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Rückkopplungsprozesse
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Klimawandel: Grundlagen
Rückkopplungsprozesse im Klimasystem der Erde

Ein Rückkopplungsprozess ist ein Vorgang, bei welchem die Folgen auf den weiteren Verlauf des Geschehens Einfluss nehmen.

Eine positive Rückkopplung ist ein durch die Klimaerwärmung ausgelöster Prozess im Klimasystem der Erde, welcher zu einer zusätzlichen Erwärmung führt.

Klimafolgen können zudem kaskadenartige Prozesse auslösen oder Rückkopplungen aufweisen.

Rückkopplungsprozesse sind selbst für erfahrene Wissenschaftler schwierig zu erkennen. Aufgrund der momentan noch nicht ausreichenden Datengrundlagen sind solche Prozesse auch schwierig zu quantifizieren oder im Detail zu beschreiben.

Ein negativer Rückkopplungsprozesse käme in Gang, wenn durch das Abschmelzen von grossen Festlandeismassen grosse Mengen von Süsswasser in die Weltmeere würde. Das weltumspannende Netz von Meeresströmungen wurden durch die Abnahme des Salzgehalts im Meerwasser nachhaltig gestört. Der unterschiedliche Salzgehalt der verschiedenen Weltmeeren ist u.a. eine treibende Kraft für die weltweiten Meerwasserzirkulation. Im Nordatlantik würde die Zufuhr von gigantischen Wärmemengen, welche bisher mit dem Golfstrom nach Europa gelangen, unterbrochen. In Europa würde bei dieser Entwicklung eine drastische Abkühlung erfolgen. Durch das kühlere Klima würde u.a. die Biosphäre, die Hydrosphäre und die Kryosphäre stark verändern. Die landwirtschaftliche Anbaugrenzen sowie die Waldgrenzen würden sich nach Süden verschieben. In welcher Weise sich die Klimaerwärmung auf diesen Prozess auswirken würde, ist unklar.

Versüsst der Klimawandel den Nordatlantik?
Ozeanversauerung

Die wichtigsten positiven Rückkopplungen sind:

Wärmere Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen. Da Wasserdampf ein Treibhausgas ist, führt der mit der Erwärmung verbundene höhere Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre zu einem zusätzlichen Treibhauseffekt und damit zu einer weiteren Erwärmung. Dieser Verstärkungseffekt führt zu einer Erwärmung, die etwa gleich gross ist, wie die Erwärmung allein aufgrund des zusätzlichen Treibhauseffekts von CO2.
Schnee und Eis reflektieren einen hohen Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung. Nimmt aufgrund der Erwärmung die mit Schnee oder Eis bedeckte Fläche ab, so wird weniger Sonnenstrahlung reflektiert und mehr Strahlung aufgenommen, was zu einer weiteren, im globalen Vergleich überdurchschnittlichen Erwärmung in diesen Regionen führt. Betroffen sind vor allem Regionen in den Polargebieten und mit Gebirgen.
Aufgrund der Erwärmung ändern sich Prozesse im Kohlenstoffkreislauf. So verändert sich die CO2-Aufnahme von Pflanzen, aber auch die CO2-Bindung in Ozeanen oder von Mikroorganismen im Meer. Die Auswirkungen dieser Effekte können zurzeit noch nicht genau beziffert werden.
Erhöhter Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre kann auch zu Veränderungen in der Wolkenbedeckung führen. Dabei wirken hohe, dünne Wolken erwärmend, tiefe dicke Wolken dagegen abkühlend. Sie reflektieren Sonnenstrahlung und verminderndie Einstrahlung an der Erdoberfläche. Wie sich die Wolkenbedeckung verändert, ist zurzeit noch unklar und bildet die wichtigste Unbekannte in der Abschätzung des Ausmasses der globalen Erwärmung.
Quelle: Regierungsrat des Kantons Basel-Stadt, Bericht über die Folgen des Klimawandels im Kanton Basel-Stadt, 2011
Bericht über die Folgen des Klimawandels im Kanton Basel-Stadt

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat in ihrer 2018 veröffentlichten Studie «Trajectories of the Earth System on the Anthropocene» die Risikofaktoren aufgezeigt,wie die Erde durch verschiedene Rückkopplungsprozesse in einen Zustand geraten könnte, den die Forscher als "Hothouse Earth" bezeichnen.Eine solche Heisszeit wäre langfristig durch etwa 4°C bis 5°C höhere Temperaturen charakterisiert sowie durch einen Meeresspiegelanstieg um 10m bis 60m.

Die Autoren der Studie betrachten zehn natürliche Rückkopplungsprozesse, von denen einige mit den sogenannten Kippelementen im Erdsystem verknüpft sind. Durch das Überschreiten kritischer Schwellen könnten diese in fundamental andersartige Zustände versetzt werden. Die Rückkopplungen könnten z.B. Kohlenstoffspeicher in Kohlenstoffquellen verwandeln, die in einer entsprechend wärmeren Welt unkontrolliert Emissionen freisetzen würden. Weitere Informationen über die Studie:

Studie: Auf dem Weg in die "Heisszeit"?

Rückkopplungen zwischen Klima und Eis - ein Kipp-Element im Erdsystem

"Unter bestimmten Bedingungen wird das Schmelzen der Eismassen Grönlands unumkehrbar, wie unsere Studie zeigt", sagt Andrey Ganopolski vom PIK, Leiter des Forschungsteams. "Dies stützt die Annahme, dass die Eismassen dort ein Kipp-Element im Erdsystem sind. Wenn die weltweite Mitteltemperatur die von uns ermittelte Grenze deutlich und lange Zeit überschreitet, wird das Eis immer weiter abschmelzen und nicht wieder zunehmen - sogar wenn das Klima nach vielen tausend Jahren wieder zu einem Zustand wie vor der Industrialisierung zurückkehren würde."

Dies hängt mit Rückkopplungen zwischen Klima und Eisdecke zusammen: Das Eis auf Grönland ist mehr als 3'000 Meter dick, seine Oberfläche befindet sich daher in kühleren Höhenlagen. Sinkt sie durch das Schmelzen hinab in wärmere Luftschichten, so beschleunigt dies den weiteren Eisverlust. Zudem reflektiert das Eis einen grossen Teil der Sonneneinstrahlung zurück ins All. Wenn durch das Schmelzen die von Eis bedeckte Fläche schrumpft, wird mehr Sonnenstrahlung absorbiert, was die regionale Erwärmung verstärkt.

Die Wissenschaftler erzielten ihre Ergebnisse mit einer neuartigen Computer-Simulation der Eisdecke Grönlands und des regionalen Klimas. Die Veränderungen in diesen beiden physikalischen Systemen werden in der Simulation aufwändig durchgerechnet - einschliesslich wichtiger Prozesse wie zum Beispiel der Rückkopplungen im Klimasystem, die zusammenhängen mit Veränderungen des Schneefalls und der Eisschmelze als Folge der Erderwärmung. Das Modell bewies dabei die Fähigkeit, sowohl die heute beobachtbare Eisbedeckung korrekt zu berechnen als auch ihre Entwicklung über die vergangenen Eiszeit-Zyklen hinweg. Deshalb wird der Simulation zugetraut, auch die Zukunft richtig abzuschätzen. All dies macht die neue Abschätzung verlässlicher als die vorherigen.

Artikel:

Robinson, A., Calov, R., Ganopolski, A. (2012): Multistability and critical thresholds of the Greenland ice sheet. Nature Climate Change [doi:10.1038/NCLIMATE1449]

Quelle: Text Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, März 2012
Grönlands Eismassen könnten komplett schmelzen bei 1,6 Grad globaler Erwärmung
Klima
Kippelemente im globalen Klimasystem
Boreale Wälder Jetstream (Strahlstrom)
El Niño Southern Oscillation Grönländischer Eissschild
Permafrost Indischer Monsun
Sahel Alpine Gletscher
Arktisches Sommer-/Wintereis Thermohaline Zirkulation
Korallenriffe Antarktische Schelfeise
Antarktische Eissschilde Arktisches Meereis
Albedo Rückstrahlvermögen beim Einstrahlen von Sonnenlicht
Rückkopplung Ein Rückkopplungsprozess ist ein Vorgang, bei welchem die Folgen auf den weiteren Verlauf des Geschehens Einfluss nehmen.
Strahlungsantrieb Der Strahlungsantrieb ist ein Mass für den Einfluss, den ein Faktor auf die Änderung des Gleichgewichtsvon einfallender und abgehender Energie im System Erde-Atmosphäre hat, und ist ein Index für die Bedeutung eines Faktors als potentieller Mechanismus einer Klimaänderung. Ein positiver Antrieb führt tendenziell zur Erwärmung der Erdoberfläche während ein negativer Antrieb tendenziell zu einer Abkühlung führt.

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