Quelle: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung 3. Juni 2024.

3. Juni 2024 – Permafrostböden speichern viel CO₂ und werden oft als kritisches Kippelement im Erdsystem bezeichnet, das ab einer bestimmten Erderwärmung plötzlich und weltweit kollabiert. Doch das Bild einer tickenden Zeitbombe, die sich zunächst eher ruhig verhält und erst bei einem bestimmten Erwärmungsschwellenwert zündet, ist in der Forschung umstritten. Nach wissenschaftlicher Datenlage ist dieses Bild nicht korrekt, wie nun ein internationales Studienteam unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts zeigen konnte. Demnach gibt es nicht einen bestimmten globalen Klima-Kipppunkt, sondern viele lokale und regionale Kippelemente, die zu verschiedenen Zeitpunkten „zünden“, über die Zeit akkumulieren und den Permafrost so im Gleichschritt mit dem Klimawandel tauen lassen. Schnelles Handeln in der Gegenwart wird somit noch dringlicher, um möglichst viel Permafrost zu erhalten. Die Studie wurde nun im Fachmagazin Nature Climate Change veröffentlicht.

Permafrostböden bedecken etwa ein Viertel der Landfläche auf der Nordhalbkugel und speichern Unmengen von organischem Kohlenstoff in Form von abgestorbenen Pflanzenresten. Diese werden im gefrorenen Zustand nicht abgebaut. Erst wenn der Permafrost taut, werden Mikroorganismen aktiv und setzen viel Kohlenstoff als CO₂ und Methan in die Atmosphäre frei. Die steigenden globalen Temperaturen könnten diese gigantischen Speicher also aktivieren und den Klimawandel durch zusätzliche Emissionen massiv verstärken. In der öffentlichen Debatte ist deshalb immer wieder von einer „tickenden Kohlenstoff-Zeitbombe“ die Rede. Dies beruht auf der Annahme, dass der Permafrost ähnlich wie der Eisschild auf Grönland eines von mehreren Kippelementen im Erdsystem ist. Demnach schwindet der Permafrost im Zuge der globalen Erwärmung zunächst nur langsam. Erst beim Überschreiten eines kritischen Schwellenwertes verstärken sich die Auftauprozesse plötzlich selbst und ein rasanter, unumkehrbarer globaler Permafrost-Kollaps setzt ein. Obwohl ein solches Auftauszenario häufig vermutet wird, konnte bislang nicht geklärt werden, ob ein solcher Schwellenwert wirklich existiert und bei welcher Temperatur dieser überschritten werden könnte.

Dieser Frage ging nun ein internationales Forschungsteam um Dr. Jan Nitzbon vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) auf den Grund. „Tatsächlich ist die Darstellung des Permafrosts als globales Kippelement in der Forschung umstritten. Auf diese Unklarheit weist auch der Weltklimarat IPCC in seinem letzten Sachstandsbericht hin“, sagt der AWI-Forscher. „Wir wollten diese Wissenslücke schließen. Dazu haben wir für unsere Studie die verfügbare wissenschaftliche Literatur zu den Prozessen zusammengetragen, die das Auftauen von Permafrost beeinflussen und beschleunigen können. Unterlegt mit einer eigenen Datenanalyse haben wir alle aktuellen Erkenntnisse zu Auftauprozessen daraufhin bewertet, ob und auf welcher räumlichen Skala – lokal, regional, global – sie zu einem selbsterhaltenden Auftauen und somit zu einem ‘Kippen‘ bei einem bestimmten Erwärmungsschwellenwert führen können.“

Im Ergebnis zeigt die Studie klar: Es gibt sich selbst verstärkende, teilweise unumkehrbare geologische, hydrologische und physikalische Prozesse, diese wirken jedoch nur lokal oder regional. Ein Beispiel ist die Bildung sogenannter Thermokarst-Seen. Dabei schmilzt Eis in Permafrostböden, die daraufhin absinken. Das Schmelzwasser sammelt sich an der Oberfläche und bildet einen dunklen See, der viel Sonnenenergie absorbiert. Dadurch verstärkt sich die Erwärmung des Permafrosts unter dem See weiter und es entsteht ein sich selbst erhaltender Tauprozess in dem Gebiet um den See. Ähnliche verstärkende Rückkopplungen fanden sich auch bei anderen für den Permafrost relevanten Prozessen wie dem Verlust von borealen Nadelwäldern durch Brände – auch hier jedoch nur im lokalen bis regionalen Maßstab. „Es gibt keine Evidenz für sich selbst verstärkende interne Prozesse, die ab einem bestimmten Grad der globalen Erwärmung den gesamten Permafrost gleichzeitig erfassen und das Tauen global beschleunigen würden“, erklärt Jan Nitzbon. „Auch die geschätzte Freisetzung von Treibhausgasen würde mindestens bis zum Ende des Jahrhunderts nicht zu einem globalen Sprung in der Erderwärmung führen. Deshalb ist die Darstellung des Permafrosts als globales Kippelement irreführend.“

Eine Entwarnung für den Permafrost bedeutet dies allerdings nicht – ganz im Gegenteil. Denn die Studie macht deutlich, dass die Permafrostzone sehr heterogen ist. Viele kleine lokale Kipppunkte werden deshalb zu unterschiedlichen Zeiten und Erwärmungslevels überschritten und akkumulieren über die Zeit. Dadurch verläuft das weltweite Tauen des Permafrosts nicht langsam ansteigend und dann mit einem plötzlichen Sprung, sondern im Gleichschritt mit der globalen Erwärmung ansteigend bis zum Totalverlust bei etwa 5 bis 6 Grad Celsius globaler Erderwärmung. „Das bedeutet, dass schon heute und auch in naher Zukunft mehr und mehr Gebiete unausweichlich vom Auftauen betroffen sind“, sagt der AWI-Forscher. „Es gibt also – und so suggeriert es das Bild des Kipppunktes – keinen beruhigenden Erwärmungsspielraum, den man bis zum Schwellenwert noch ausreizen kann. Deshalb müssen wir die Permafrostgebiete mit noch besserem Monitoring im Auge behalten, die Prozesse noch besser verstehen und in Klimamodellen abbilden, um die Unsicherheiten noch weiter zu reduzieren. Und klar ist auch: Je schneller wir bei einem an die Treibhausgas-Emissionen gekoppelten Permafrostverlust als Menschheit Netto-Null-Emissionen erreichen, desto mehr Gebiete bleiben als einzigartiger Lebensraum und Kohlenstoffspeicher erhalten.“

Originalpublikation
Nitzbon, J., Schneider von Deimling, T., Aliyeva, M., Chadburn, S. E., Grosse, G., Laboor, S., Lee, H., Lohmann, G., Steinert, N., Stuenzi, S., Werner, M., Westermann, S., & Langer, M. (2023). No respite from permafrost-thaw impacts in the absence of a global tipping point. Accepted for Nature Climate Change. DOI: 10.1038/s41558-024-02011-4
https://www.nature.com/articles/s41558-024-02011-4

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Bern 11. August 2023.

11. August 2023 – Gibt es eine Notlösung, mit der sich der Klimawandel aufhalten liesse? Unter dem Begriff Geoengineering werden technische Methoden, die das Klima künstlich beeinflussen, seit längerem diskutiert. Allerdings wurden sie in der Klimaforschung bis anhin mehrheitlich kritisch beurteilt: hohe Risiken, unabwägbare Folgen für künftige Generationen.

In einer soeben in der Fachzeitschrift «Nature Climate Change» erschienen Publikation gehen Forschende um Johannes Sutter von der Abteilung Klima und Umweltphysik (KUP) am Physikalischen Institut und vom Oeschger-Zentrum für Klimaforschung der Universität Bern nun der Frage nach, ob sich durch künstliche Beeinflussung der Sonneneinstrahlung das Abschmelzen des Eises in der Westantarktis verhindern liesse. Zudem warnen die Forschenden vor nicht absehbaren Nebenwirkungen von Geoengineering.

Vermeidung eines zentralen Klima-Kipppunktes
«Das Zeitfenster, in dem sich der globale Temperaturanstieg auf unter 2 Grad beschränken lässt, schliesst sich schnell», sagt der Eismodellierungs-Spezialist Johannes Sutter, «es ist deshalb möglich, dass technische Massnahmen zur Beeinflussung des Klimas in Zukunft ernsthaft in Erwägung gezogen werden.» Deshalb sei es nötig, in theoretischen Modellen die Auswirkungen und Risiken eines «Managements der Sonneneinstrahlung» zu untersuchen. Der englische Begriff Solar Radiation Management (SRM) fasst verschiedene Methoden zusammen, welche die Sonnenstrahlung abhalten und so dafür sorgen sollen, dass es auf der Erde kühler wird.

Ein entscheidender Grund für das gestiegene Interesse am Geoengineering liegt im Vermeiden von Kipppunkten, bei denen sich das Klima abrupt und unumkehrbar verändern könnte. Dazu zählen unter anderem das Abschmelzen des Westantarktischen und des Grönländischen Eisschilds und der damit verbundene meterhohe Anstieg des Meeresspiegels. «Beobachtungen der Eisflüsse in der Westantarktis deuten darauf hin, dass wir uns sehr nahe an einem sogenannten Kipppunkt befinden oder ihn bereits überschritten haben», erklärt Johannes Sutter, «deshalb wollten wir mit unserer Studie herausfinden, ob sich ein Kollabieren des Eisschilds mit Solar Radiation Management theoretisch verhindern liesse.»

Die Sonne künstlich abdunkeln
Konkret haben Sutter und seine Kollegen untersucht, was geschehen würde, wenn es gelänge, mit in die Stratosphäre eingebrachten sogenannten Aerosolen – Schwebeteilchen in einem Gas – Sonnenstrahlung von der Erde abzuhalten – einem Abdunkeln der Sonne gewissermassen. Bisher wurden vor allem die globalen Auswirkungen von Solar Radiation Management (SRM) erforscht. Die Berner Studie ist die erste, die mit Hilfe von Eismodellsimulationen zeigt, welche Wirkung eine solche Massnahme auf das Antarktische Eisschild hätte. Die Studie untersucht die mögliche Entwicklung des Eisschilds unter verschiedenen zukünftigen Treibhausgas-Szenarien und kommt zu differenzierten Ergebnissen: Gehen die Emissionen ungebrochen weiter und erfolgt das SRM Mitte dieses Jahrhunderts, liesse sich der Kollaps des Westantarktischen Eischildes etwas hinauszögern, aber nicht verhindern. In einem mittleren Emissionsszenario könnte sich bis Mitte Jahrhundert eingesetztes SRM als «effektives Werkzeug» erweisen, um das Kollabieren des Eisschilds zu verlangsamen oder sogar zu verhindern.

Gemäss den Modellberechnungen wirkt SRM dann am besten, wenn es möglichst früh erfolgt und mit ehrgeizigen Klimaschutzmassnahmen kombiniert wird. Doch, so betonen die Studienautoren, «unsere Simulationen zeigen, dass der effektivste Weg zur Verhinderung eines langfristigen Zusammenbruchs des Westantarktischen Eisschildes eine rasche Dekarbonisierung ist». Die Chancen auf einen längerfristig stabilen Eisschild sind dann am grössten, wenn die Treibausgasemissionen «ohne Verzögerung» auf Netto-null reduziert würden.

Mögliche Nebenwirkungen noch kaum untersucht
Doch wie muss man sich ein Abdunkeln der Sonne praktisch vorstellen? Gemäss Johannes Sutter müsste eine ganze Flotte von extrem hochfliegenden Flugzeugen Millionen von Tonnen Aerosole in der Stratosphäre ausbringen. Dieser technische Eingriff ins Klima müsste jedoch ohne Unterbruch und über Jahrhunderte aufrechterhalten werden. Würde die Intervention gestoppt, solange die Treibhauskonzentration in der Atmosphäre hoch bleibt, stiege die Temperatur auf der Erde sprunghaft um mehrere Grad an.

Die Folgen eines solchen Abbruchschocks, so gibt Johannes Sutter zu bedenken, sind nur eine der möglichen Gefahren, die von SRM ausgehen. Noch sind die potenziellen Nebenwirkungen ungenügend erforscht, aber sie reichen von einer Verschiebung des Monsunregimes bis zur Veränderung von Ozean- und Atmosphärenzirkulation. Auch würde die Versauerung der Ozeane weiter voranschreiten. Kritische Stimmen mahnen zudem politische und gesellschaftliche Effekte an: Der Einsatz von Techniken wie dem Abdunkeln der Sonne könnte dazu führen, dass Klimaschutzmassnahmen verlangsamt oder gar verhindert würden. Thomas Stocker, Professor für Klima- und Umweltphysik an der Universität Bern und Mitautor der Studie, sagt: «Geoengineering wäre ein weiteres globales Experiment und ein potenziell gefährlicher Eingriff der Menschen in das Klimasystem, was gemäss Artikel 2 der UNO-Klimarahmenkonvention auf jeden Fall verhindert werden sollte.»

Oeschger-Zentrum für Klimaforschung
Das Oeschger-Zentrum für Klimaforschung (OCCR) ist eines der strategischen Zentren der Universität Bern. Es bringt Forscherinnen und Forscher aus 14 Instituten und vier Fakultäten zusammen. Das OCCR forscht interdisziplinär an vorderster Front der Klimawissenschaften. Das Oeschger-Zentrum wurde 2007 gegründet und trägt den Namen von Hans Oeschger (1927-1998), einem Pionier der modernen Klimaforschung, der in Bern tätig war.
Weitere Informationen: www.oeschger.unibe.ch

Publikation
Climate intervention on high emission pathway could delay but not prevent West Antarctic Ice Sheet demise, J. Sutter, A. Jones, T. L. Frölicher, C. Wirths, T. F. Stocker, 10 August, 2023, Nature Climate Change.
doi.org/10.1038/s41558-023-01738-w,
https://www.nature.com/articles/s41558-023-01738-w,
pdf: https://www.nature.com/articles/s41558-023-01738-w.pdf;

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