Die Thermohaline Zirkulation im Treibhausklima

Wie wird sich die Thermohaline Zirkulation in den nächsten Jahrzehnten durch die globale Erwärmung verändern? Die meisten Modellrechnungen prognostizieren eine Schwächung um 20-30 %.

Die Thermohaline Zirkulation im Treibhausklima

Der Blick auf die THC im Eiszeitalter liefert wertvolle Erkenntnisse für die Frage nach dem Verhalten dieses für Europa entscheidenden Klimafaktors auch in einer wärmeren Welt. Er zeigt erstens, dass es nicht nur einen Modus der thermohalinen Zirkulation im Nordatlantik geben muss, und zweitens, dass der jetzige Modus sehr empfindlich auf eine erhöhte Frischwasserzufuhr reagieren kann. Da bei einer globalen Erwärmung sowohl der Wasserkreislauflauf und die Niederschläge vor allem in den höheren Breiten verstärkt werden wie auch das Schmelzen von Eis (von Meereis und Grönlandeis) begünstigt wird, wird die Frischwasserzufuhr in den Nordatlantik aller Wahrscheinlichkeit nach erhöht und damit die Dichte des Oberflächenwassers in den Absinkgebieten der THC verringert. Auch die Erwärmung des Oberflächenwassers infolge des Treibhauseffektes trägt zur Verringerung der Dichte bei. Entsprechend haben die meisten Klimamodelle für das 21. Jahrhundert eine deutliche Schwächung der THC zwischen 20-50% berechnet und schließen ein komplettes Versiegen bei einem Temperaturanstieg von 4-5 oC in 100 Jahren nicht aus (s. Abb. 1).1 Die meisten Modelle stimmen allerdings darin überein, dass eine Schwächung der THC in den betroffenen Regionen nicht zu einer Abkühlung unter die vorindustriellen Werte führen wird, d.h. dass die Erwärmung etwa in Westeuropa lediglich schwächer ausfallen wird als ohne eine Veränderung der THC. Andere Folgen betreffen eine erhöhte Rate des Meeresspiegelanstiegs und die reduzierte Fähigkeit des Ozeans zur CO2-Aufnahme.2 Für die Gegenwart zeigen zwar weder Modelle noch Beobachtungen eine Veränderung der THC durch den Klimawandel. Jüngste Beobachtungen einer Erhöhung der Frischwasserzufuhr durch die Sibirischen Flüsse in das Norpolarmeer stützen jedoch die erwähnten Prognosen für das 21. Jahrhundert.3 Es gibt aber auch gegenteilige Berechnungen, die eine Stabilisierung der THC prognostizieren, zum einen durch eine höhere Verdunstung, zum anderen durch den Einfluss der zu erwartenden Trends der Nordatlantischen Oszillation (NAO) und des El Niño-Effekts.4

Änderung der thermohalinen Zirkulation im Nordatlantik 1900-2200 nach drei Modellrechnungen
Abb. 1:
Entwicklung der thermohalinen Zirkulation (auch Meridionale Umwälzzirkulation (MOC)) im Nordatlantik bei 30°N zwischen 1900 und 2200 nach drei verschiedenen Modellsimulationen (rot: MPI-M Hamburg, lila: Hadley Centre Großbritannien, grün: NASA/GISS USA)5

Ein grundlegendes Problem jeder Vorhersage des Verhaltens der THC ist die Nichtlinearität des Systems. Verschiedene Modellrechnungen haben gezeigt, dass die Schwächung der Tiefenwasserproduktion durch erhöhte Frischwasserzufuhr sich auf eine Grenze zubewegt, bei deren Überschreiten oder sogar schon bei deren Annäherung das System umkippen kann.6 Die THC kann aus dem Modus A in den Modus C übergehen. Dieser Übergang kann viele Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte dauern, er kann sich aber auch plötzlich innerhalb von Jahren vollziehen.7 Die Zunahme der Wirksamkeit der Einflussfaktoren schon bei Annäherung an die kritische Grenze, die vielleicht schon in diesem Jahrhundert erreicht werden kann, schränkt die Vorhersagbarkeit des Verhaltens der THC stark ein.8 Eine einmal abgestellte thermohaline Zirkulation kann möglicherweise noch Tausende von Jahren nach dem Ende der globalen Erwärmung in diesem Zustand verharren, bis eine verringerte Frischwasserzufuhr sie wieder beleben könnte. Im Gegensatz zu glazialen Verhältnissen ist die thermohaline Zirkulation der Gegenwart allerdings wesentlich stabiler, d.h. die Frischwasserstörung müsste deutlich größer ausfallen, um das System vom Modus A in den Modus C zu treiben.

Schematische Darstellung zur Stabilität der nordatlantischen thermohalinen Zirkulation
Abb. 2:
Schematische Darstellung zur Stabilität der nordatlantischen thermohalinen Zirkulation im gegenwärtigen Warmzeitklima (links) und bei kaltzeitlichen Klimaverhältnissen (rechts): Unter gegenwärtigen Bedingungen besitzt die THC zwei mögliche stabile Zustände, A und C. Es bedarf einer relativ großen Veränderung der Frischwasserzufuhr (0-F1 bzw. F1-F2), um das System vom Zustand A in den Zustand C umkippen zu lassen und umgekehrt. Dagegen braucht es für den kaltzeitlichen Wechsel von Modus A in B und umgekehrt nur einer geringen Frischwasserstörung (F2-F1 bzw. 0-F2). Für die kaltzeitlichen Heinrich-Events (C) ist allerdings eine wesentlich größere Frischwasserzufuhr (durch Gletscherabbrüche) nötig (0-F3).9

Anmerkungen:
1. Rahmstorf, S. (2000): The Thermohaline Circulation: a System with Dangerous Thresholds? An Editorial Comment, Climatic Change 46, 247-25; IPCC (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Houghton, J.T. et al., eds.), Cambridge and New York, 9.3.4.3; Knutti, R. and T.F. Stocker (2002): Limited Predictability of the Future Thermohaline Circulation Close to an Instability Threshold, Journal of Climate 15, 179-186
2. Rahmstorf, S. (2000): The Thermohaline Circulation: a System with Dangerous Thresholds? An Editorial Comment, Climatic Change 46, 247-256; Knutti, R. and T.F. Stocker 2000): Influence of the Thermohaline Circulation on Projected Sea Level Rise, Journal of Climate 13, 1997-2001; Joos, F., G.K. Plattner, T.F. Stocker, O. Marchal and A. Schmittner (1999): Global Warming and Marine Carbon Cycle Feedbacks on Future Atmospheric CO2, Science 284, 264-267
3. Peterson, B.J., R.M. Holmes, J.W. McClelland, C.J. Vörösmarty, R.B.Lammers, A.I. Shiklomanov, I.A. Shiklomanov and Stefan Rahmstorf(2002): Increasing River Discharge to the Arctic Ocean, Science 298, 2171-2173
4. vgl. Knutti, R. and T.F. Stocker (2002): Limited Predictability of the Future Thermohaline Circulation Close to an Instability Threshold, Journal of Climate 15, 179-186
5. Eigene Darstellung nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure 10.15
6. Rahmstorf, S. (2000): The Thermohaline Circulation: a System with Dangerous Thresholds? An Editorial Comment, Climatic Change 46, 247-256; Knutti, R. and T.F. Stocker (2002): Limited Predictability of the Future Thermohaline Circulation Close to an Instability Threshold, Journal of Climate 15, 179-186
7. Rahmstorf, S. (1997): Ocean Currents and Climate Change, http://www.pik-potsdam.de/~stefan; Rahmstorf, S. (2000): The Thermohaline Circulation: a System with Dangerous Thresholds? An Editorial Comment, Climatic Change 46, 247-256
8. Knutti, R. and T.F. Stocker (2002): Limited Predictability of the Future Thermohaline Circulation Close to an Instablity Threshold, Journal of Climate 15, 179-186
9. angelehnt an Paillard, D. (2001): Glacial hiccups, Nature 409, 147-148

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