Was lässt den Meeresspiegel steigen?

Letzte Woche wurde die Fachgemeinde durch die These geschockt, 42 Prozent des Meeresspiegelanstiegs der letzten Jahrzehnte sei auf die Grundwassernutzung zur Bewässerung zurückzuführen. Was könnte das für die Zukunft bedeuten – und stimmt die Zahl überhaupt?

Die Ursachen des globalen Meeresspiegelanstiegs kann man grob in drei Kategorien aufteilen: (1) die thermische Ausdehnung des Meerwassers, (2) das Schmelzen von Landeis und (3) Veränderungen in den an Land gespeicherten Mengen an flüssigem Wasser. Für diese Beiträge gibt es unabhängige Abschätzungen, und eine wichtige Frage ist natürlich, ob die Summe der so abgeschätzten Beiträge dem tatsächlich gemessenen Meeresspiegelanstieg entspricht.

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Foto (c) SR

Im letzten IPCC-Bericht (2007) wurde der Zeitraum 1961-2003 näher analysiert, und es zeigte sich ein Problem: die Summe der Einzelbeiträge war geringer als der tatsächlich gemessene Anstieg – allerdings waren auch die Unsicherheiten groß. Inzwischen ist viel Forschungsarbeit in ein genaueres Verständnis aller Beiträge investiert worden. Für das letzte Jahrzehnt gibt es auch verbesserte Beobachtungstechniken, z.B. durch die GRACE Satellitenmission oder die tausenden autonomen ARGO-Floats, die weltweit die Erwärmung der Ozeane messen.

Letztes Jahr wurde von Church et al. (2011) ein neues Meeresspiegel-Budget erstellt (siehe Abb. 1). Für den Zeitraum 1972-2008 ist das Budget geschlossen, bei einem Gesamtanstieg von rund 7 Zentimetern. Etwas mehr als die Hälfte davon ist auf das Schmelzen von Landeis zurückzuführen, etwas weniger als die Hälfte auf thermische Ausdehnung. Die Wasserspeicherung an Land liefert einen geringen negativen Beitrag, weil die Speicherung in Stauseen (die den Meeresspiegel senkt) größer abgeschätzt wird als die Entnahme von fossilem Grundwasser zur Bewässerung (das dann größtenteils im Meer endet). Auch für den kürzeren Zeitraum 1993-2008 (für den es Messungen des globalen Meeresspiegelanstiegs durch Satelliten gibt, er liegt bei rund 3 Millimeter pro Jahr) schließen Church und Kollegen erfolgreich das Meeresspiegelbudget. Allerdings sind die Unsicherheiten der Beiträge immer noch so groß, dass das Problem nicht als völlig gelöst angesehen werden kann. Dieses Paper definiert aber den gegenwärtigen „state of the art“, an dem sich neuere Ergebnisse messen lassen müssen.

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Abb. 1. Meeresspiegelanstieg 1961-2008. Links sind die Einzelkomponenten aufgezeigt, rechts der Vergleich der Summe der Einzelkomponenten (rot) mit dem gemessenen Anstieg (schwarz). Grafik aus Church et al. 2011.

Der Grundwasser-Schock

Am 20. Mai erschien in Nature Geoscience eine japanische Modellrechnung zur Wasserspeicherung an Land (Pokhrel et al. 2012), die die Fachwelt mit dem Schluss überraschte, 42 Prozent des Meeresspiegelanstiegs (rund 3 von 8 cm) im Zeitraum 1961-2003 gingen auf eine Abnahme der Wasserspeicherung zurück. Im Unterschied zu früheren Studien wurde die Speicherung in Stauseen geringer angenommen, vor allem aber das Abpumpen von fossilem Grundwasser um ein Mehrfaches höher berechnet.

Sind diese neuen Zahlen realistisch? Ich und viele Kollegen haben da ernsthafte Zweifel. Es handelt sich hier um eine Modellrechnung, deren Ergebnis in markantem Widerspruch zu datenbasierten Abschätzungen steht. Die Rechnung beruht auf der folgenden simplen Annahme: es wurde erstens der Wasserbedarf abgeschätzt, zweitens die Verfügbarkeit von Oberflächenwasser, und dann wurde angenommen, dass die Differenz komplett durch Nutzung fossilen Wassers ausgeglichen wird. Über den Realismus dieser Annahme kann man sicher diskutieren – mir scheint sie Gefahr zu laufen, die Entnahme fossilen Wassers stark zu überschätzen.

Auch über die Unsicherheiten muss man diskutieren: es werden zwei große, unsichere Zahlen voneinander abgezogen. Eine Unsicherheitsabschätzung dazu gibt es nicht – es wird einfach eine Zahl mit drei signifikanten Stellen als Ergebnis angegeben (359 km3 pro Jahr für 1950-2000). Dies ist fast das Fünffache der Rate von 82 ±22 km3 pro Jahr, die Konikow (2011) für 1961-2008 aufgrund von Daten der Grundwassernutzung berechnet hat. Hydrologen argumentieren, dass die von Pokhrel et al. genannte riesige Menge an Grundwasser unmöglich abgepumpt worden sein kann, ohne dass dies von Grundwasserhydrologen bemerkt wurde. Stutzig macht auch die Tatsache, dass laut Pokhrel et al. für den Zeitraum 1950-2000 weniger als 20 Prozent des Meeresspiegelanstiegs auf das Landwasser zurückzuführen sind, nicht 42 Prozent wie für 1961-2003. Laut Rückfrage bei Pokhrel entsteht dies dadurch, dass der Beitrag von 2000 bis 2003 kurzfristig stark angestiegen ist und die Zahlen einfach aus der Differenz der Endpunkte (also dem Wert von 2003 minus dem von 1961) berechnet wurden. 2003 war ein Dürrejahr mit wetterbedingt wenig Wasser an Land. Church et al. berechnen ihr Budget dagegen auf Grundlage der linearen Trends – also auf Basis aller Datenpunkte, nicht nur der Endjahre, was wesentlich robuster ist.

Pokhrel et al. erwähnen übrigens das Paper von Church et al. überhaupt nicht; sie beziehen sich bei der Diskussion des Meeresspiegel-Budgets noch auf das im IPCC-Bericht gefundene „fehlende Wasser“, das sie nun gefunden hätten. Der Eigenwerbung der Forscher folgend hatten viele Medienberichte den Tenor „Rätsel um steigenden Meeresspiegel gelöst“.

Bedeutung für den künftigen Anstieg

Sollten die Zahlen von Pokhrel et al. doch stimmen, was bedeutet das für die Zukunft? Es gibt zwei Methoden, den künftigen Anstieg des Meeresspiegels abzuschätzen: komplexe prozessbasierte Modelle, die alle Einzelbeiträge (z.B. die Eisschmelze) unter veränderten Klimabedingungen zu berechnen versuchen, und semi-empirische Modelle, die an der Vergangenheit kalibriert sind und sich den beobachteten Zusammenhang von globaler Temperatur und Meeresspiegel zunutze machen (siehe Modeling sea level rise auf der Nature Education Seite). Beide Ansätze haben ihre Probleme und Grenzen – welcher näher an die künftige Wahrheit herankommt, vermag heute noch niemand seriös zu entscheiden.

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Abb. 2. Veränderung des Meeresspiegels in Millimeter pro Jahr aufgrund der Beiträge der Grundwassernutzung (schwarze Kurven – Abschätzung auf Basis der Datensätze von Konikow und Wada et al) und Wasserspeicherung in Stauseen (blau – dieser Beitrag ist negativ, senkt also den Meeresspiegel). Grafik aus Rahmstorf et al. (2011).

Für die prozessbasierten Modelle würden sich die Zukunftsprognosen einfach um den nach Pokhrel viel höheren Beitrag der Nutzung fossilen Wassers erhöhen. Wir haben letztes Jahr einfache Projektionen dieses Faktors für die Zukunft publiziert (Rahmstorf et al. 2011, siehe Abb. 2), auf Basis der o.g. Daten von Konikow (2011) und einer anderen Studie von Wada et al. (2010) sowie Projektionen der Bevölkerungsentwicklung. In der oberen der beiden Kurven erhöht die Grundwassernutzung den Meeresspiegel um 10 Zentimeter bis 2100. Ginge man auf Basis von Pokhrel et al. auch für die Zukunft von rund der doppelten Grundwassernutzung aus, könnten so grob geschätzt 20 Zentimeter zusätzlicher Meeresspiegelanstieg zusammen kommen. Eine ebenfalls diesen Monat erschienene Studie von Wada et al. (2012) liefert übrigens eine wesentlich detailliertere Projektion bis 2050, die zwischen unseren beiden hier gezeigten Kurven liegt. 

Für die semi-empirischen Modelle wäre die Auswirkung geringer, weil sich hier zwei Anteile teilweise kompensieren: einerseits käme auch hier der eben erwähnte zusätzliche Anstieg hinzu, andererseits würde aber der klimabedingte Anstieg geringer ausfallen, weil auch der klimatisch verursachte Anteil am vergangenen Anstieg dann geringer ist, was die Kalibrierung des Modells beeinflusst. In unserem Paper fanden wir, dass daher die Berücksichtigung der Grundwassernutzung nach Wada (obere Kurve in Abb. 2) die Projektionen für ein moderates Treibhausszenario um knapp 6 Zentimeter gesenkt hat. Gehen wir auch hier davon aus, dass Pokhrels Zahlen rund doppelt so hoch sind, auch für die Zukunft, würde der Anstieg mit seinen Zahlen 91 Zentimeter betragen, im Vergleich zu 98 Zentimetern in unserem ‚Standardfall‘ (der die untere, Konikow-Kurve benutzt).

Insgesamt würden die neuen Zahlen also die prozessbasierten Projektionen erhöhen und die semi-empirischen absenken, was die beiden Methoden näher zusammen brächte und insofern aus meiner Sicht erfreulich wäre. Allein mir fehlt der Glaube.

Weblink

Meeresspiegelseiten des PIK

Literatur

Church, J.A. et al (2011) Revisiting the Earth’s sea-level and energy budgets from 1961 to 2008, Geophys Res Lett 38, L18601, doi:10.1029/2011GL048794

Konikow LF (2011) Contribution of global groundwater depletion since 1900 to sea-level rise. Geophys Res Lett 38:5. doi:10.1029/2011gl048604

Pokhrel, Y.A. et al (2012) Model estimates of sea-level change due to anthropogenic impacts on terrestrial water storage. Nature Geoscience, doi:10.1038/NGEO1476

Rahmstorf, S, Perrette, M & Vermeer, M (2011) Testing the robustness of semi-empirical sea level projections. Clim. Dynam. 97,
1-15, http://dx.doi.org/10.1007/s00382-011-1226-7

Wada Y, van Beek LPH, van Kempen CM, Reckman J, Vasak S, Bierkens MFP (2010) Global depletion of groundwater resources. Geophys Res Lett 37:L20402. doi:10.1029/2010gl044571

Wada, Y et al (2012) Past and future contribution of global groundwater depletion to sea-level rise. Geophys Res Lett 39, L09402, doi:10.1029/2012GL051230

 

 

 

 

 

 

 

Stefan Rahmstorf ist Klimatologe und Abteilungsleiter am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung und Professor für Physik der Ozeane an der Universität Potsdam. Seine Forschungsschwerpunkte liegen auf Klimaänderungen in der Erdgeschichte und der Rolle der Ozeane im Klimageschehen.

13 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Die Sache mit dem Wachstum

    Da frage ich mich doch spontan, was dieser Wasserverbrauch für die leicht zugänglichen Welt Süßwasserressourcen bedeutet. Natürlich unter der naheliegenden Annahme, daß der Wasserverbrauch direkt gekoppelt ist an das exponentielle Bevölkerungswachstum oder/und das exponentielle Wirtschaftswachstum. Das Bevölkerungswachstum liegt grob bei 1,5%, das Wirtschaftswachstum bei ca. 4. Soll das so weiter gehen, bedeutet das unter Annahme der direkten Kopplung, daß sich die Süßwasserentnahme Pi mal Daumen alle 20 bis 25 Jahre verdoppelt. Selbst wenn mit drastischen Schritten der „per unit“ Wasserbedarf von Industrie und Bevölkerung halbiert werden könnte, wird für mittlere historische Zeiträume das Ausmaß der Wachstumsproblematik schnell deutlich – ohne daß man dafür komplexe Modelle bemühen muß. Wenn man die unzähligen Komplexitäten hinzuzieht (Wasserbelastung, Regionale Disparitäten, Energieengpässe) wird es hinsichtlich der Versorgungslage eher noch schlimmer.

  2. Aussüßung und Wasser in der Atmosphäre

    Zwei Fragen:

    1) Ist über die Jahrzehnte ein Trend zur Aussüßung des oberflächlichen Wassers im offenen Meer beobachtet worden? Das müßte doch bei der Menge sichtbar werden.

    2) Wie hoch ist die Menge zusätzlichen Wassers, für das insgesamt bei Erwärmung dauerhaft in der Atmosphäre eine Senke entsteht? Müßte das nicht einen negativen Effekt auf den Meeresspiegelanstieg haben? Aber ich vermute mal entweder ist die Menge vernachlässigbar, oder es ist so offensichtlich, daß es berücksichtigt ist.

  3. Frage

    Wie groß ist die Wassermenge, die von der wärmeren Atmosphäre zusätzlich aufgenommen wird?

    Wenn ich Zahlen aus wikipedia nehme (Bei atmosphärischem Normaldruck von 1013,25 hPa kann ein Kubikmeter Luft bei 10 °C maximal 9,41 g Wasser aufnehmen. Die gleiche Luftmenge nimmt bei 30 °C schon 30,38 g Wasser auf; http://de.wikipedia.org/wiki/Luftfeuchtigkeit) und ein bißchen herumrechne, komme ich auf eine Schätzung im dreistelligen Kubikmeterbereich.

    Ist das realistisch? Und wenn ja, wo taucht diese Zahl in der Bilanzrechnung auf?

  4. lokale Änderung durch Schwerefeld

    Ihr Artikel erinnerte mich an diesen zur regionalen Meeresspiegelhöhe, welche durch das lokal variable Schwerefeld der Erde beeinflusst wird. Leider werden dort wenig Zahlen genannt.

    Gibt es hier schon Modellrechnungen wie stark bei abschmelzenden Polen der lokale Meeresspiegel in europ. Häfen, Malediven etc. aufgrund dieses sich ändernden Schwerefeldes zusätzlich zur absoluten „Durchschnittshöhe“ des Meeresspiegels ansteigen könnte, die sie in ihren globalen Modellen berechnen?

  5. Trockenlegung von Landfläche

    Ist in den Berechnungen der Wassermenge auch die Trockenlegung von Hochmooren und sonstigen Feuchtflächen mit einbezogen?
    Erst jüngst war wieder in den Medien, dass nun endlich das Oderbruch trocken gelegt werden soll. Solche Aktivitäten finden aber nicht nur so vereinzelt statt, sondern überall und jederzeit.

    Sicher kommt dabei auch eine Menge Wasser zusammen, wenn man diese Thematik weltweit hochrechnet.

    Etwa die Brände in Russland in 2010. Dort brannten nicht nur Wälder, sondern auch Torfflächen, was bedeutet, dass sie vorher also schon trocken genug waren, um zu brennen (also entwässert).

    Oder der Regenwald etwa – wo ja nach berichten in den Medien auch reichlich verschwindet.

    Derartige Wasserspeicher sind m.E. nicht zu unterschätzen.

  6. Stefan Thiesen, Frage 2: die totale Menge von Wasserdampf in die Atmosfäre is 25 mm Wasser-Äkvivalent (http://en.wikipedia.org/…in_Earth.27s_atmosphere). Über die Welt-Ozean (70% der Erdoberfläche) verteilt ist dass 35 mm. Jede Grad Aufwärmung verdunstet 6% mehr, d.h. (minus) zwei Millimeter!

  7. Wikipedia

    Danke @Martin – ich werd demnächst zuerst bei Wikipedia gucken und dann dumme Fragen stellen. 1mm pro K ist wohl im Gesamtbild nicht sehr relevant.

  8. Der springende Punkt wird im Artikel überhaupt nicht erwähnt: Die Menge Süßwasser die in den Flußmündungen ins Meer gelangt. Dazu die Korrelation von steigender Massenkaufkraft und höheren Hektarerträgen sowie geringerem Raubbau an den Wäldern.

    Ein gutes Beispiel ist der Colorado River: Dort wird das Wasser optimal genutzt, es gibt seit Jahren keine Flußmündung mehr und damit auch keinen Zufluß ins Meer.

    Ähnliche Entwicklungen gibt es im Mittelmeerraum, dort gehen die Zuflußmengen seit Jahrhunderten zurück, u.a. durch die immer umfangreichere Nutzung des Nil-Wassers. Beim Niger ist eine ähnliche Entwicklung zu sehen. Noch gelangen dort ca. 3 GT Süßwasser pro Jahr in den Atlantik, mit abnehmender Tendenz. Derzeit speist der Niger ca. 40 x soviel Wasser in den Ozean als der Nil.

    Die wirksamste und zudem billigste Methode die Land-Wassermenge zu erhöhen besteht in der Wiederaufforstung weil damit nicht nur hunderte Tonnen Wasser pro Hektar zusätzlich gespeichert werden, sondern auch weil sich dadurch das regionale Klima ändert, z.B. durch vermehrte und vor allem gleichmäßigere Niederschläge.

    Wie sowas gemacht wird kann man hier nachlesen:

    http://www.ithaka-journal.net/…reta-in-kolumbien

  9. Stefan Thiesen, war doch keine dumme Frage. Glaub mir, ich weiss wie dumme Fragen aussehen 😉

  10. Dumme Fragen und wirtschaftliche Anreize

    @ Martin Vermeer: die Frage an sich ist vielleicht nicht dumm – eher das Gefühl sie gestellt zu haben, wenn die Antwort schlicht in Wikipedia zu finden ist. Das ist dann pure Bequemlichkeit.

    @ Jochen Binikowski: hinsichtlich der Aufforstung wird es sicher breite Zustimmung geben. Nur von einfach kann da kaum eine Rede sein. Die wirtschaftlichen Anreize sind einfach die falschen. Darauf läuft es immer hinaus.

  11. @ Stefan

    Ich denke das ist eine Rechenaufgabe. Im von mir verlinkten Artikel ist die Rede von enormen Preissteigerungen (bis zu 3.000%) bei den aufgeforsteten Flächen.

    In diesem Zusammenhang muß man beachten dass die meisten lukrativen Urwaldflächen bereits abgeholzt sind. Der Raubbau wird also immer teurer. Das ist so ähnlich wie bei der Ölförderung.

    Es ist vermutlich nur eine Frage der Zeit bis es für die Konzerne lukrativer ist Brachflächen zu renaturieren als in immer abgelegeneren Gegenden Kahlschlag zu betreiben. Spätestens dann gibt es auch, sozusagen als unvermeidlicher Nebeneffekt, eine echte Entlastung im CO2-Haushalt da die Bäume nicht nur Wasser sondern auch CO2 binden, zumindestens für einige Jahrzehnte.

    Man muß sich auch stets vor Augen halten dass niemand die technische Entwicklung vorhersagen kann. Deshalb kann es nach heutigem Wissenstand nur darum gehen Brückentechnologien anzuwenden die technisch erprobt und vor allem auch finanzierbar sind.

    M.M. nach liegen hier die größten Potenziale in Aufforstungen, Umstellungen in der Landwirtschaft und Technologien zur Energieeinsparung. In manchen Fällen lassen sich diese 3 Aspekte sogar sinnvoll kombinieren. Z.B. wenn auf den renaturierten Flächen Fruchtbäume wachsen (Nahrung, Einkommen), das Restholz als Brennmaterial (Ersatz fossiler Energien = CO2-Vermeidung) und als Dünger-Material (Terra Preta Holzkohle = dauerhafte CO2-Senke) verwendet wird.

  12. speichernde Landmassen

    ich glaube daran, dass die wasserspeichernde Landmasse einen besonderen Anteil haben kann – das also der Einfluß unterschätz wird. Wenn man bedenkt, dass weltweit Landmassen trockengelegt werden (etwa um Landwirtschaft zu betreiben oder Bauflächen zu erhalten oder auch Holzwirtschaft zu betreiben) und sich einmal die enorme Landfläche solcher Umnutzungen oder erstnutzungen vor Augen holt, muß einem unbedingt Zweifel an solch geringen Werten kommen.

    Ich selbst kenne viele kleine Beispiele von Trockenlegungen von Hochmooren oder Feuchtgebieten aus eigener Ansicht. Die Entwässerungsgräben sind kaum als solche sichtbar, aber trotzdem überall anzutreffen. Und wenn man nur die im kleinen erkennbaren Trockenlegungen hochrechnet, muß es sich um einen erheblihen Anteil handeln. Die gesamte Nordseeküste (Niederlande und Norddeutschland) ist ein gutes Beispiel für die Trockenlegung von Landmassen aufgrund von Besiedlung und Nutzbarkeit. Und erst jüngst gab es wieder einen Vorstoß dem Oderbruch das Wasser zu nehmen. Das sind keine zu vernachlässigenden Flächen mehr, die da über die Jahrzehnte erfolgreicher Trockenlegungsbemühungen zusammenkommen.

  13. Anderes Thema: arktisches Eisvolumen

    Unter dem Link:

    http://psc.apl.washington.edu/…%20time%28%29%20?

    fand ich eine Darstellung des arktischen Eisvolumens. Wie verläßlich sind diese Daten?
    Interessant ist, daß das Eisvolumen während der letzten 3 Jahre jahreszeitlich stark schwankt. Heisst das, daß jetzt die arktischen Sommertemperaturen so hoch sind, daß im Sommer eine ausgeprägte Eisschmelze stattfindet, im Gegensatz zu früher?

    [Antwort: Das Eisvolumen schwankt natürlich seit jeher stark jahreszeitlich, ist also im Winter viel größer als im Sommer. Was die Grafik zeigt, ist die Anomalie, also Abweichung des Eisvolumens vom langjährigen Mittelwert, inclusive dem mittleren Jahresgang. Wenn in den letzten Jahren hier ein Jahresgang in den Anomaliedaten auftaucht bedeutet das, dass der Jahresgang der letzten Jahre nicht mehr dem sonst typischen Jahresgang entsprach. Die Grafik zeigt, dass in den letzten drei Jahren im Juni besonders geringe Werte (im Vergleich zum mittleren Juni) auftraten. Eine Erklärung dazu kann ich so auf Anhieb nicht liefern, vielleicht weiß einer unserer Leser mehr darüber. Stefan Rahmstorf]