Charakterisierung von Kippelementen und Schwellenwerten für unumkehrbare Folgen des Klimawandels
Das Klimasystem der Erde ist durch hochkomplexe Wechselwirkungen in Raum und Zeit geprägt. Wissenschaftler konnten mehrere essentielle Komponenten identifizieren, die dem Risiko abrupter, irreversibler Übergänge ausgesetzt sind, welche wiederum Kaskaden dramatischer Veränderungen auslösen könnten. Erschwerend kommt hinzu, dass sich kritische Übergänge in einem solchen „Kippelement“ auf weitere andere auswirken könnten. Die Charakterisierung dieser Kippelemente und ihrer Wechselwirkungen ist für die Entwicklung von Vorhersagemodellen erforderlich – ein grundlegender Schritt zur Verhinderung irreversibler Klimaveränderungen. Unterstützt über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) wurden im Rahmen des Projekts CriticalEarth(öffnet in neuem Fenster) 15 Nachwuchsforschende ausgebildet, um diese Herausforderung anzugehen. Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Entwicklung fortschrittlicher statistischer Werkzeuge auf der Grundlage paläoklimatischer Rekonstruktionen und aktueller Beobachtungen, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, „Frühwarnsignale“ für einen Kipppunkt zu ermitteln.
Unkontrollierte positive Rückkopplung
Die meisten dynamischen Systeme erfahren sowohl positive als auch negative Rückkopplung. „Wenn die positive Rückkopplung dazu übergeht, zu dominieren, kann es zu einer unkontrollierbaren Verstärkung kommen. Infolgedessen überschreitet ein ‚Kontrollparameter‘ einen kritischen Schwellenwert, was zu einer abrupten, unumkehrbaren Zustandsänderung führt“, erklärt CriticalEarth-Projektkoordinator Peter Ditlevsen vom Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen(öffnet in neuem Fenster). Im Falle von Eisschilden gilt: Je geringer die Höhe des Eisschildes beim Abschmelzen ist, desto wärmer ist die Atmosphäre darüber (die höheren Temperaturen befinden sich in niedrigeren Höhenlagen) und desto mehr Eis schmilzt. Ab einer bestimmten kritischen atmosphärischen Temperaturschwelle lässt sich diese unkontrollierte positive Rückkopplung nicht mehr rückgängig machen. Zu den weiteren potenziellen Kippereignissen gehören die unumkehrbare Umwandlung der Regenwälder in Savannen und der Stillstand des Golfstroms (Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation), der für das gemäßigte Klima in Nordeuropa verantwortlich ist.
Randbedingungen und Frühwarnsignale
Die Bestimmung der genauen Werte von Kipp-Parametern erwies sich als äußerst schwierig. „Wir nutzten fortschrittliche mathematische Techniken, um die Grenzen zwischen dem gegenwärtigen und dem alternativen Kippzustand in mehrdimensionalen Klimamodellen zu bestimmen“, sagt Ditlevsen. Indem die Forschenden die sogenannten Randbedingungen an diesen Grenzen charakterisierten, gewannen sie Informationen, die für Vorhersagen zukünftiger Übergänge relevant sind. Für die Erkennung von Frühwarnsignalen verwendeten sie neue quelloffene Statistikwerkzeuge – statistische Signaturen in den Zeitreihendaten, die darauf hindeuten, dass sich das Klimasystem einem kritischen Kipppunkt nähert.
Enthüllungen über die Kippelemente der Erde
„Neuartige Techniken für seltene Ereignisse und maschinelles Lernen ermöglichten eine effiziente Schätzung der Übergangswahrscheinlichkeiten in hochdimensionalen Klimamodellen und somit ein besseres Verständnis von abrupten Veränderungen“, erklärt Ditlevsen. CriticalEarth ging über die ursprünglichen Ziele hinaus und extrapolierte seine Frühwarnsignale in die Zukunft. Dabei wurde ein Zusammenbruch des Golfstroms(öffnet in neuem Fenster) in der Mitte des 21. Jahrhunderts aufgedeckt. Über diese verfeinerte Vorhersage, die sich in naher Zukunft erheblich auf das Klima in Nordeuropa auswirken wird, wurde in mehr als 2 500 Nachrichtenagenturen in aller Welt berichtet. In Kippelement-Modellen identifizierte das Team wichtige Schwellenwerte, Bifurkationen und die Irreversibilität des Kippens. Zudem entdeckte es neue Mechanismen der Variabilität und der Widerstandsfähigkeit gegen das Kippen. Eine erweiterte Bifurkationstheorie zeigte, wie sich der Zusammenbruch des Golfstroms auf den globalen Niederschlag auswirken würde und wie gekoppelte Kippeffekte wichtige Teilsysteme des Klimas, die Rauschen ausgesetzt sind, stabilisieren oder destabilisieren können. Schließlich liefern Instrumente, die vorhersagen, wie das Klima auf Störungen reagiert, Erkenntnisse über Faktoren, die Kipppunkte verstärken oder hemmen und die Statistik der Übergänge prägen. CriticalEarth stellte Vorhersage-Instrumente und entscheidende Erkenntnisse zu kritischen Klimaübergängen bereit. Ebenso wichtig ist, dass es eine Gruppe von 15 talentierten jungen Wissenschaftlern ausgebildet hat. Diese setzen die Arbeit zur Verbesserung unserer Frühwarnsysteme fort und unterstützen damit die Bemühungen, irreversible Klimaveränderungen und deren Auswirkungen auf zukünftige Generationen zu verhindern.
