Könnte der Atlantik umkippen?

Könnte der Atlantik umkippen?

Schema des AMOC. Die roten Pfade zeigen wärmeres Wasser näher an der Oberfläche, während die violetten Pfade kälteres, dichteres Wasser zeigen, das sich in der Tiefe bewegt. Gutschrift: Met Office

Im Allgemeinen betrachten wir den Klimawandel als einen schrittweisen Prozess: Je mehr Treibhausgase der Mensch emittiert, desto mehr wird sich das Klima ändern. Aber gibt es „Punkte ohne Wiederkehr“, die uns zu irreversiblen Veränderungen verpflichten?

Die als "AMOC" bekannte "Atlantic Meridional Overturning Circulation" ist eines der wichtigsten aktuellen Systeme in den Weltmeeren und spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des Klimas.

Es wird von einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Meerestemperaturen und Salzgehalt angetrieben, das durch ein sich erwärmendes Klima gefährdet sein könnte.

Die neuesten Forschungsergebnisse legen nahe, dass AMOC dieses Jahrhundert sehr wahrscheinlich schwächen wird, aber ein Zusammenbruch ist sehr unwahrscheinlich. Wissenschaftler sind jedoch weit davon entfernt, genau zu definieren, wie viel Erwärmung AMOC über einen Wendepunkt hinausschieben könnte.

Umkippen

Die folgende Abbildung zeigt eine Darstellung des AMOC. Im Nordatlantik wandert warmes Wasser aus den Subtropen in der Nähe der Oberfläche nach Norden, und kaltes - und daher dichteres - Wasser wandert in der Tiefe nach Süden, typischerweise 2 bis 4 km unter der Oberfläche.

Im Norden wird das warme Oberflächenwasser durch die darüber liegende Atmosphäre gekühlt, in kaltes, dichtes Wasser umgewandelt und sinkt, um den tiefen Zweig nach Süden zu versorgen. An anderer Stelle quillt das kalte Wasser auf und erwärmt sich, versorgt den oberen, warmen Zweig wieder und vervollständigt den Kreislauf.

Könnte das AMOC zusammenbrechen?

Das AMOC ist anfällig für den Klimawandel. Während sich die Atmosphäre aufgrund zunehmender Treibhausgase erwärmt, wird die Fähigkeit des Ozeans, Wärme von der nordatlantischen Oberfläche zu verlieren, verringert und einer der treibenden Faktoren des AMOC wird geschwächt.

Klimamodellprojektionen der globalen Erwärmung in diesem Jahrhundert deuten durchweg auf eine Abschwächung des AMOC hin. Die jüngsten Einschätzungen der Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) - die Fünfter Bewertungsbericht (AR5) und Sonderbericht über Ozeane und Kryosphäre in einem sich ändernden Klima (SROCC) - beide kommen zu dem Schluss, dass der AMOC im 21. Jahrhundert „sehr wahrscheinlich“ schwächer wird.

Eine solche Abschwächung würde sich kühlend auf das Klima im Nordatlantik auswirken, da die Wärmeversorgung nach Norden verlangsamt wird. Dieser Effekt ist in den Klimaprojektionen enthalten, aber der direkte Erwärmungseffekt durch steigende Konzentrationen von Treibhausgasen ist stärker, sodass sich das Nettoergebnis über Landregionen immer noch erwärmt.

Aber dramatischere Änderungen sind theoretisch möglich. Möglicherweise gibt es einen „Wendepunkt“, ab dem der derzeit starke AMOC nicht mehr nachhaltig ist.

Der Beweis dafür geht auf a zurück Samenpapier 1961 von einem der Väter der modernen Ozeanographie veröffentlicht, Henry Stommel. Stommel erkannte, dass der AMOC eine Art Konkurrenz zwischen den Auswirkungen von Temperatur und Salzgehalt ist, die beide die Dichte des Meerwassers beeinflussen.

Könnte der Atlantik umkippen?

Die folgende Abbildung zeigt die verschiedenen möglichen AMOC-Zustände. Im heutigen Klima dominiert die Temperatur und das kalte, dichte Wasser hoher Breiten treibt einen starken AMOC (rote Kurve) an. In anderen Klimazuständen ist es jedoch möglich, dass Süßwasser (durch Regen oder Eisschmelze) das Wasser mit hohen Breitengraden auffrischt und so aufhellt. In diesem Fall ist das Wasser nicht dicht genug, um den kollabierenden AMOC anzutreiben (blaue Kurve).

Wenn der Süßwassereintrag in den Atlantik stark genug wäre - zum Beispiel durch schnelles Schmelzen der grönländischen Eisdecke - würde sich der blaue Punkt in der Abbildung nach rechts bewegen. Nach Stommels Modell wird der starke AMOC-Zustand (rot) irgendwann nicht mehr nachhaltig und der AMOC kollabiert in den „Aus“ -Zustand (blau). Selbst wenn sich der treibende Klimawandel später umkehren würde (der blaue Punkt bewegt sich in der Abbildung nach links zurück), würde der AMOC auf der blauen Kurve bleiben und erst wieder einschalten, wenn das Klima die heutigen Bedingungen überschritten hätte die andere Richtung. Dieses Phänomen ist als "Hysterese" bekannt.

Könnte der Atlantik umkippen?

Wendepunkte und Hysterese des AMOC in Stommels einfachem Modell. Mögliche Zustände des AMOC hängen von der Menge des Süßwassereintrags in den Atlantik ab (x-Achse). Die AMOC-Stärke wird auf der y-Achse angezeigt. [Beachten Sie, dass beide in Sverdrups (Sv) gemessen werden, wobei 1 Sv eine Million Kubikmeter Wasser pro Sekunde bedeutet.] Bei geringem Frischwassereintrag dominiert die Temperatur den Durchfluss und es ist nur ein starker AMOC möglich (rote Kurve). Bei hohem Frischwassereintrag ist nur ein kollabierter Zustand möglich (blaue Kurve). Dazwischen sind beide Zustände möglich. Wenn der Frischwassereintrag über einen kritischen Wert (den Kipppunkt) hinaus ansteigen würde, würde der AMOC zusammenbrechen. Selbst wenn der Frischwassereintrag in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt würde, würde der AMOC ausgeschaltet bleiben. Gutschrift: Met Office.

Langzeitprojektionen

Stommels Idee hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt, aber die grundlegenden Erkenntnisse sind immer noch relevant. Es gibt evidence dass AMOC-Veränderungen möglicherweise eine Rolle bei einigen großen Klimaveränderungen der Vergangenheit gespielt haben - zuletzt vor etwa 8,200 Jahren, als die Welt aus der letzten Eiszeit hervorging.

Zu dieser Zeit wurde ein riesiger See im Nordwesten Kanadas von einer Eiswand zurückgehalten. Als sich die Temperaturen erwärmten, brach die Eiswand zusammen. Ablagerung des Frischwassers vom See in den Nordatlantik und unterbricht das AMOC. Eine starke Abkühlung zu diesem Zeitpunkt ist in zu sehen paläoklimatische Aufzeichnungen in Nordamerika, Grönland und Europa.

Umfassende Klimamodelle prognostizieren im Allgemeinen keine vollständige Abschaltung des AMOC im 21. Jahrhundert, aber in letzter Zeit wurden Modelle weiter in die Zukunft geführt. Unter Szenarien von anhaltend hohe Treibhausgaskonzentrationen, eine Reihe von Modellen projizieren eine effektive AMOC-Abschaltung bis 2300.

Die Modellprojektionen des zukünftigen AMOC sind jedoch sehr unterschiedlich. Infolgedessen ist es bei der Frage, wie stark die globale Erwärmung zu einer Abschaltung des AMOC führen würde, unwahrscheinlich, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft in naher Zukunft eine Konvergenz feststellen wird.

Während der grundlegende Mechanismus, der das AMOC in Stommels ursprünglichem Modell destabilisiert, in Klimamodellen wichtig zu sein scheint, gibt es andere Prozesse, die versuchen, das AMOC zu stabilisieren. Viele dieser Prozesse sind schwer quantitativ zu modellieren, insbesondere mit der begrenzten Auflösung, die mit der aktuellen Rechenleistung möglich ist. Daher werden unsere AMOC-Prognosen noch einige Zeit mit gewissen Unsicherheiten behaftet sein.

Unter Berücksichtigung aller Beweise kamen AR5 und SROCC des IPCC zu dem Schluss, dass ein AMOC-Zusammenbruch vor 2100 „sehr unwahrscheinlich”(Pdf). Die Auswirkungen des Überschreitens eines AMOC-Wendepunkts wären jedoch enorm. Daher wird dies am besten als Szenario mit „geringer Wahrscheinlichkeit und hoher Auswirkung“ angesehen.

Welche Auswirkungen hätte ein Zusammenbruch?

Klimamodelle können verwendet werden, um die Auswirkungen auf das Klima zu bewerten, wenn das AMOC vollständig abgeschaltet wird. Durch das Hinzufügen großer Mengen Süßwasser zum Nordatlantik in einem Modell erleichtern Wissenschaftler künstlich das kalte, dichte Wasser, das den unteren Zweig der Schleife bildet. Dies stoppt das AMOC und wir können dann die Auswirkungen auf das Klima untersuchen.

Die folgende Abbildung zeigt die Änderungen, die zu einem solchen Experiment führen. Das Abschalten des AMOC führt zu einer Abkühlung (blaue Schattierung) der gesamten nördlichen Hemisphäre, insbesondere der Regionen, die der Zone des nordatlantischen Wärmeverlusts am nächsten liegen (der „Strahler“ des nordatlantischen Zentralheizungssystems). In diesen Regionen übersteigt die Abkühlung die projizierte Erwärmung aufgrund von Treibhausgasen, so dass eine vollständige Abschaltung im 21. Jahrhundert, obwohl sehr unwahrscheinlich, in Regionen wie Westeuropa zu einer Nettokühlung führen könnte.

Könnte der Atlantik umkippen?

Modellierte Änderung der Oberflächentemperatur (C) nach einem künstlich induzierten Kollaps des AMOC. Die Schattierung zeigt eine Abkühlung (blau) oder eine Erwärmung (orange und rot) an. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Springer. Jackson et al. (2015) Globale und europäische Klimaauswirkungen einer Verlangsamung des AMOC in einem hochauflösenden GCM, Climate Dynamics.

Weitere Auswirkungen sind starke Verschiebungen der Niederschlagsmuster, ein Anstieg der Winterstürme in Europa und ein Anstieg des Meeresspiegels um bis zu 50 cm um das Nordatlantikbecken. In vielen Regionen würden diese Effekte die Trends aufgrund der globalen Erwärmung verschärfen.

Während solche Modellexperimente künstlich sind "Was wäre wenn?" In Szenarien veranschaulichen sie das Ausmaß der Änderungen, die sich aus einem AMOC-Zusammenbruch ergeben könnten. Die Auswirkungen auf Landwirtschaft, wild lebende Tiere, Verkehr, Energiebedarf und Küsteninfrastruktur wären komplex, aber wir können sicher sein, dass dies erhebliche sozioökonomische Konsequenzen haben würde. Beispielsweise, einer Studie zeigten eine 50% ige Verringerung der Grasproduktivität in den wichtigsten Weideregionen des westlichen Vereinigten Königreichs und Irlands.

Was kann gegen das Risiko eines Zusammenbruchs getan werden?

Wie oben erläutert, sind Wissenschaftler weit davon entfernt, ein Maß an globaler Erwärmung sicher zu definieren, bei dem das AMOC Gefahr läuft, einen Wendepunkt zu überschreiten.

Es kann jedoch möglich sein, das Risiko eines AMOC-Zusammenbruchs zu steuern, auch ohne zu wissen, wie wahrscheinlich es ist.

Um eine häusliche Analogie zu ziehen: Ich weiß, dass es möglich, aber unwahrscheinlich ist, dass mein Haus niederbrennt - es ist ein Ereignis mit geringer Wahrscheinlichkeit und hoher Auswirkung. Ich habe keine Ahnung, wie wahrscheinlich es ist, dass ich einen Brand bekomme, aber ich kann das Risiko trotzdem bewältigen, indem ich die elektrischen Leitungen überprüfe und Rauchmelder installiere. Die Verkabelungsprüfung verringert die Wahrscheinlichkeit eines Brandes, während der Rauchmelder mich frühzeitig warnt, wenn ein Brand beginnt, damit die Auswirkungen verringert werden können - indem das Haus evakuiert und die Feuerwehr gerufen wird.

Vor kurzem zusammen mit Kollegen an der University of Exeterhaben wir die Möglichkeit untersucht, ein Frühwarnsystem für AMOC-Trinkgeld zu entwickeln.

Mit einem einfachen Modell, wir haben gezeigt dass die Art und Weise, wie sich die Salzgehalte des subtropischen und subpolaren Atlantiks im Laufe der Zeit entwickeln, einen frühen Hinweis darauf geben kann, ob der AMOC auf dem Weg zu einem Zusammenbruch ist, möglicherweise Jahrzehnte bevor im AMOC selbst eine größere Schwächung festgestellt wurde.

Es ist noch früh für diese Forschung, aber durch die Überwachung eines solchen Indikators kann es möglich sein, mehr Zeit zu geben, um sich auf die Folgen eines AMOC-Zusammenbruchs vorzubereiten, oder aggressivere Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels zu ergreifen, um das AMOC auf einen stabileren Weg zu bringen .

Offene Fragen

Während sich die Welt mit den Herausforderungen der Erreichung der Ziele des Pariser Klimaabkommens auseinandersetzt, steigt das Interesse an Klimapfaden, die vorübergehend überschießen das endgültige Ziellevel. Es ist wichtig, dass solche Überschwinger auf dem Weg zum endgültigen Ziel keine irreversiblen Schwellenwerte überschreiten. Daher muss die Forschung an Wendepunkten die theoretischen Ergebnisse mit diesen praktischeren Fragen verknüpfen.

Ein Großteil der bisherigen Modellierung von AMOC-Wendepunkten hat idealisierte Szenarien des Süßwassereintrags in den Nordatlantik verwendet. Dies ist für einige vergangene AMOC-Veränderungen relevant, aber um den zukünftigen Klimawandel zu modellieren, müssen wir verstehen, was passiert, wenn Erwärmung und Erfrischung zusammen stattfinden.

Dies ist ein schwierigeres Problem, da die Anzahl der relevanten Prozesse und Rückmeldungen erhöht wird. Einige dieser Prozesse arbeiten in kleinen Maßstäben, die Modelle mit der aktuellen Rechenleistung nur schwer lösen können. Die Verbesserung der Modellierung wichtiger AMOC-Prozesse erfordert Geduld und langfristiges Engagement, zahlt sich jedoch letztendlich in sichereren AMOC-Vorhersagen aus.

Die Forschung zur Frühwarnung vor einem AMOC-Kollaps steckt noch in den Kinderschuhen, kann jedoch eine fruchtbare Möglichkeit sein, auf das Risiko zu reagieren. Eines ist sicher: Frühwarnung erfordert eine kontinuierliche Beobachtung der wichtigsten Aspekte des AMOC.

Die AMOC-Überwachung trat 2004 mit in eine neue Ära ein RAPID-MOCHA, eine Reihe von festgemachten Instrumenten, die sich über die Breite des Atlantiks bei 26.5 Grad nördlicher Breite erstrecken und eine kontinuierliche Überwachung des AMOC ermöglichen. Zuvor gab es nur fünf Schnappschüsse der Auflage, die sich über 47 Jahre erstreckten.

Die Ergebnisse haben bereits unser Verständnis davon verändert, wie sich der AMOC zeitlich ändert: Zum Beispiel ein unerwarteter Einbruch im AMOC - beobachtet im Herbst 2009 - soll in den ungewöhnlich kalten europäischen Wintern 2009-10 und 2010-11 eine Rolle gespielt haben.

Vor kurzem wurde ein ähnliches Überwachungsarray wurde weiter nördlich im subpolaren Atlantik installiert. Zusammen mit kontinuierliche Messungen Ozeanographen verfügen nun über eine beispiellose Datenbank, in der sie dieses entscheidende Element unseres Klimasystems untersuchen und der Welt die Möglichkeit geben, sich auf böse Überraschungen vorzubereiten.

Über den Autor

Dr. Richard Wood, Leiter der Gruppe Klima, Kryosphäre und Ozeane im britischen Met Office Hadley Centre. Dr. Laura Jackson, eine Wissenschaftlerin in derselben Gruppe.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Carbon Brief

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