Kippelemente im Klimasystem einfach erklärt

Zum Erdsystem gehören miteinander verbundene Teile der Erde, etwa Eis, Meere und Luft. Das Klima beschreibt typische Wetterverhältnisse über lange Zeiträume. Ein Kippelement ist ein wichtiger, großer Bestandteil des Erdsystems, der ein Schwellenverhalten zeigt: Bei zunehmender globaler Erwärmung bleibt sein Zustand zunächst im Wesentlichen stabil. Ab einer kritischen Schwelle kann eine kleine zusätzliche Störung einen grundlegend anderen Zustand auslösen. Globale Erwärmung meint dabei die Erwärmung der Erde im weltweiten Mittel.

Der Kipppunkt ist diese kritische Schwelle. Das Kippelement ist also der betroffene Bestandteil; der Kipppunkt ist seine Grenze für einen möglichen Zustandswechsel. Die Prozessdauer beschreibt dagegen, wie lange der Übergang dauert. Das Überschreiten der Schwelle und der Abschluss des Übergangs sind verschiedene Dinge: Der Übergang kann sprunghaft oder allmählich erfolgen.

Der neue Zustand kann erhalten bleiben, selbst wenn die Erwärmung später wieder unter die ursprüngliche Schwelle sinkt. Eine Rückkehr der Temperatur bedeutet deshalb nicht automatisch eine Rückkehr zum früheren Zustand.

Eine Rückkopplung entsteht, wenn eine Folge auf die Veränderung zurückwirkt, die sie ausgelöst hat. Selbstverstärkend heißt: Diese Rückwirkung verstärkt die anfängliche Veränderung. Wirkt die Folge der Veränderung entgegen, ist die Rückkopplung abschwächend. Dass zwei Veränderungen gleichzeitig auftreten, reicht als Erklärung nicht: Du musst zeigen, wie die eine die andere beeinflusst und wie die Wirkung zurückführt.

Ein Beispiel ist Grönlands Eisschild. Ein Eisschild ist eine sehr große, zusammenhängende Eismasse auf dem Land; Grönland ist eine Insel. Verliert der Eisschild Eis und dadurch langfristig an Höhe, liegt seine Oberfläche tiefer. Sie gelangt damit in wärmere Luftschichten. Das verstärkt das Abschmelzen und führt zu weiterem Eisverlust. Die Höhenabnahme verstärkt also den Prozess, durch den sie entstanden ist.

Solche selbstverstärkenden Prozesse liegen dem Schwellenverhalten oft zugrunde. Einmal angestoßen, können sie auch ohne einen weiteren äußeren Anstoß weiterlaufen. Das bedeutet nicht, dass jeder Eisverlust bereits beweist, dass ein Kipppunkt überschritten wurde.

Vier Angaben beantworten verschiedene Fragen. Der Schwellenwert beschreibt, ab welcher Erwärmung ein Kippen wahrscheinlich ist. Weil die Schwelle nicht exakt bekannt ist, wird zusätzlich eine mögliche Bandbreite angegeben: ein Temperaturbereich, in dem ein Kippen möglich ist. Die Prozessdauer beschreibt die Zeit für den Übergang. Studien sind wissenschaftliche Untersuchungen. Die Studienlage umfasst die verfügbaren Studien und ihre Ergebnisse. Die wissenschaftliche Sicherheit bewertet hier die Aussagen zur Temperaturschwelle anhand der Anzahl und Übereinstimmung der passenden Studien. Hohe Sicherheit ist weder eine genaue Eintrittswahrscheinlichkeit in Prozent noch ein Beleg für eine exakt bekannte Schwelle. Sie beschreibt auch nicht die Dauer des Prozesses.

Die folgenden Angaben stammen aus der Zusammenfassung „Kippelemente – Großrisiken im Erdsystem“ des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung, einer Forschungseinrichtung. Die dortige Einschätzung der wissenschaftlichen Sicherheit bezieht sich auf eine Untersuchung von Armstrong McKay und seinem Forschungsteam aus dem Jahr 2022. Alle Temperaturangaben meinen die globale Erwärmung gegenüber dem vorindustriellen Wert, also dem Vergleichswert aus der Zeit vor der Industrialisierung. Industrialisierung bezeichnet die starke Ausbreitung der Herstellung mit Maschinen und Fabriken. °C bedeutet Grad Celsius, eine Einheit für Temperatur. Die Angaben sind keine örtlichen Temperaturmessungen an Grönlands Eisoberfläche.

Für Grönlands Eisschild nennt diese Einordnung knapp 1,5 °C als Erwärmung, bei der der Kipppunkt wahrscheinlich erreicht werden könnte. Der mögliche Bereich reicht nach dieser Einschätzung von etwa 0,8 bis 3 °C. Die Grenzen sind Schätzungen und keine exakt bekannten Naturwerte. Für den auf lange Sicht annähernd vollständigen Eisverlust nennt die Zusammenfassung etwa 10.000 Jahre. Die Abschätzungen der Prozessdauer reichen von mindestens 1.000 bis zu 15.000 Jahren. Je weiter die Temperaturschwelle überschritten wird, desto schneller kann der Prozess ablaufen. Diese Dauer ist kein Kalenderdatum und beginnt nicht einfach im Jahr 2022.

Die wissenschaftliche Sicherheit der Aussage zur Temperaturschwelle wird dort als hoch eingestuft. Trotzdem bleiben die genaue Schwelle und der Verlauf unsicher. Bei einer Beurteilung hältst du deshalb alle vier Angaben getrennt. Auch die erfundenen Übungskarten dieser Lektion verwenden globale Erwärmung gegenüber dem vorindustriellen Wert; ihre Zahlen sind Lernmaterial und keine Beobachtungen oder Forschungsergebnisse.