Quelle: Universität Innsbruck 5. Januar 2023.

5. Januar 2023 – Die mehr als 215.000 Gletscher weltweit sind von den Folgen der Erderhitzung aufgrund der Klimakrise längst massiv betroffen. Die zunehmenden Schmelzraten führen nicht nur zu einer Zunahme von Naturgefahren in den entsprechenden Gebieten, sondern auch zu einem Anstieg des Meeresspiegels und zu einer Gefährdung der Wasserversorgung von etwa zwei Milliarden Menschen weltweit. Im jüngsten Bericht des Weltklimarates IPCC haben tausende Forscher*innen auf die dramatischen Folgen der Erderhitzung – besonders für Gletscher bereits jetzt und in naher Zukunft – hingewiesen. „Wir sind aufgrund des aktuellen Niveaus der Emissionen leider auf dem Weg in Richtung einer Temperaturzunahme von +2,7°C. Das hätte ein Verschwinden von zwei Drittel aller Gletscher weltweit bis 2100 zur Folge“, erklärt Fabien Maussion vom Institut für Atmosphären- und Kryosphärenwissenschaften der Universität Innsbruck, Co-Autor der Science-Studie.

Wie genau sich diese Entwicklung in den kommenden Jahrzehnten fortsetzen wird und was noch zu retten ist, hat das große Klimaforscher*innen-Team unter der Leitung von David Rounce von der Carnegie Mellon University in Pennsylvania nun neu berechnet und dabei die Methodik im Vergleich zu bisherigen Studien deutlich verbessert. Der Glaziologe Maussion steuerte Projektionen der potenziellen Veränderungen der Gebirgsgletscher bei, basierend auf dem an der Universität Innsbruck mitentwickelten Gletscherentwicklungsmodell Open Global Glacier Model OGGM. Dabei handelt es sich um das erste offen zugängliche globale Modell zur Simulation der Entwicklung aller Gletscher weltweit, für diese Studie wurde es mit einem Modell der Carnegie Mellon University kombiniert. „Wir haben in dieser Studie die Methodik prinzipiell verbessert, da wir Satelliten-Beobachtungen und Modelle miteinander kombiniert haben und somit auch regionale Besonderheiten und die dynamische Entwicklung genau berücksichtigen können“, sagt Fabien Maussion.

Vier Szenarien für alle Gletscher
Da auf gesellschaftspolitischer Entscheidungsebene wie etwa kürzlich bei der UN-Klimakonferenz COP27 häufig mit Temperaturszenarien gearbeitet wird, haben sich die Klimaforscher*innen dazu entschieden, die Folgen für die Gletscherentwicklung anhand von vier Annahmen zu berechnen. Die Projektionen zeigen die Reaktion auf globalen Temperaturänderungen von +1,5°Celsius (C), +2°C, +3°C und +4°C bis zum Jahr 2100 im Vergleich zum vorindustriellen Niveau für jeden einzelnen Gletscher der Welt. Die Ergebnisse zeigen einen dramatischen Verlust, aber auch große Schwankungsbreiten im Ausmaß: Zwischen 26 und 41 Prozent der Gesamtmasse der Gletscher wird bis Ende des Jahrhunderts verloren sein. Im „Best-Case-Szenario“ von +1,5°C würde ein Viertel der Gesamtmasse und damit 50 Prozent der Gletscher komplett abschmelzen. Ein Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur von +2,7°C, von dem angesichts der aktuellen Übereinkünfte zur Emissionsreduktion ausgegangen werden muss, hätte laut der Studie eine fast vollständige Entgletscherung ganzer Regionen in den mittleren Breitengraden mit Mitteleuropa, Westkanada, USA sowie Neuseeland zur Folge. Das würde einen höheren Anstieg des Meeresspiegels zur Folge haben als bisher angenommen. „Für sehr viele Gletscher ist es leider schon zu spät, aber das heißt nicht, dass wir nichts mehr tun können. Jede Reduktion der Treibhausgasemissionen und damit die Abkehr von fossilen Brennstoffen trägt dazu bei, noch bestehende Eismassen zu retten und den Anstieg des Meeresspiegels einzugrenzen“, so Fabien Maussion.

Publikation:
Global glacier change in the 21st century: Every increase in temperature matters. David R. Rounce, Regine Hock, Fabien Maussion, Romain Hugonnet, William Kochtitzky, Matthias Huss, Etienne Berthier, Douglas Brinkerhoff, Loris Compagno, Luke Copland, Daniel Farinotti, Brian Menounos, Robert W. McNabb. Science, 6 January 2023 Vol 379 Issue 6627
DOI: 10.1126/science.abo1324
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo1324

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• Klimawandel

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Quelle: TU Dresden.

7. Februar 2022 – Seit dem Beginn genauer Satellitenbeobachtungen in den 1990er Jahren ist der globale mittlere Meeresspiegel um mehr als 3 Zentimeter pro Jahrzehnt gestiegen. Für gut ein Drittel des Anstiegs ist die thermische Ausdehnung des sich erwärmenden Meerwassers verantwortlich. Für die übrigen knapp zwei Drittel sorgen die Wassermassen, die dem Ozean hinzugefügt werden, vor allem durch das Schmelzen von Gletschern und Eisschilden. Dieses Schmelzen hat seit den 1990er Jahren deutlich zugenommen, wodurch sich auch das Tempo des Meeresspiegelanstiegs erhöht hat. Eine Abnahme der an Land gespeicherten Wassermenge, insbesondere durch Grundwasserzehrung aufgrund von Wasserförderung, hat ebenfalls zum Meeresspiegelanstieg beigetragen.

Als eine Probe dafür, wie gut Wissenschaftler die am Meeresspiegelanstieg beteiligten Vorgänge verstehen, vergleichen sie den gemessenen Meeresspiegelanstieg mit der Summe aus den einzeln abgeschätzten Beiträgen der thermischen Ausdehnung des Ozeans und seines Massenzuwachses. Sie stellen also ein ‚Meeresspiegelbudget‘ auf. Den Massenzuwachs des Ozeans kann man ermitteln, indem man die Beiträge aus der Massenabnahme des Grönländischen Eisschildes, des Antarktischen Eisschildes und aller übrigen Gletscher weltweit sowie den Beitrag der Änderung kontinentaler Wasserspeicherung einzeln bestimmt. Der Massenzuwachs kann alternativ auch direkt von Satelliten gemessen werden, die kleinste Änderungen der Schwerkraft messen, wie sie durch eine Zu- oder Abnahme von Wasser- und Eismassen in einer bestimmten Region verursacht werden.

Die Europäische Weltraumagentur ESA stellt im Rahmen ihrer Climate Change Initiative (CCI) langfristige, globale Datenreihen von Klimavariablen bereit, die aus Messungen von Erdbeobachtungssatelliten gewonnen werden. Einige dieser Datenreihen stehen mit dem Meeresspiegel in Zusammenhang. Im Projekt „CCI Sea Level Budget Closure“ hat nun ein Konsortium aus zehn europäischen Forschungseinrichtungen diese Datenreihen gemeinsam mit Blick auf das Meeresspiegelbudget analysiert. Datensätze, die innerhalb von CCI nicht vorlagen, wurden speziell für diesen Zweck erstellt oder von anderen Quellen hinzugezogen.

Hintergründe zu Messmethoden und Modell-Berechnungen
Dichteänderungen des Ozeanwassers, und damit dessen thermische Ausdehnung, wurden mit Hilfe einer neuartigen Kombination von Temperatur- und Salzgehaltsmessungen des Argo-Treibbojen-Netzwerks mit aus Satellitendaten abgeleiteten Meeresoberflächentemperaturen bestimmt. Um Änderungen des Grönländischen und Antarktischen Eisschildes zu bestimmen, wurden sowohl Satellitenmessungen von Höhenänderungen der Oberfläche als auch Satellitenmessungen von Änderungen der Erdanziehungskraft herangezogen. Änderungen der Gletscher weltweit wurden durch ein globales Gletschermodell, gestützt durch Fernerkundungsdaten, ermittelt. Kontinentale Wasserspeicherungsänderungen wurden durch ein globales Hydrologie-Modell berechnet, dafür wurde dessen Erfassung der Grundwasserentnahme weiterentwickelt.

Von 1993 bis 2016 stieg der globale Meeresspiegel laut Satellitenmessungen im Mittel um 3,0 Millimeter pro Jahr (mm/Jahr). Der Beitrag thermischer Ausdehnung wird mit 1,1 mm/Jahr abgeschätzt. Das sind 38 % des gemessenen Meeresspiegelanstiegs. Der Massenbeitrag wurde mit 1,7 mm/Jahr ermittelt (57 % des gemessenen Anstiegs). Er enthält 0,6 mm/Jahr (21 %) von den Gletschern außerhalb von Grönland und Antarktis, 0,6 mm/Jahr (20 %) von Grönland, 0,2 mm/Jahr (6 %) von der Antarktis und 0,3 mm/Jahr (10 %) von der Abnahme der kontinentalen Wasserspeicherung. Im jüngeren Teilzeitraum von 2003 bis 2016 war der Meeresspiegelanstieg stärker (3,6 mm/Jahr), weil der Massenbeitrag zugenommen hat. Dieser betrug nun etwa 2,4 mm/Jahr und damit 66% des gesamten Meeresspiegelanstiegs, während der thermische Ausdehnungseffekt mit etwa gleichbleibenden 1,2 mm/Jahr nur noch 33 % ausmachte. Die Ergebnisse stehen im Einklang mit anderen Studien der letzten Zeit. Durch die hier erfolgte Weiterentwicklungen von Methoden und Datensätzen gewinnen sie noch einmal an Zuverlässigkeit. Dafür sorgt nicht zuletzt, dass die erreichbaren Genauigkeiten für alle Teilgrößen nach einem einheitlichen Schema beziffert werden. Die sich daraus ergebende Restunsicherheit beläuft sich auf etwa 10 % des Meeresspiegelanstiegs. Tatsächlich passen der gemessene Meeresspiegelanstieg und die Summe der Beiträge bis auf diese Restunsicherheit zusammen.

Aus der Studie ergibt sich weiterer Forschungsbedarf zum Verständnis der Satellitenmessungen und der betrachteten physikalischen Prozesse. Beispielsweise beeinflussen Bewegungen der festen Erde unter dem Ozean einige Satellitenmessungen. Diese Effekte müssen von Änderungen im eigentlichen Ozean unterschieden werden und tragen zur Restunsicherheit im Meeresspiegelbudget bei.

Zitate
Martin Horwath (Technische Universität Dresden) wissenschaftlicher Leiter der Studie: „In diese Neuaufstellung des Meeresspiegelbudgets fließt neben Weiterentwicklungen von Datenprodukten vor allem auch die Abstimmung von Experten unterschiedlicher Disziplinen ein, aus der ein einheitlicher Rahmen für die Analysen erwachsen ist.“
Er ergänzt: „Ein Teil der Ergebnisse ging bereits 2021 in den Sechsten Sachstandsberichts des Weltklimarats IPCC ein. Nun stehen alle Datenreihen und ihre Dokumentation bereit.“

Jérôme Benveniste (ESA/ESRIN), der die Studie initiiert und betreut hat, fügt hinzu: „Dies ist ein Ertrag von Forschung und Entwicklung an der Auswertung von Erdbeobachtungsdaten, die im Rahmen der Climate Change Initiative (CCI) der ESA über viele Jahre vorangetrieben wurde. Es ist schön zu erleben, wie die Datenreihen wesentlicher Klimavariablen (Essential Climate Variables) aus CCI-Projekten sich zu einem stimmigen und präzisen Bild des Klimas und seiner Änderungen zusammenfügen. Die Arbeit endet nicht bei diesem beeindruckenden Meilenstein. Weitere Fragen, zum Beispiel zur Klimavariabilität und ihrer Entwicklung, bleiben zu beantworten.“

Benjamin Gutknecht (Technische Universität Dresden), Projektwissenschaftler, erläutert: „In dieser Studie war es uns auch wichtig aufzuzeigen, in welchem Maße Messergebnisse von der Auswertemethodik beeinflusst werden können. Indem wir zum Beispiel neue Erkenntnisse zur Massenumverteilung der festen Erde berücksichtigen, erhalten wir eine neue Einschätzung darüber, wie zuverlässig die Ergebnisse zum Trend der Ozeanmasse tatsächlich sind. Die Trennung solcher Effekte in den Messungen bleibt eine Herausforderung.“

Petra Döll (Goethe Universität Frankfurt), als Mitautorin verantwortlich für die Abschätzung des Beitrags kontinentaler Wasserspeicherungsänderungen zum Meeresspiegel: „Die kontinentale Wasserspeicherung schwankt saisonal und von Jahr zu Jahr, und dies spiegelt sich darin wider, dass der Meeresspiegel im globalen Mittel um einige Millimeter auf und ab schwankt. Insgesamt hat die Wasserspeicherung an Land, besonders die Speicherung von Grundwasser, in den letzten Jahrzehnten aber abgenommen und damit den Meeresspiegelanstieg verstärkt.“

Originalpublikation:
Horwath, M., Gutknecht, B. D., Cazenave, A., Palanisamy, H. K., Marti, F., Marzeion, B., Paul, F., Le Bris, R., Hogg, A. E., Otosaka, I., Shepherd, A., Döll, P., Cáceres, D., Müller Schmied, H., Johannessen, J. A., Nilsen, J. E. Ø., Raj, R. P., Forsberg, R., Sandberg Sørensen, L., Barletta, V. R., Simonsen, S. B., Knudsen, P., Andersen, O. B., Ranndal, H., Rose, S. K., Merchant, C. J., Macintosh, C. R., von Schuckmann, K., Novotny, K., Groh, A., Restano, M., and Benveniste, J.: Global sea-level budget and ocean-mass budget, with a focus on advanced data products and uncertainty characterisation, Earth System Science Data, 14, 411–447, 2022.
pdf: https://essd.copernicus.org/articles/14/411/2022/essd-14-411-2022.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: DLR.

28. Januar 2022 – Der Südpol hat neue Sorgenkinder. Eine Gruppe von kleineren Gletschern schmilzt schneller als erwartet: Pope, Smith und Kohler. Bisher standen die benachbarten Eisgiganten Thwaites und Pine Island im Fokus der Forschung, da sie sehr fragil sind und den globalen Meeresspiegel um bis zu 1,2 Meter ansteigen lassen könnten. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat die Veränderungen in der Westantarktis gemeinsam mit internationalen Forschungspartnern aufgedeckt und analysiert. Den Ursachen für die rapiden Abschmelzungen der kleineren Gletscher kamen sie mithilfe spezieller Radardaten der Satellitenmissionen TanDEM-X und COSMO-SkyMed auf die Spur.

Die gewonnenen Erkenntnisse sind wichtig, um Gletscherprozesse besser zu verstehen und so die Entwicklung der gesamten Antarktis vorherzusagen. Klimaforschende können dann künftig noch genauer berechnen, wie stark der Meeresspiegel ansteigen wird und welche Schutzmaßnahmen am wirkungsvollsten sind. Die neue Studie ist aktuell im Fachjournal „Nature Geoscience“ veröffentlicht. Sie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit von der University of Houston, dem DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme, der University of California, der Université Grenoble Alpes sowie der italienischen Raumfahrtagentur ASI.

Komplexe Schmelzprozesse
Die Gletscher Pope, Smith und Kohler sind in den letzten 30 Jahren deutlich geschrumpft: Sie sind dünner geworden, haben Schelfeis an den Ozean verloren und sich weiter ins Land zurückgezogen. Auffällig war hier der Rückgang der Aufsetzlinie, also die Grenze, an der das Eis den Kontakt zum Festland verliert und beginnt, auf dem Meer zu schwimmen. Daher richteten die Radar-Expertinnen und -Experten ein Augenmerk auf diesen Übergangsbereich. So konnten sie auch erstmals drastische Veränderungen des Pope-Gletschers nachweisen, der sich 2017 innerhalb von nur drei Monaten mit einer Geschwindigkeit von 11,7 Kilometer pro Jahr zurückzog.

Erdbeobachtungssatelliten sind für die Gletscher- und Klimaforschung unverzichtbar geworden. „Früher mussten wir jahrelang warten, bis wir endlich verwertbare Daten zu den Polregionen hatten. Dank der hochleistungsfähigen Satellitenmissionen TanDEM-X und COSMO-SkyMed können wir die Polregionen heute im Monatsrhythmus analysieren. Aus den Aufnahmen und mit neuen Methoden zur Datenauswertung gewinnen wir zudem eine völlig neue Ebene an Details, um Gletscher- und Klimamodelle weiter zu verbessern“, erzählt DLR-Gastwissenschaftler Prof. Pietro Milillo von der University of Houston, Texas. Durch die gezielte Analyse von TanDEM-X-Zeitreihen konnten sie die Veränderungen sogar im Zwei-Wochen-Takt statt alle vier Wochen nachvollziehen.

Die neue Studie liefert damit ein weiteres wichtiges Puzzleteil für die Gletscher- und Klimaforschung. Die physikalischen Schmelzprozesse von Pope, Smith und Kohler laufen ja bei den anderen Gletschern rund um die Amundsen-See identisch ab. Die Riesen Thwaites und Pine Island könnten mit ihren hohen Masseverlusten die restliche Westantarktis destabilisieren, mit verheerenden Folgen für das Leben auf der Erde. Wenn Klimamodelle künftig berücksichtigen, wie stark eine schwimmende Eisplatte von unten schmilzt, könnten sie auch den Rückgang von Gletschern noch genauer bestimmen.

Schlüsselprozess: Abschmelzen der freischwimmenden Gletscherunterseite
Die Unterseite eines Gletschers entzieht sich unseren Blicken, sodass der Eisverlust nicht direkt messbar ist. Mithilfe von digitalen TanDEM-X-Höhenmodellen konnten die Wissenschaftler diese verborgene Schmelzrate nun genau bestimmen. Während zum Beispiel der Smith-Gletscher über Land im Zeitraum von 2011 bis 2019 etwa fünf Meter pro Jahr abschmolz, betrug die Schmelzrate an der frei schwimmenden Gletscherunterseite ungefähr 22 Meter pro Jahr. An bestimmten Stellen wies Smith sogar Schmelzraten von mehr als 100 Meter pro Jahr auf, mit einem Spitzenwert von 140 Meter pro Jahr in 2016.

Einige Untersuchungen mit Klimamodellen bestätigten, dass die Computerberechnungen der Aufsetzlinie nur dann mit den tatsächlichen Messungen übereinstimmen, wenn sie die neuen Werte der Schmelzrate miteinkalkulieren. Darüber hinaus haben die neuen Radardaten und Erkenntnisse den Forschungsverbund International Thwaites Glacier Collaboration maßgeblich dabei unterstützt, Messkampagnen vorzubereiten und geeignete Stellen für Testbohrungen auszuwählen.

„Für die Bestimmung der Abschmelzraten haben wir am DLR zusätzlich mehr als 240 digitale TanDEM-X-Höhenmodelle erzeugt, die die Westantarktis von 2011 bis 2019 hochgenau abbilden“, sagt Co-Autorin Dr. Paola Rizzoli vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme. Dazu gehört eine eingespielte Produktion: Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum ist für den Betrieb von TerraSAR-X und TanDEM-X verantwortlich und kommandiert die Zwillingssatelliten für die benötigten Aufnahmen. Aufgezeichnet werden die Radardaten vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum an seinen Empfangsstationen in Neustrelitz, Inuvik (kanadische Arktis) und GARS O’Higgins (Antarktis). Das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung liefert die Eingangsdaten für die automatisierte TanDEM-X-Prozessierungskette. Die interferometrische Prozessierung, Geokodierung und Kalibrierung der TanDEM-X-Aufnahmen wurde am DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme implementiert und durchgeführt.

Zukunft L-Band
Die Spitzenposition Deutschlands im Bereich Radarforschung und Radartechnologie ermöglicht die Entwicklung einer neuen Generation von Radarsatelliten, die die dringend benötigten Datengrundlagen für Forschung und Weltgemeinschaft erweitern. Dadurch können Wissenslücken geschlossen und Lösungen für globale gesellschaftliche Herausforderungen erarbeitet werden. Die technischen wie auch wissenschaftlichen Kompetenzen können für künftige Satellitenmissionen, vor allem im L-Band, weiter ausgebaut werden.

Radarsatelliten mit einem langwelligen Frequenzbereich haben den Vorteil, dass sie auch durch Vegetation hindurch bis zum Boden blicken können. In den Polregionen könnte eine Radarmission im L-Band Gletscherstrukturen und dynamische Prozesse wie das Abschmelzen noch genauer abbilden. Deutschland könnte hier weiter neue Maßstäbe in der Erdbeobachtung setzen, den globalen Wandel mit einer neuen Qualität beobachten und wichtige Handlungsempfehlungen ermöglichen.

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• TanDEM-X auf Dnepr

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