtet, ist es wichtig zu bestimmen, was innerhalb und was außerhalb liegt. Die Menschen wurden lange Zeit als externe Faktoren des Erdsystems angesehen, also als etwas, das nur die Landoberfläche ändert und CO2 in die Atmosphäre pumpt, ähnlich wie Meteoriten und Vulkane. Die aktuelle Forschung beschäftigt sich immer mehr damit, menschliches Handeln als einen weiteren dynamischen Baustein in die Systemanalyse einzubauen. So lässt sich zum Beispiel untersuchen, welche Auswirkungen Anpassungen an den Klimawandel – wie etwa großflächig andere Landnutzung – auf das Klima haben und welche Effekte wiederum dieses veränderte Klima hat.  

Die aktuelle Forschung beschäftigt sich immer mehr damit, menschliches Handeln als einen weiteren dynamischen Baustein in die Systemanalyse einzubauen.

Besonders spannende Fragen, welche die Erdsystemanalyse beschäftigen, lauten: Wie funktionieren die verschiedenen Systeme – etwa Strömungen, Kreisläufe, Ökosysteme, Eisschilde – individuell und im Zusammenspiel? Sind diese Systeme stabil? Welche Prozesse sorgen dafür, dass ein Zustand mehr oder weniger so bleibt, wie er war, und was sorgt dafür, dass sich die grundlegende Beschaffenheit eines Systems ändert? Wie geraten die Dinge durch den Eingriff des Menschen aus den Fugen, und in welchen Zeiträumen spielen sich diese Änderungen ab?

Können Sie ein Beispiel dafür nennen, wie Prozesse des Erdsystems für Stabilität sorgen können? 

Es gibt sogenannte negative Rückkopplungen (negative feedback loops). Das sind Prozesse, die eine anfängliche Änderung abschwächen. Nehmen wir etwa die Verwitterung, bei der durch chemische Prozesse auf der Oberfläche von Gesteinen und Gebirgen CO2 gebunden wird. Begünstigt werden diese durch hohe Temperaturen. Wenn nun die Erderwärmung hochgeht, nimmt auch die Verwitterung zu, wodurch CO2 aus der Atmosphäre gezogen wird. Das wiederum verringert den Treibhauseffekt und es wird kühler. Wir haben also mit einer Temperaturerhöhung angefangen und enden, nachdem wir diese Schleife durchlaufen haben, bei einer Temperatursenkung. Nun gehen wir von einer Temperatursenkung aus: Wenn die Temperatur sinkt, ist die Verwitterung weniger effizient und es verbleibt mehr CO2 in der Atmosphäre. Der Treibhauseffekt wird wieder größer und man endet bei einer höheren Temperatur. Dieser Prozess wirkt also wie ein großes planetares Thermostat, das einer Temperaturänderung auf langen, geologischen Zeitskalen entgegen- und dadurch stabilisierend wirkt.

Befindet sich die Erde denn in einem stabilen Zustand? 

Vorneweg sei gesagt, dass am Ende sehr, sehr viele Prozesse mitmischen und externe Faktoren wie etwa eine veränderte Energiemenge von der Sonne einen großen Einfluss auf das Erdsystem haben, sodass Aussagen über die Stabilität der Erde als Ganzes schwer und nicht unbedingt sinnvoll zu treffen sind. Auf jeden Fall hat sich die Beschaffenheit der Erde in den letzten Jahrmillionen gewaltig verändert. Vor etwa 50 Millionen Jahren war es 15 Grad wärmer als heute und es gab keine Eisschilde. Vor 3 Millionen Jahren wurde es dann ziemlich kalt, bis minus sechs Grad kälter als heute, und es entstand ein Eisschild auf der Südhalbkugel und später auch auf der Nordhalbkugel. Seitdem pendelt das Erdsystem periodisch zwischen Eiszeiten hin und her, und die globale Temperatur geht mehrere Grad auf und ab. 

Die letzten 12.000 Jahre – das Zeitalter des Holozäns – jedoch waren vergleichsweise stabil. Die globale Temperatur variierte nur um etwa 1°C. Was man auf jeden Fall sagen kann, ist, dass wir durch unser Handeln diesen Zustand ziemlich rapide verlassen. Seit Beginn der Industrialisierung sind wir schon bei einem globalen Temperaturanstieg von über 1,2 Grad angelangt. Projektionen zeigen: Wenn wir mit dem Verbrennen fossiler Rohstoffe so weitermachen wie bisher, können wir bei fast 3°C gegen Ende des Jahrhunderts landen. Das entspräche Bedingungen, die wir seit Millionen Jahren nicht mehr auf der Erde hatten.

Wenn wir mit dem Verbrennen fossiler Rohstoffe so weitermachen wie bisher, können wir bei fast 3°C gegen Ende des Jahrhunderts landen.

Wenn das Klima bis auf die letzten 12.000 Jahre instabil war, werden wir dann nicht auch den durch den Klimawandel verursachten Temperaturanstieg verkraften? 

Natürlich hat sich das Klima während der Erdgeschichte immer schon gewandelt, allerdings auf ganz anderen Zeitskalen. Und für uns ganz essentiell: Die Zivilisation, wie wir sie kennen, gibt es mehr oder weniger erst, seitdem das Klima stabil ist. Über hunderttausende Jahre waren die Menschen Sammler und Jäger, erst vor etwa zehntausend Jahren wurden sie vermehrt sesshaft und fingen an, Landwirtschaft zu betreiben. Das geschah relativ zeitgleich überall auf der Welt. Seitdem ist die Weltpopulation stark gewachsen, und wir sind extrem abhängig von stabilen klimatischen Bedingungen für unsere globale Landwirtschaft. Unsere Infrastruktur, unsere Art zu leben, körperliche und mentale Gesundheit, unsere Versorgung mit Wasser und Nahrung und unser Lebensraum, all das hängt stark von den Bedingungen unserer Umwelt ab.

Im Endeffekt leben wir dort, wo es weder zu kalt noch zu heiß, weder zu nass noch zu trocken ist. Über den Globus verteilt herrschen viele verschiedene klimatische Bedingungen, jedoch lässt sich feststellen, dass wir nur einen gewissen Teil dieser Orte besiedelt haben.  Wir verteilen uns nicht gleichmäßig, stattdessen gibt es in Bezug auf die lokalen Klimabedingungen eine charakteristische Verteilung der Weltbevölkerung.

Können Sie das näher beschreiben?

Der größte Anteil der Weltbevölkerung auf der Welt lebt entweder bei durchschnittlich 12 Grad, etwa in Südeuropa, oder 27 Grad, etwa in Südasien. Erstaunlich ist, dass diese Verteilung über die Zeit hinweg weitestgehend gleich geblieben ist. Wenn man die Bevölkerungsverteilung von vor 6000 Jahren nimmt, dann sieht das ähnlich aus. Diese beständige Verteilung wird als menschliche Klima-Nische bezeichnet. Das hat eine Vielzahl von Gründen. Ein wichtiger Aspekt ist, dass die ökologische Nische anderer für uns Menschen wichtiger Spezies ganz ähnlich ist, zum Beispiel verschiedener Nutzpflanzen und -tiere. Ein großer Teil der Weltbevölkerung lebt von Bedarfslandwirtschaft und ist damit direkt von den ökologischen Nischen der Nutzpflanzen abhängig. Der Klimawandel sorgt dafür, dass immer mehr Spezies aus ihrer Nische gedrängt werden. Das bedeutet, dass sie sich rasch an die neuen Umweltbedingungen anpassen müssen, was aufgrund des erforderlichen Ausmaßes teilweise aber nur bedingt möglich ist. Ein Wandel zu trockenerem und heißerem Klima beispielsweise mindert die Erträge vieler Nutzpflanzen, erhöht ihre Anfälligkeit für Krankheiten und erfordert mehr Bewässerung. 

Außerdem ist es irgendwann physiologisch einfach viel zu heiß für uns. Hohe Temperaturen beeinträchtigen die körperliche und mentale Produktivität und sind ab einer bestimmten Intensität und Dauer tödlich. Wenn dann auch noch eine hohe Luftfeuchtigkeit vorherrscht, verliert der Körper irgendwann die Fähigkeit, sich durch Schwitzen abzukühlen. Das bedeutet, dass körperliche Arbeit erheblich erschwert wird und dass bestimmte Bevölkerungsgruppen wie Alte und Kranke einem erhöhten Gesundheitsrisiko ausgesetzt sind. Das obere Ende der Nische liegt bei etwa 29°C Jahresdurchschnittstemperatur – ab dann gibt es immer mehr dieser kritischen Temperaturen. In den 80er Jahren lebten nur etwa 0.3 Prozent der Weltbevölkerung an Orten mit diesen Bedingungen. Seitdem ist der Anteil bereits auf etwa 1 Prozent gestiegen und könnte in der Zukunft etwa 23 Prozent erreichen (bei einem Temperaturanstieg von fast 3°C bis Ende des Jahrhunderts). Es geht hier um Milliarden Menschen, die potenziell erheblich verschlechterten und teilweise unmöglichen Bedingungen ausgesetzt werden. Und das allein bei Klimawandelszenarien, die mehr oder weniger graduell und linear sind, also keine größeren abrupten Überraschungen oder Kipppunkte beinhalten.

Es geht hier um Milliarden Menschen, die potenziell erheblich verschlechterten und teilweise unmöglichen Bedingungen ausgesetzt werden.

In Ihrer Forschung befassen Sie sich mit Kipppunkten des Klimasystems. Was sind Kippunkte?  

Wir haben eben schon über Rückkopplungen in komplexen Systemen gesprochen, die stabilisierend wirken können. Genauso gibt es destabilisierende Prozesse, sogenannte positive feedback loops, die eine anfängliche Änderung weiter verstärken. Diese Rückkopplungsschleifen kennt man auch aus dem Alltag, zum Beispiel wenn ein Mikrofon zu nah an einem daran angeschlossenen Lautsprecher ist, das aufgenommene Geräusch wieder verstärkt wird und sich das System schnell zu einem Krach hochschaukelt. In den allermeisten Systemen hat man alle möglichen stabilisierenden und destabilisierenden Feedbackloops, deren Mix am Ende bestimmt, was passiert. Ein Kipppunkt ist erreicht, wenn die destabilisierenden Prozesse ab einer kritischen Schwelle Überhand nehmen. Man denke etwa an einen See, über den man sagt, dass er gekippt sei: Eine Zufuhr von Nährstoffen regt den Algenwuchs an und führt dadurch zu einer verminderten Verfügbarkeit von Sauerstoff im See. Das kann das Ökosystem verändern und weitere Nährstoffe freisetzen. Dies schließt den Kreis, und ab einem bestimmten Punkt kann das System von einem klaren in einen trüben See mit Algen kippen.  

Die Rückkopplung zwischen Höhenlage und Schmelzrate eines Eisschildes ist ein anderes Beispiel direkt aus der Erdsystemforschung: Erwärmung führt zum Abschmelzen des Eises, der Schild wird kleiner und seine Oberfläche kommt in niedrigere Höhenlagen. Man kennt das vom Wandern in den Bergen: Je höher man kommt, desto kälter wird es – umgekehrt wird es wärmer, je tiefer es geht. Das heißt, der abschmelzende Eisschild wird einer immer wärmeren Umgebung ausgesetzt, die das Schmelzen wiederum verstärkt. Ab einem gewissen Punkt ist diese selbstverstärkende Rückkopplung so stark, dass das Eis von alleine weiter schmilzt, sich dieser Teufelskreis also selbst am Laufen hält. 

Wo kommen Kipppunkte vor?

Kipppunkte kommen in Systemen vor, in denen solche „je mehr desto mehr“-Prozesse sehr stark sind. Dadurch geht die Änderung mitunter recht schnell. Man stupst das System von außen an und durch die Selbstverstärkung treibt es jede weitere Änderung selbständig mit und beschleunigt diese. Wie zum Beispiel die menschengemachte Erderwärmung, die den Eisschild über eine kritische Schwelle schmilzt, wonach der eben beschriebene Schmelzprozess eigenständig, das heißt ohne weitere Einwirkung von Außen fortgesetzt wird. Außerdem ist der neue Zustand oft irreversibel, da man gegen die losgetretenen Prozesse nur schwer wirken kann. Für einen Eisschild bedeutet das beispielsweise: Wenn Teile des Schildes bei einer bestimmten kritischen Temperatur gekippt und daraufhin abgeschmolzen sind, reicht es zum Wiederherstellen des Eises nicht, später wieder die Ursprungstemperatur zu erreichen. Stattdessen muss der Eisschild deutlich tieferen Temperaturen ausgesetzt werden, um wieder den ursprünglichen Zustand zu erreichen. Diese beiden Eigenschaften, relativ abrupte Änderungen und praktische Irreversibilität (Hysterese), gehen oft mit Kipppunkten einher.

Man stupst das System von außen an und durch die Selbstverstärkung treibt es jede weitere Änderung selbständig mit und beschleunigt diese.

Wie können Kipppunkte erfasst werden?

Kipppunkte zu erfassen, ist eine große Herausforderung. Wie bereits beschrieben, geht es um Eigenschaften sehr komplexer Systeme mit vielen Rückkopplungen und Wechselwirkungen. Der erste Schritt liegt darin, erstmal zu verstehen, welche Systeme überhaupt selbstverstärkende Prozesse haben und unter welchen Bedingungen diese so stark werden können, dass sie sich gegen die stabilisierenden Prozesse durchsetzen. Das erfordert die Modellierung aller relevanten Dynamiken in den richtigen räumlichen und zeitlichen Größenordnungen. Will man beispielsweise Kipppunkte eines marinen Eisschildes untersuchen, spielt nicht nur die Physik des Eisschildes eine Rolle (wie fließt das Eis?), sondern auch das regionale Klima (wie warm ist es und wie viel schneit es?), die Topographie des Untergrundes (wo und wie ist der Eisschild von unten gestützt?) sowie die Dynamik im Meer (wie warm ist es und was ist der Salzgehalt?). Diese Komponenten beeinflussen sich alle gegenseitig. So verändert ein Abschmelzen des Eisschildes die Umgebung (das regionale Klima ändert sich ebenso wie der Salzgehalt im Ozean usw.) und die Umgebung wiederum das Schmelzen des Eises.

Haben wir bestimmte Kipppunkte bereits überschritten? 

Letztendlich sind es viele Puzzleteile, die man zur Beantwortung der Frage nach Kipppunkten zusammenlegt. Ende letzten Jahres haben wir mit über zweihundert Autor:innen den Global Tipping Points Report veröffentlicht. Dafür haben wir Unmengen an wissenschaftlicher Evidenz gesammelt: Satellitenbeobachtungen, komplexe numerische Computermodelle, einfache konzeptionelle Modelle und Paläoevidenz, also zum Beispiel Eis- und Sedimentbohrkerne, deren Rekonstruktionen zeigen, wie die verschiedenen Teile des Erdsystems vor mehreren 100.000 Jahren ausgesehen haben. Wenn man das alles zusammennimmt, kann man sich ein Bild davon machen, welche Systeme Kipppunkte haben könnten, ob da schonmal was gekippt ist und wo die Kipppunktschwellen liegen. 

Wir haben über 25 Systeme gefunden, die wohl Kipppunkte haben könnten. Insbesondere beinhaltet dies den grönländischen Eisschild und Teile der Westantarktis, einige Permafrostregionen sowie Korallenriffe und die subpolare Wirbelzirkulation im Nordatlantik. Bei diesen verschiedenen Systemen werden die kritischen Schwellen bei globalen Erwärmungen unter 2°C vermutet. Das heißt, für all diese Teile der Erde steigt das Risiko, dass wir in den nächsten Jahrzehnten selbstverstärkende Dynamiken lostreten, die für abrupte und/oder irreversible Änderungen mit dramatischen Auswirkungen sorgen. In der Forschung wird aktuell unter anderem versucht, die kritischen Temperaturen genau zu bestimmen, was aber teilweise mit großen Unsicherheiten behaftet ist. 

Für all diese Teile der Erde steigt das Risiko, dass wir in den nächsten Jahrzehnten selbstverstärkende Dynamiken lostreten, die für abrupte und/oder irreversible Änderungen mit dramatischen Auswirkungen sorgen.

Kommen Wissenschaftler*innen in ihren Modellen manchmal zu ganz unterschiedlichen Ergebnissen?

Das kann passieren, vor allem weil alle Erdsystemmodelle unterschiedliche Komponenten enthalten. Einige lösen beispielsweise bestimmte Prozesse genauer auf, machen aber dafür Abstriche bei der Rechengeschwindigkeit oder können andere Prozesse weniger genau darstellen. Manche unterscheiden sich in ihrem Ansatz, die Vegetation oder Strömungen in Ozean und Atmosphäre zu implementieren. Manche Modelle enthalten Kreisläufe, die andere nicht haben. 

Um ihre Ergebnisse dennoch miteinander vergleichen zu können, gibt es sogenannte „Model Intercomparison Projects“ (MIPs), allen voran das Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). Dabei einigt sich die wissenschaftliche Community auf Szenarien, die besonders aufschlussreich sind. Zum Beispiel wurden für Projektionen der Zukunft verschiedene Emissionsszenarien entwickelt, von „wir emittieren noch ein paar Jahre und kriegen gut die Kurve“ bis „weiter fossile Brennstoffe verfeuern wie bisher und noch mehr“. Dann lässt man alle Modelle – zum Beispiel MPI-ESM vom Max-Planck-Institut in Hamburg oder UKESM in England – dasselbe Szenario ausrechnen. Da weltweit viele verschiedene Forschungsgruppen an diversen Modellen arbeiten, kommt eine Bandbreite von Ergebnissen raus und man ist in der Lage, Unsicherheiten herzuleiten und Mittelwerte zu berechnen. 

Welche anderen Szenarien werden mit MIPs berechnet?

MIPs zielen insbesondere auch darauf ab, besondere Eigenschaften von Modellen zu untersuchen und dadurch zu lernen, wie gut bestimmte Dinge in ihnen abgebildet sind. Beispielsweise wird untersucht, ob der atlantische Ozean in Klimamodellen zu stabil ist, indem man Hosing-Experimente („Gießkannen-Experimente“) macht. Die Strömungsdynamiken hängen von Unterschieden im Salzgehalt ab, und wenn die Modelle diese nicht richtig implementiert haben, kann es sein, dass nur wenig Änderung zu sehen ist. Durch künstliches Fluten des Nordatlantik mit ganz viel Süßwasser in den Modellen kann man untersuchen, wie die Modelle auf Änderungen des Salzgehaltes reagieren. Oder man dreht den Niederschlag über dem Amazonas-Regenwald runter oder schaut, was passiert, wenn wichtige Teile des Waldes abgeholzt werden. Solche Untersuchungen gibt es auch im Tipping Points Model Intercomparison Project (TIPMIP), das darauf abzielt, unser Verständnis der Kipppunktdynamik systematisch besser zu verstehen. Hierbei werden ähnliche Szenarien über verschiedene Kippsysteme und Modelle hinweg gerechnet. Dadurch lernen wir einerseits, ob Modelle teilweise vielleicht zu stabil oder instabil sind, und können andererseits bessere Aussagen über Kippschwellen und die Folgen von Kipppunkten treffen. 

Welche Schlüsse können wir letztlich aus allem, was wir über Kipppunkte wissen, ziehen?

Für die Vermeidung von Kipppunkten gilt grundsätzlich dasselbe wie für den Klimawandel: Wir müssen so schnell wie möglich die Emission von Treibhausgasen und andere massive Eingriffe in das Erdsystem verringern. Kipppunkte reihen sich in die katastrophalen Folgen des Klimawandels ein, die es durch eine Transformation hin zu einer nachhaltigen Welt dringend zu vermeiden oder zu verringern gilt. Systemen mit Kipppunkten kommt dabei eine besonders kritische Rolle zu, da ein potentielles Kippen massive Auswirkungen auf das Erdsystem und uns Menschen hätte. Ein Kollaps der Atlantischen Umwälzzirkulation würde zu einem signifikant veränderten Klima in Europa führen. Ein Kippen des Amazonas-Regenwaldes hin zu einem Savanne-artigen Zustand hätte dramatische Folgen für das globale Klima durch die Freisetzung von zusätzlichem Kohlenstoff. Das Erreichen von Kipppunkten in den Eisschilden würde zu einem deutlich beschleunigten und größeren Meeresspiegelanstieg über Jahrhunderte führen. 

Kipppunkte reihen sich in die katastrophalen Folgen des Klimawandels ein, die es durch eine Transformation hin zu einer nachhaltigen Welt dringend zu vermeiden oder zu verringern gilt.

Aus diesen Gründen gibt es Vorschläge, dieses Thema in gemeinsamen globalen Programmen und Institutionen mehr zu berücksichtigen. Dem wurde beispielsweise ein ganzes Kapitel des oben erwähnten Tipping Points Reports gewidmet. Viel grundsätzlicher hat dies auch mit dem Themenkomplex der globalen öffentlichen Güter (global commons) zu tun und der Frage, wie wir als Weltgemeinschaft damit umgehen, wenn diese für uns alle so wichtigen Systeme innerhalb der Grenzen und Gerichtsbarkeit von einzelnen Nationalstaaten fallen. Außerdem muss uns hier besonders bewusst sein, dass unser Handeln in den nächsten Jahrzehnten den Zustand der Erde für die nächsten Jahrtausende bestimmt. Auch wenn über die Details in der Forschung noch Unsicherheiten herrschen – Kipppunkte warnen uns, dass es beim Anstieg der Durchschnittstemperatur auf jedes Zehntelgrad ankommt. 

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