Die Atlanktikzirkulation: Kippt sie schon in diesem Jahrhundert, oder nicht?

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Vor einigen Wochen kam eine Studie der Forscher Peter und Susanne Ditlevsen von der Universität Kopenhagen zu dem Schluss, dass die atlantische meridionale Umwälzzirkulation (Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) wahrscheinlich schon in diesem Jahrhundert, am wahrscheinlichsten um die Jahrhundertmitte, einen Kipppunkt überschreiten wird. Angesichts der katastrophalen Folgen eines Zusammenbruchs der AMOC sorgte die Studie für viele Schlagzeilen, stieß aber auch auf Skepsis. Nun, da sich der Staub gelegt hat, hier einige Gedanken zu den Kritikpunkten, die an dieser Studie geäußert wurden.

Ich habe zwei Hauptargumente gesehen.

1. Beschreiben die verwendeten Daten wirklich Veränderungen der AMOC?

Direkte AMOC-Messungen liegen erst seit 2004 vor, eine zu kurze Zeitspanne für diese Art von Studie. Daher verwendeten die Ditlevsens die Meeresoberflächentemperaturen (SST) in einer Region zwischen der Spitze Grönlands und Großbritannien als Indikator, basierend auf Caesar et al. 2018 (PDF; ich bin Mitautor dieser Studie). Die Grundidee geht von der Beobachtung aus, dass diese Region viel wärmer ist als für diesen Breitengrad normal, weil die AMOC eine große Menge an Wärme in das Gebiet transportiert. Die folgende Grafik, die ich vor 25 Jahren erstellt habe, veranschaulicht dies.

Temperaturabweichung gegenüber dem Durchschnitt entlang der einzelnen Breitenkreise (d. h. dem zonalen Mittel). Die Lufttemperatur in der nordatlantischen Region ist viel zu warm für ihren Breitengrad, was (zumindest in Modellen) weitgehend verschwindet, wenn die AMOC zum Stillstand kommt. Aus Rahmstorf und Ganopolski 1999.

Wenn sich die AMOC abschwächt, wird sich diese Region abkühlen. Und tatsächlich kühlt sie sich ab – es ist die einzige Region der Erde, die sich seit der vorindustriellen Zeit abgekühlt hat. Dies wird gemeinhin als “warming hole” oder “cold blob” (Kälteblase) bezeichnet.

In Caesar et al. haben wir argumentiert, dass die Meeresoberflächentemperatur dort im Winter ein guter Index für die Stärke der AMOC ist, basierend auf einem hochauflösenden Klimamodell. (Das gilt nicht im Sommer, wenn der Ozean von einer flachen gemischten Schicht bedeckt ist, die von der Sonne aufgeheizt wird und stark von den Wetterbedingungen abhängt.) Wir haben dies mit anderen Klimamodellen überprüft und festgestellt, dass unser AMOC-Index (d. h. basierend auf der SST in der Region des “cold blob”) und die tatsächliche AMOC-Verlangsamung dort stark korrelieren (Korrelationskoeffizient R=0,95).

Es gibt noch einige andere Indikatoren, die entweder den gemessenen Salzgehalt des Ozeans oder verschiedene Arten von Proxydaten aus Sedimentkernen verwenden, z. B. Sedimentkorngrößen am Ozeanboden als Indikatoren für die Strömungsgeschwindigkeit des tiefen südwärts gerichteten AMOC-Zweigs. Der wichtigste Punkt für mich ist, dass diese verschiedenen Indikatoren ziemlich konsistente AMOC-Rekonstruktionen liefern, wie wir in Caesar et al. 2021 gezeigt haben.

Die Sedimentdaten reichen weiter in die Vergangenheit zurück, sind aber wahrscheinlich nicht so zuverlässig und reichen nicht bis in die Gegenwart.

Für die letzten Jahrzehnte gibt es potenziell bessere Ansätze, wie Ozeanzustandsabschätzungen, die auch mit dem SST-Fingerabdruck übereinstimmen, die aber für die Ditlevsen-Studie nicht weit genug zurückreichen. Die nächste Grafik zeigt einen Vergleich verschiedener Rekonstruktionen für den relevanten Zeitraum, der in der Ditlevsen-Studie verwendet wurde.

Ein Vergleich direkter AMOC-Beobachtungsdaten (RAPID) und zweier aktueller Rekonstruktionen mit dem SST-basierten AMOC-Index (blau, verwendet von den Ditlevsens) und zwei Paläoproxies, die bis ins 21. Jahrhundert reichen: die sortierbaren Schlickdaten und die Daten zur Meeresproduktivität. Aus Caesar et al. 2022.

Rekonstruktionen auf der Grundlage des Salzgehalts können ebenfalls gut sein, aber sie hängen vom Niederschlag ab, einer notorisch variablen Größe, so dass es eher zweifelhaft ist, ob die Analyse der Varianz des Salzgehalts besser ist als das SST-Signal.

Es wurde das Argument vorgebracht, dass der “cold blob” möglicherweise nicht durch einen Rückgang der AMOC, sondern durch Wärmeverluste an der Meeresoberfläche verursacht wird. Das lässt sich leicht überprüfen: Wenn das der Fall wäre, dann würde die Abkühlung in diesem Gebiet mit einem erhöhten Wärmeverlust an der Oberfläche zusammenhängen. Wenn aber die AMOC schuld ist, dann sollte weniger Wärme verloren gehen, da eine kühlere Meeresoberfläche aufgrund eines geringeren Wärmetransports weniger Wärme verliert. Die Reanalysedaten zeigen, dass Letzteres der Fall ist.

Dies wurde von Halldór Björnsson vom isländischen Wetterdienst gezeigt und auf der Arctic Circle Conference 2016 vorgestellt. Ich habe dies 2016 hier und auch in meinem RealClimate-Artikel von 2018 “If you doubt that the AMOC has weakened, read this diskutiert, zusammen mit möglichen anderen alternativen Erklärungen für den “kalten Fleck”. Wir haben kürzlich Halldórs Analyse am PIK wiederholt und sind zu den gleichen Ergebnissen gekommen.

Meine Schlussfolgerung: Für das vergangene Jahrhundert oder so sind die SST-Daten wahrscheinlich der beste AMOC-Indikator, den wir haben, und ich sehe keine konkreten Hinweise darauf, dass er unzuverlässig ist.

2. In der Ditlevsen-Studie wird davon ausgegangen, dass die AMOC bei Annäherung an den Kipppunkt einer quadratischen Kurve folgt.

Das ist eine eher technische Kritik. Diese Annahme folgt aus Stommels einfachem Modell des AMOC-Kipppunkts von 1961. Sie ergibt sich aus der Grundidee, dass (a) AMOC-Änderungen proportional zu Dichteänderungen sind und (b) die Dichteänderung aus einem Gleichgewicht zwischen Süßwassereintrag und AMOC-Salztransport in die Tiefenwasserbildungsregion (d. h. den “cold blob”) resultiert. Kombiniert man diese beiden Annahmen, so ergibt sich eine quadratische Gleichung.

Dies sind sehr plausible Grundannahmen, wenn auch unter Verwendung einer linearen Zustandsgleichung, aber wir alle wissen, dass man Dinge um einen bestimmten Punkt herum linearisieren kann, um eine Schätzung erster Ordnung zu erhalten. Das Argument, dies sei “zu einfach”, bedeutet nicht, dass es falsch ist; vielmehr ist es zumindest in erster Ordnung korrekt.

In einer Studie aus dem Jahr 1996 verglich ich die Ergebnisse eines quadratischen Box-Modells mit einem vollwertigen 3D-Ozeanzirkulationsmodell mit primitiven Gleichungen und nichtlinearer Zustandsgleichung, dem MOM-Modell des Geophysical Fluid Dynamics Lab in Princeton. Das Ergebnis sieht folgendermaßen aus.

Die AMOC-Stärke (vertikale Achse) ist dargestellt, wie sie vom Süßwassereintrag (Regen, Schmelzwasser) in den nördlichen Atlantik abhängt. Das Gleichgewicht des Boxmodells ist als gestrichelte Parabel dargestellt, der Kipppunkt ist S. Durch die globale Erwärmung bewegen wir uns von einem vergangenen Gleichgewicht nach rechts – der Boxmodelllauf ist die gestrichelte Linie, der globale Ozeanzirkulationsmodelllauf ist die durchgezogene Linie. Relevant ist der obere Zweig, auf dem wir uns nach rechts bewegen und dem Kipppunkt nähern. Aus Rahmstorf (1996, PDF).

Viel besser kann die Übereinstimmung kaum sein. Eine ähnliche quadratische Form wurde auch von der Gruppe von Henk Dijkstra an der Universität Utrecht in Experimenten mit einem aktuellen globalen Klimamodell, dem CESM-Modell, gefunden (die Studie ist noch nicht veröffentlicht). Ich habe von den Kritikern keine konkreten Hinweise darauf gesehen, dass die Form nicht quadratisch sein könnte; dies scheint eine rein hypothetische Möglichkeit zu sein. Und wenn die Form nicht genau quadratisch ist, wird der angegebene Unsicherheitsbereich größer sein, aber das Ergebnis wird dadurch nicht grundlegend verändert.

Was bedeutet das alles?

Ein Zusammenbruch der AMOC wäre eine massive, planetarische Katastrophe. Einige der Folgen: Abkühlung und verstärkte Stürme in Nordwesteuropa, erheblicher zusätzlicher Anstieg des Meeresspiegels, insbesondere entlang der amerikanischen Atlantikküste, Verlagerung der tropischen Niederschlagsgürtel nach Süden (was in einigen Regionen zu Dürren und in anderen zu Überschwemmungen führen würde), verringerte Kohlendioxidaufnahme der Ozeane, stark reduzierte Sauerstoffzufuhr in die Tiefsee, wahrscheinlicher Zusammenbruch der Ökosysteme im Nordatlantik und anderes. Lesen Sie den lesenswerten OECD-Bericht Climate Tipping Points und die unten stehenden Karten. Sie wollen das wirklich nicht erleben.

Eine Abbildung aus dem jüngsten OECD-Bericht “Climate Tipping Points” zeigt, wie ein Abreißen der AMOC nach einer globalen Erwärmung von 2,5 °C die Temperatur (links) und den Niederschlag (rechts) weltweit verändern würde.

Aus paläoklimatischen Daten wissen wir, dass es eine Reihe drastischer, schneller Klimaänderungen mit Schwerpunkt im Nordatlantik gegeben hat, die auf abrupte AMOC-Änderungen zurückzuführen sind, offenbar nachdem die AMOC einen Kipppunkt überschritten hatte. Sie sind als Heinrich-Ereignisse und Dansgaard-Oeschger-Ereignisse bekannt, siehe meinen Übersichtsartikel in Nature (pdf).

Der Punkt ist: Es ist ein Risiko, das wir auf ein absolutes Minimum beschränken sollten.

Mit anderen Worten: Wir sprechen hier über Risikoanalyse und Katastrophenvorsorge. Der Punkt ist nicht, dass wir zu 100 % sicher sind, dass die AMOC in diesem Jahrhundert ihren Kipppunkt erreicht, sondern dass wir gerne zu 100 % sicher wären, dass dies nicht passiert. Selbst wenn die Wahrscheinlichkeit, dass die Ditlevsen-Studie mit dem Erreichen des Kipppunkts zwischen 2025 und 2095 richtig liegt, nur (sagen wir) 40 % beträgt, wäre das eine große Veränderung gegenüber der früheren IPCC-Einschätzung, wonach das Risiko weniger als 10 % beträgt. Selbst eine Wahrscheinlichkeit von weniger als 10 % laut IPCC (für die es nur ein “mittleres Vertrauen” gibt, dass sie wirklich so gering ist) ist in meinen Augen ein massives Problem. Diese Besorgnis hat mit der Ditlevsen-Studie stark zugenommen – darum geht es, und nicht darum, ob sie zu 100 % korrekt und sicher ist.

Würden Sie in einem Dorf unterhalb eines gestauten Sees leben, wenn man Ihnen sagt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass der Damm eines Tages bricht und ein Großteil des Dorfes weggespült wird, eins zu zehn beträgt? Würden Sie sagen: “Keine Sorge, dann ist ja 90-prozentig sicher, dass das nicht passiert”? Oder würden Sie von den Behörden Maßnahmen zur Verringerung des Risikos fordern? Was ist, wenn eine neue Studie erscheint, von erfahrenen Wissenschaftlern, in einer angesehenen Zeitschrift, die besagt, dass es fast sicher ist, dass der Damm brechen wird, die Frage ist nur, wann? Würden Sie sofortige Maßnahmen fordern, um diese Gefahr zu mindern, oder würden Sie sagen: “Nun ja, einige haben in Frage gestellt, ob die Annahmen dieser Studie völlig korrekt sind. Gehen wir einfach davon aus, dass sie falsch ist”?

Die einzige Maßnahme, die wir ergreifen können, um das Risiko für den AMOC-Kollaps (und andere Kipppunkte des Klimas) zu minimieren, ist der Ausstieg aus fossilen Brennstoffen und ein schnellstmöglicher Stopp der Entwaldung. Eine der wichtigsten Annahmen der Ditlevsen-Studie ist, dass die globale Erwärmung so weitergeht wie in den vergangenen Jahrzehnten. Dies liegt in unserer Hand – oder genauer gesagt in der Hand unserer Regierungen und mächtigen Unternehmen. Allein die Regierungen der G20-Staaten haben im Jahr 2022 die Nutzung fossiler Brennstoffe mit 1,4 Billionen Dollar subventioniert, was einem Anstieg von 475 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Sie versuchen nicht, fossile Brennstoffe abzuschaffen.

Sobald wir jedoch die Nullemissionen erreichen, wird die globale Erwärmung innerhalb weniger Jahre zum Stillstand kommen, und je früher dies geschieht, desto geringer ist das Risiko, dass Kipppunkte überschritten werden. Dadurch werden auch viele andere Verluste, Schäden und menschliches Leid durch die “normalen” Auswirkungen der globalen Erwärmung minimiert, die bereits überall um uns herum geschehen, auch ohne dass wir größere Klimakipppunkte überschreiten.

Links

Englische Fassung dieses Beitrags

Mehr zum Thema finden Sie in meinem langen TwiX-Thread mit vielen Bildern aus einschlägigen Studien.

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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.

12 Kommentare

  1. Besten Dank für die Darstellung der Studien, die einen Abbruch der AMOC noch in diesem Jahrhundert für möglich halten.

    Frage 1: Nehmen wir an, der AMOC breche bei Überschreiten der 2.5 Celsius Grenze zusammen, doch 50 Jahre später sinkt die globale Durchschnittstemperatur wieder unter 2 Grad Celsius Erwärmung relativ zu präindustriell (beispielsweise wegen Carbon Dioxid Removal). Würde das den früheren Zustand des AMOC wiederherstellen?

    Frage 2: Würde ein Absenken der globalen Durchschnittstemperatur mittels Solar geoengineering, also solar radiation modification (SRM) etwas am Risiko eines Abbruchs des AMOC ändern?

    • Zu 1: Nein. Es gibt ein Hystereseverhalten, d.h. in der dritten Abbildung oben muss man weiter nach links bis zum Nullpunkt der x-Achse, damit sie wieder anspringt.
      Zu 2: Vermutlich ja, ich wüsste aber nicht ob das schon mal konkret untersucht wurde.

  2. Fridays for Future am 15. September weltweit

    Icke jeh’ hin

    So, und jetzt nach Lektüre von Stefan Rahmstorfs wieder einmal gern gelesene Aufklärung für Laien wie mich über den Stand der AMOC-Forschung sich überlegen, dass es ja noch andere Kipppunkte gibt, die mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten die menschliche Zivilisation massivst bedrohen. Kipppunkte, die aber noch abgewendet werden können.

    Will Teil sein einer Geschichte, in der sich die Menschheit von den Fossilen befreit. Einer Geschichte, in der Greta Thunberg und junge Erwachsene noch eine Chance haben, mit der real existierenden Klimakrise leben zu können, wenn sie so alt sind wie der Bundeskanzler.

    Es werden am 15. September an den weltweiten Protesten von Fridays for Future Naturwissenschaftlerinnen und Naturwissenschaftler teilnehmen. Und wenn Genträger der Adrenoleukodystrophie* mit Arthrose in beiden Hüften ich aus der Hüfte kommt und wieder mitmacht, dann können es viele andere auch. Um so die Wahrscheinlichkeit eines Klima-GAUS zu verringern.

    Greta Thunberg in ihrem Klimabuch letztes Jahr – von den Leitmedien weitgehend totgeschwiegen – auf Seite 264

    >> Ich bin der festen Überzeugung, wenn wir es schaffen, es richtig anzugehen, wird unser Leben mehr Sinn bekommen, als überzogener Konsum, Egoismus, Oberflächlichkeit und Gier uns je geben können.<> Ich bin überzeugt, dass es gesellschaftliche Kipppunkte gibt, die sich zu unseren Gunsten auswirken, sobald genügend von uns sich entschließen, etwas zu unternehmen. Daraus erwachsen unendliche Möglichkeiten. Die Zerstörung der Biosphäre, die Destabilisierung des Klimas und die Vernichtung unserer gemeinsamen zukünftigen Lebensbedingungen sind keineswegs vorherbestimmt und unausweichlich. Sie liegen auch nicht in der Natur des Menschen – wir sind nicht das Problem. Das alles passiert, weil man uns, dem Volk, unsere Lage und die Konsequenzen dessen, was gerade geschieht, noch nicht völlig bewusst gemacht hat. Wir wurden belogen. Wir wurden unserer Rechte als demokratische Bürger:innen beraubt und im Unklaren gelassen. Das ist eins unserer größten Probleme, aber es ist auch unsere stärkste Quelle der Hoffnung – denn Menschen sind nicht böse, und wenn wir das Wesen der Krise erst mal begreifen, werden wir sicher handeln. Unter den richtigen Umständen sind dem, was wir tun können, keine Grenzen gesetzt. <<

    *
    Genträger der ALD

    https://www.zeit.de/wissen/gesundheit/2017-01/cannabis-rezept-medizin-krankenkasse-arzt-legal?cid=11223551#cid-11223551

  3. Mir ist als Laie auf Ihrem Fachgebiet aufgefallen, dass die Waldbrände, auch die Brandrodungen, eher zugenommen haben.

    Das bedeutet natürlich starke CO2 Emissionen, die „rückkoppelnd“ die Erwärmung und weitere CO2 Emissionen fördern. Letztlich könnten alle Wälder „verbrennen“, bis eben fast nichts natürlich „brennbares“, CO2 förderndes, mehr da ist.

    Meine Frage ist, warum versucht man nicht, so weit wie möglich voraus zu berechnen, welche Wälder am wahrscheinlichsten als nächstes „brennen“ werden und man „erntet“ sie vorher?

    Allenfalls „bringt man sie unter die Erde“, so dass sie nicht mehr verbrennen können. Besonders zuerst Wälder in der Nähe von Wohngebieten, bildet so etwas wie „Brandschneisen“ um weitere Brände bestens bekämpfen zu können und auch um Wohngebiete zu verschonen?

    Mir scheint es am wichtigsten, typische „Rückkoppelungen“ (die sich verhängnisvoll aufschaukeln) zielführend zu bekämpfen.

    • Ohne wirklich Informationen oder Ahnung von dem Thema zu haben möchte ich folgende Vermutung anstellen:
      Fast jede Fläche ist mehr oder minder waldbrandgefährdet, was bedeuten würde, dass fast vollständiger Kahlschlag nötig wäre, das kann keinesfalls sinnvoll sein. Andererseits wurde, glaube ich, früher mehr trockenes Astwerk vom Waldboden genutzt, was die eigentliche Nahrung von Waldbränden sein dürfte. Gesunde, lebende Bäume werden oft nicht einmal durch den Waldbrand zerstört und können anschließend weiter wachsen. Also eine gewisse “Hygiene” im Wald könnte nützlich sein, aber auch Totholz hat eine wichtige biologische Funktion. Daher wird uns nichts anderes übrig bleiben, als die Wälder weniger zu zersiedeln, dann sind die Menschenschäden nicht so hoch und die Natur kann sich nur durch Klimaschutz retten lassen. Wenn zukünftig Wälder immer mehr abbrennen, ist das der Natur völlig egal, ein neues,für Menschen unschönes Gleichgewicht wird sich einstellen, und wenn nicht, dann ein neuer unschöner Zustand oder eine Zustandsabfolge.
      Meine eigene Überlegung zum Waldbrandschutz ist eher in Richtung Bewässerung, aber das dürfte solange es nicht sehr günstige regenerative Meerwasserentsalzung gibt wahrscheinlich nicht finanzierbar sein und ginge evtl. schon in Richtung geo-engeneering, was auch erst ausreichend untersucht werden müsste.

      P.S. Vielen Dank an Herrn Rahmstorf, dass Sie wieder etwas aktiver mit allgemeinverständlichen Beiträgen hier und anderswo sind.

  4. Die Geschwindigkeit mit der sich die AMOC bewegt, müsste doch leicht zu messen sein. Wie schnell ist sie denn ?

  5. Der Vergleich zum Dorf mit Staudamm veranschaulicht schön, Fasst es um Risikoabwägung geht. Haben Sie einen Hinweis auf weitere Literatur für die Folgen des Zusammenbruches?

    Wobei man vielleicht, um das Bild zu vervollständigen zufügen sollte das bisher die Energie vom Staudamm käme und diese ersetzt werden müsste.

    So muss man fossile Verbrennung beenden, indem man so schnell wie möglich andere Energiequellen aufbaut. Die Herausforderung ist immens und wird durch politische Querschläger noch schwieriger.

  6. @Rahmstorf 28.08. 21:25

    „Es gibt ein Hystereseverhalten, d.h. in der dritten Abbildung oben muss man weiter nach links bis zum Nullpunkt der x-Achse, damit sie wieder anspringt.“

    Und das dauert dann Jahrhunderte, oder gar Jahrtausende? Und wir können nur noch zugucken?

    Die Folgen für die globale landwirtschaftliche Produktion wären vermutlich verheerend. Bei uns in Deutschland würde es vor allem im Winter richtig kalt, und insgesamt trockener. Im übrigen Europa auch. Höchstens rund ums Mittelmeer könnte es eventuell im Winter deutlich feuchter werden, dass man da sogar mehr landwirtschaftlichen Ertrag ernten könnte.

    Da kann man im Prinzip nur hoffen, dass der Golfstrom erst kippt, wenn die Weltbevölkerung genug geschrumpft ist, dass die dann verbleibenden Erträge ausreichen. Oder wenn es bis dahin gelingt, mittels Bakterien, die direkt mit grünem Wasserstoff gefüttert werden, hinreichend Nahrungsmittel herzustellen. Dafür bräuchte man gar keine landwirtschaftlich nutzbare Flächen mehr.

    Mit kalten Wintern alleine kann man klar kommen. Die Naturräume allerdings würden sich auch radikal verschieben und verändern, auch das wäre kaum wünschenswert.

    Und wenn da noch eine Eiszeit draus wird? Oder ist eine Eiszeit mit der bis dahin zu erwartenden globalen Erwärmung sowieso vom Tisch?

  7. Welcher Effekt beim Zusammenbruch der AMOC würde zum zusätzlichen Anstieg des Meeresspiegels führen? Mehr Wärme im Bereich der Antarktis?