Rückkopplungsschleifen und Kipppunkte

Dass die menschengemachten CO2-Emissionen und die daraus folgende Erderwärmung den Zustand unserer Erde und ihren Subsystemen verändert, ist mittlerweile jedem bewusst. Doch eine besonders große Gefahr lauert in den sogenannten Rückkopplungsschleifen und Kipppunkten, die wenn sie erreicht werden, ganze Systeme kollabieren lassen und den Klimawandel rasant beschleunigen.


Der Eingriff der Menschen in die Natur samt seiner umweltschädlichen Lebens- und Wirtschaftsweise hat unweigerliche Konsequenzen auf den Zustand der Erde und des Klimas. Wir stoßen Treibhausgase aus, die dazu führen, dass sich die Atmosphäre erwärmt und das Klima sich langfristig verändert. Doch vielen ist leider nicht bewusst, dass das Ursache-Wirkungs-Prinzip im Fall von Klimasystemen viel zu simplifiziert ist. Denn es gibt neben kontinuierlichen Veränderungen auch sogenannten Rückkopplungsschleifen. Dies sind Prozesse, die sich selbst verstärken und irreversible, fatale Veränderungen im globalen Klimasystem hervorrufen. 

Der Klimawandel und die daraus resultierenden erhöhten Temperaturen können Rückkopplungsschleifen hervorrufen, die den Zustand von klimatischen und ökologischen Systemen unumkehrbar verändern können. 

Eine Rückkopplungsschleife ist in der Klimatologie eine Wechselwirkung, bei der die Veränderung eines Klimafaktors, zur Änderung eines zweiten Klimafaktors führt und letztere Änderung wiederum zu einer zusätzlichen Änderung des ersten Klimafaktors führt. Eine Rückkopplungsschleife liegt demzufolge vor, wenn Output und Input eines Systems unweigerlich miteinander verbunden sind. Dabei unterscheidet man zwischen Veränderungen, die den Systemzustand verstärken (positive Rückkopplung) oder hemmen (negative Rückkopplung). Rückkopplungsschleifen können die Auswirkungen von Klimaveränderungen also entweder verstärken oder abschwächen. 

Um das Phänomen verständlich zu machen, wollen wir dir es anhand eines Beispiels in der Praxis erklären: dem Abschmelzen des Arktikeis. Der Albedo-Effekt beschreibt das Rückstrahlungsvermögen von Oberflächen, also inwieweit sie Sonnenstrahlen absorbieren oder reflektieren und zurückstrahlen. Das Eis in der Arktis hat ein hohes Rückstrahlungsvermögen, was ein stabiles Klima in der Arktis ermöglicht. Als Folge der globalen Erwärmung schmilzt das Eis in der Arktis allerdings immer mehr ab. Der Anteil an nicht von Eis bedeckter Wasserfläche wächst, wodurch wiederum mehr Sonnenstrahlen absorbiert werden, was zu einem Anstieg der Meerestemperatur und somit zu einem weiteren Abschmelzen von Eis führt. Die Stabilität des gesamten Klimasystems gerät dadurch ins Wanken. Da der anfängliche Störfaktor eine Verstärkung des Systemzustandes, in diesem Fall die fortschreitende Erwärmung, bewirkt, spricht man hier von einer positiven Rückkopplungsschleife. 

Positive Rückkopplungsschleifen können somit katastrophale Kaskadeneffekte hervorrufen und in sogenannten Kipppunkten resultieren. Wird ein Kipppunkt erreicht gibt es kein Zurück mehr und die Effekte auf das System und dessen Umwelt sind irreversibel. Denn wenn sich Systemeigenschaften in einem Maß verändern, in dem sich das (Klima-)System nicht natürlicherweise wieder erholen kann, wird es nicht mehr zum Ausgangszustand zurückkehren, selbst wenn die Ursachen der Veränderung verringert werden. Im Falle des Klimasystems handelt es sich hierbei also um eine kritische Schwelle, bei der das Klima seinen stabilen Zustand verliert und folglich ganze Ökosysteme kollabieren können.

Hier sind fünf Beispiele für Kipppunkte, die unser Klima sowie das Leben auf der Erde grundlegend verändern könnten:

1. Abschmelzen des arktischen Meereises

Wie wir bereits beschrieben haben, würde das Abschmelzen des arktischen Meereseis eine Umwälzung des gesamten lokalen Klimasystems der Arktis (durch eine erhöhte Meerestemperatur) sowie globale Konsequenzen wie einen weltweiten Anstieg des Meeresspiegels haben. Zusätzlich zu diesem Rückkopplungsmechanismus, der durch das Abschmelzen von Eis weiterhin steigende Temperaturen und einen steigenden Meeresspiegel verursacht, wird angenommen, dass sich auch die Stabilität der arktischen Meeresströmung verändern würde. Denn durch das zunehmende Abschmelzen von Arktiseis gelangt mehr Süßwasser in die Meeresströmung, was zu einer Verlangsamung der thermohalinen Zirkulation führt. Da Meeresströmungen das globale Klima maßgeblich beeinflussen, würde diese Veränderung einen Klimawechsel in globalem Ausmaß mit sich bringen. 

2. Auftauen der Permafrostböden

Durch erhöhte Temperatur tauen die Permafrostböden in den borealen Breiten, in Kanada und Russland immer mehr auf. Wenn der Permafrostboden auftaut, werden Mikroorganismen aktiv, die Kohlenstoff aus dem Boden in die Atmosphäre abgeben, wodurch mehr Wärme in der Atmosphäre gebunden und die Erderwärmung beschleunigt wird.

3. Austrocknen des amazonischen Regenwaldes

Je stärker die Erderwärmung voranschreitet, desto mehr trocknet der amazonische Regenwald aus. Degradierte, trockene Wälder binden weniger Kohlenstoff, was wiederum zu weiterer Erwärmung beiträgt und die Wälder noch mehr austrocknet. Außerdem wird durch die voranschreitende Abholzung zusätzlich CO2 freigesetzt, was den Klimawandel ebenfalls ankurbelt.

4. Schwächung der marinen Kohlenstoffabsorption

Der Ozean speichert enorme Mengen an Kohlenstoff und an durch die CO2-Emissionen verursachte Wärme. Diese Fähigkeit wird allerdings durch den Klimawandel zunehmend geschwächt. Denn sind die Wärmespeicherkapazitäten des Ozeans irgendwann ausgelastet, verändert sich das Verhältnis des Wärmeaustauschs zwischen Ozean und Atmosphäre und die im Ozean gespeicherte Wärme wird wieder in die Atmosphäre freigesetzt. Dies würde zu einer rasanten Erwärmung der Atmosphäre führen. Auch die Freisetzung von im Ozean gespeichertem CO2 kann ab einem kritischen Sättigungspunkt erreicht werden, was zur Folge hätte, dass der Klimawandel bedeutend beschleunigt wird.

5. Störung des indischen Monsuns

Der indische Monsun ist ein durch Druckunterschiede zwischen Land und Ozean entstehendes System, der das Wetter und Klima in großen Teilen Asiens beeinflusst. Das indische Monsungebiet ist durch jahreszeitlich wechselnde Winde und hohe saisonale Niederschläge abwechselnd mit Trockenzeiten gekennzeichnet. Doch die zusätzlich freigesetzte Wärme durch menschengemachte CO2-Emissionen kann zu Veränderungen der Monsunzirkulation führen. Gerät der Monsun aus dem Gleichgewicht, wird er also entweder verstärkt oder abgeschwächt, kann es zu Wetterextremen wie Überschwemmungen und Dürren kommen. Sollte das Monsunsystem seinen Kipppunkt erreichen, ist das Leben von mehreren 100 Millionen Menschen betroffen.

Sollten diese Kipppunkte eintreten, ist also nicht nur eine rasant fortschreitende Erderwärmung und Verstärkung des Klimawandels garantiert, sondern auch eine gravierende Verschlechterung der Lebensqualität für alle Menschen. Denn werden Wetterextreme, Überschwemmungen, Dürren und andere Naturkatastrophen zum Normalfall, wird unsere gesamte Lebensgrundlage sowie die Nahrungsmittel-, Wasser- und Energiesicherheit in großem Umfang gefährdet.

Durch unsere umweltschädliche Lebens- und Wirtschaftsweise gerät die Balance der Öko- und Klimasysteme der Erde aus dem Gleichgewicht. Selbst die subtilsten Veränderungen können Rückkopplungsschleifen hervorrufen und in gravierenden Kipppunkten resultieren, welches fatale Auswirkungen auf das gesamte globale Klimasystem hat. Doch es gibt noch Möglichkeiten diesen klimatischen Katastrophen entgegenzuwirken. Dafür muss die Ausbeutung von natürlichen Ressourcen und Zerstörung von Ökosystemen stoppen und wir müssen die menschengemachten CO2-Emissionen drastisch reduzieren, um Ökosysteme in Stand zu halten und positive Rückkopplungsschleifen und Kipppunkte weitestgehend zu verhindern. 

Literaturverzeichnis

IPCC (2018). Annex I: Glossary. https://www.ipcc.ch/sr15/chapter/glossary/ 

Wiki Bildungsserver (2021). Kipppunkte im Klimasystem. https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Kipppunkte_im_Klimasystem#Schw.C3.A4chung_der_marinen_Kohlenstoffpumpe

Wiki Bildungsserver (2016). Indischer Monsun. https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Indischer_Monsun