Meeresspiegelanstieg bis 2100
Aussagen über den zukünftigen Meeresspiegelanstieg sind mit großen Unsicherheiten behaftet. Nicht nur, dass sie wie jede Klima"prognose" wegen der zugrundeliegenden Emissionsszenarien nur Entwürfe über mögliche Zukünfte darstellen. Bereits über das gegenwärtige Verhalten der Eisschilde in einem wärmeren Klima sind die Kenntnisse sehr begrenzt. Der globale Meeresspiegelanstieg der Zukunft wird durch Klimamodelle simuliert. Dabei unterscheidet man zwei Arten von Modellen, prozessbasierte und semi-empirische Modelle. Die prozessbasierten Modelle leiten den Meeresspiegelanstieg aus den Prozessen ab, die ihm zugrunde liegen, vor allem aus der Erwärmung des Meerwassers und dem Abschmelzen von Gletschern und Eisschilden. Die semi-empirischen Modelle, die in der Forschung eine geringere Rolle spielen, berechnen eine statistische Beziehung zwischen globaler Temperaturänderung und Meeresspiegelanstieg in der Vergangenheit und wenden die Ergebnisse auf die Zukunft an.
Abb. 1: Anstieg des Meeresspiegels nach verschiedenen RCP-SzenarienB1
In Abhängigkeit von den IPCC-Emissions-Szenarien und der daraus abgeleiteten Erwärmung lässt sich mit einiger Zuverlässigkeit der Anstieg durch die Ausdehnung des Meerwassers bestimmen. Der 5. Bericht des Weltklimarats IPCC von 2013 gibt für das RCP8.5-Szenario einen Meeresspiegelanstieg von 45-82 cm an (Abb. 1). Der Anteil der thermischen Ausdehnung wird dabei auf 30-55% geschätzt. Bei dem niedrigen Szenario RCP2.6 wird eine thermale Expansion von 10 bis 18 cm angenommen.1 Die Zunahme der Ozeanmasse durch das Abschmelzen von Eis, insbesondere durch die Eisdynamik, ist wesentlich schwieriger zu prognostizieren. Die einzelnen Ursachen des Meeresspiegelanstiegs der Zukunft werden weiter unten diskutiert.2
Abb. 2: Anstieg des globalen Meeresspiegels nach den Szenarien RCP2.6 und RCP8.5 bis 2100B2
2019 hat der IPCC einen Sonderbericht über den Ozean und die Kryosphäre im Klimawandel veröffentlicht.3 Darin werden nach Auswertung der nach dem letzten IPCC-Bericht von 2013 veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten die damaligen Einschätzungen über den Meeresspiegelanstieg bis 2100 nach oben korrigiert (Abb. 2). Aktuell liegt die Rate des Meeresspiegelanstiegs bei 3-4 mm für den Zeitraum 2005-2015. Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts wird bei dem niedrigen Szenario RCP2.6, bei dem die Erwärmungsgrenze von 2 °C nach dem Pariser Abkommen von 2015 nicht überschritten wird, diese Rate auf 4-9 mm steigen. Der Meeresspiegel wird bei diesem Szenario bis 2050 um 24 cm und bis 2100 um 29-59 cm ansteigen. Kommt es zu dem hohen Szenario RCP8.5, ist gegen Ende des Jahrhunderts eine Anstiegsrate von 10-20 mm pro Jahr zu erwarten, also etwa viermal so hoch wie heute. Der Anstieg des Meeresspiegels wird dann bis 2050 bei 32 cm liegen und gegen Ende des Jahrhunderts bei 61-110 cm. Die Unsicherheiten der Projektionen nehmen nach 2050 deutlich zu, daher auch die großen Bandbreiten. Hauptgrund sind die Schwierigkeiten, das Abschmelzen des Antarktischen Eisschildes abzuschätzen.4
Eine systematische Untersuchung von Expertenmeinungen zum Meeresspiegelanstieg bis 2100 und 2300 nach den Szenarien RCP2.6 und RCP8.5, die 2020 erschienen ist,4a kommt zu etwas höheren Werten. Bei RCP2.6 liegt der wahrscheinliche Anstieg des globalen Meeresspiegels bei 30-65 cm und bei dem Szenario RCP8.5 bei 63-132 cm. Auch nach dieser Studie stellt der Antarktische Eisschild, und zwar vor allem die Eisdynamik, die größte Quelle für die Unsicherheiten der Abschätzungen dar.
Künftige Ursachen
Als Ursachen für den Meeresspiegel-Anstieg kommen vor allem die thermale Expansion des Meerwassers durch die Erwärmung der Ozeane (thermosterischer Anstieg) und die Zunahme des Wasservolumens durch das Abschmelzen von Eis auf dem Land (eustatischer Anstieg) in Frage.
Sterischer Meeresspiegelanstieg
Die Ausdehnung des Ozeanwassers kann zwei Ursachen haben, die Wärmeaufnahme des Ozeans und eine mögliche Abnahme des Salzgehalts. Die Erwärmung des Meerwassers ist im allgemeinen bei weitem die wichtigste Ursache. In bestimmten Regionen kann aber auch der Salzgehalt die dominierende Rolle spielen.
Die Energiezunahme des Klimasystems durch den Klimawandel wird zu mehr als 90 % vom Ozean aufgenommen. Durch die Erwärmung des Ozeans dehnt sich das Meerwasser aus und bewirkt einen Anstieg des Meeresspiegels, der im Mittel 11 cm pro 1024 Joule beträgt. In den ersten Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts erwärmen sich vor allem die oberen Schichten der Wassermasse. Mit der Zeit wird die Erwärmung in tiefere Schichten abgegeben, was vor allem im Nördlichen Atlantik und Südlichen Ozean passiert, weil hier die vertikale Zirkulation und turbulente Mischungsvorgänge am ausgeprägtesten sind. Über längere Zeiträume von Jahrtausenden beträgt der Meeresspiegelanstieg durch thermale Expansion nach verschiedenen Modellrechnungen 20-63 cm pro Grad Celsius globaler Erwärmung, bei einem Mittel von 42 cm.5
Bis 2081-2100 wird der Meeresspiegelanstieg durch thermale Expansion nach Szenario RCP2.6 im Mittel 14 cm betragen und nach RCP8.5 im Mittel 27 cm.6
Eustatischer Meeresspiegelanstieg
Der wichtigste Faktor für den Anstieg des globalen Meeresspiegels bis zum Ende des 21. Jahrhunderts und darüber hinaus wird das Abschmelzen der Eismassen der Erde sein. Das Abschmelzen von Gletschern und Eiskappen wird zwar ebenfalls seinen Beitrag leisten, aber eindeutig begrenzt sein. Sie tragen bis 2100 je nach Szenario zwischen 7-17 cm (RCP2.6) und 12-26 cm (RCP8.5) zum Meeresspiegelanstieg bei. Hinzu kommen noch einmal 3-6 cm, wenn die Randgletscher von Grönland und Antarktis einbezogen werden. Große Unsicherheiten bestehen bei den Gletschern, die direkt ins Meer münden und ihr Eis durch Kalben verlieren. Das betrifft etwa 280 500 km2 bzw. 38 % der globalen Gletscherfläche von 734 000 km2 insgesamt. Diese Gletscher können stoßweise in relativ kurzer Zeit sehr viel Eis verlieren.7
Grönland und Antarktis
Die größte Gefahr für den Meeresspiegelanstieg geht von einem Schmelzen der großen Eisschilde Grönlands und der Antarktis aus. Das zeigt schon der Blick auf den gewaltigen Meeresspiegelanstieg seit dem Höhepunkt der letzten Kaltzeit um 120 m, der fast vollständig durch das Abschmelzen der Eismassen auf den Kontinenten der Nordhalbkugel verursacht wurde, während die Ausdehnung des Meerwassers durch Erwärmung daran nur einen verschwindend kleinen Anteil hatte. Auch in den nächsten Jahrhunderten und Jahrtausenden wird bei anhaltender globaler Erwärmung das Abschmelzen Grönlands und von Teilen der Antarktis den Meeresspiegel zunehmend beeinflussen, während der Anteil durch Erwärmung des Ozeanwassers und der der Gletscher und Eiskappen immer geringer wird.
Der künftige Beitrag des Grönländischen Eisschilds zum Meeresspiegelanstieg wird zunehmend höher ausfallen.8 Zum einen wird die wachsende Ablation (durch Schmelzen an der Oberfläche) die Akkumulation (durch Schneefall) mehr und mehr übertreffen. Der Niederschlag nimmt zwar nach Modellprojektionen um 5 % pro 1 °C Erwärmung über Grönland zu. Die Zunahme des Schneefalls ist jedoch geringer, weil der Anteil an Regen am Gesamtniederschlag mit der höheren Temperatur wächst. Die Gebiete und die Zeiten, in denen statt Schnee Regen fällt, werden immer ausgedehnter. In diesem Zusammenhang spielen außerdem Feedbackprozesse eine Rolle, durch die die Beschleunigung der Schmelzwasserproduktion zunimmt. Wenn helle Schneeflächen mit einer hohen Albedo beim Schmelzen durch dunklere Wasser- oder wiedergefrorene Eisoberflächen ersetzt werden, verringert sich die Albedo. Die Folge ist eine höhere Absorption von Strahlung, die zu höheren Temperaturen und stärkerem Abschmelzen des Eises führt.
Höhere Temperaturen sowohl in der Atmosphäre wie im Ozean und die Produktion von Schmelzwasser haben außerdem einen viel diskutierten Einfluss auf die Dynamik des Eisschildes, d.h. vor allem auf die Fließbewegungen Richtung Meer. Das ist gegenwärtig schon durch Beobachtungen feststellbar. Der Eisverlust durch das Kalben ins Meer an der Front und das Abschmelzen von im Meer mündenden Gletscherzungen von Auslassgletschern führt schon heute zu erheblichen Eisverlusten, weil sie das Tempo erhöhen, mit dem der Eisschild ins Meer abfließt. Dieses Tempo wird auch dadurch beschleunigt, dass Schmelzwasser in Gletscherspalten unter den Eiskörper gerät und hier wie ein Schmierfilm wirkt.
Über längere Zeiträume ist ein weiterer wichtiger Feedback-Prozess die Verringerung der Höhe des Eisschildes durch das stetige Abschmelzen. Dadurch gerät die Eisoberfläche in Niveaus mit höheren Temperaturen als heute, was das weitere Abschmelzen beschleunigt. Weitere Prozesse, die auf das Abschmelzen des Grönländischen Eisschilds zurückwirken, sind Auswirkungen etwa des Schmelzwasserflusses auf Meeresströmungen, z.B. auf die thermohaline Zirkulation im Nordatlantik. Da das Süßwasser der Eisschmelze die thermohaline Zirkulation schwächen würde, wäre die Rückkopplung eher negativ und würde das Abschmelzen des Eisschildes auf Grönland abschwächen. Der Effekt wird jedoch für dieses Jahrhundert als sehr gering eingeschätzt.
Insgesamt wird der Beitrag des Grönländischen Eisschildes bis 2081-2100 im Vergleich zu 1986-2005 sowohl durch direktes Abschmelzen wie durch die Eisdynamik nach dem Szenario RCP8.5 auf 12 (maximal 23) cm eingeschätzt, nach RCP2.6 auf 7 (maximal 13) cm.9
Für das 21. Jahrhundert wird das oberflächliche Abschmelzen des antarktischen Eisschildes wegen der niedrigen Temperaturen als relativ gering eingeschätzt. Ausnahmen sind die Küstenzonen und die Antarktische Halbinsel. Der Schneefall wird dagegen zunehmen, weil die Atmosphäre sich erwärmt und mehr Wasserdampf aufnehmen kann. Netto wird damit die Masse des Eisschildes um ca. 5 % zunehmen und damit zu einer Absenkung des Meeresspiegels nur durch Schneefall und oberflächliches Abschmelzen um 2 cm nach dem Szenario RCP2.6 und um 4 cm nach RCP8.5 bis 2100 führen.10
Der Antarktische Eisschild verliert jedoch nicht nur an Masse durch oberflächliches Abtauen, sondern auch durch den Abfluss von Eis über verschiedene Auslassgletscher Richtung Meer. Berücksichtigt man diese Eisdynamik, ist damit zu rechnen, dass der Antarktische Eisschild durchaus einen positiven Beitrag zum Anstieg des Meeresspiegels bis 2100 leisten wird, der vom IPCC mit einem mittleren Wert von 4 cm unabhängig von den Szenarien angegeben wird.11 Dabei spielt vor allem das vorgelagerte Eisschelf eine entscheidende Rolle, das den Abfluss des Eises Richtung Ozean wie ein Widerlager verlangsamt. Löst sich dieses Eisschelf auf, kann das Eis ungehinderter ins Meer fließen. Das Schelfeis ist zum einen durch das Abtauen an der Oberfläche gefährdet, zum anderen durch Abschmelzen von unten, ausgelöst durch wärmeres Ozeanwasser. Diese Prozesse und die Folgen für die Eisdynamik sind nicht nur sehr schwierig zu beobachten, sondern auch nur begrenzt in Klimamodellen abzubilden. Es gibt daher auch keine verlässlichen Berechnungen bis zum Ende des Jahrhunderts.12
Gefährdet sind vor allem die großen Eisschelfe der Antarktischen Halbinsel und der Westantarktis. Bevor die großen antarktischen Eisschelfe, das Ross- und das Filchner-Ronne-Eisschelf jedoch ernsthaft bedroht sind, müsste es eine lokale Erwärmung von 5 bis 7 °C geben, die bis zum Ende des 21. Jahrhunderts eher unwahrscheinlich ist. Insgesamt schätzt der IPCC nach Sichtung der vorliegenden Literatur den Meeresspiegelanstieg bis zum Ende des 21. Jahrhunderts nur durch die dynamische Eisbewegungen des Antarktischen Eisschildes auf -1 bis +16 cm, unabhängig von den Szenarien. Die Bandbreite zeigt die große Unsicherheit und geringe Übereinstimmung bei den bisherigen Untersuchungen. Allerdings wird davon ausgegangen, dass sich der Beitrag durch die Eisdynamik nach dem Jahr 2100 fortsetzt.13
Anmerkungen:
1. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 13.5.1 und Table 13.5 6
2. IPCC (2013): Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Summary for Policymakers
3. IPCC (2019): IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate
4. IPCC (2019): Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate, Chapter 4: Sea Level Rise and Implications for Low-Lying Islands, Coasts and Communities
4a. Horton, B.P., Khan, N.S., Cahill, N. et al. (2020): Estimating global mean sea-level rise and its uncertainties by 2100 and 2300 from an expert survey. npj Clim Atmos Sci 3, 18, https://doi.org/10.1038/s41612-020-0121-5
5. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 13.4.1
6. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Table 13.5
7. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 13.4.2
8. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 13.4.3
9. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Table 13.5
10. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 13.4.4, FAQ 13.2, Table 13.5
11. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Table 13.5
12. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 13.4.4
13. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 13.4.4, Table 13.5
Bildquellen:
B1. IPCC (2013): Zusammenfassung für politische Entscheidungsträger. In: Klimaänderung 2013: Wissenschaftliche Grundlagen. Beitrag der Arbeitsgruppe I zum Fünften Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S. K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (Hrsg.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. Deutsche Übersetzung durch ProClim, Deutsche IPCC-Koordinierungsstelle, Österreichisches Umweltbundesamt, Bern/Bonn/Wien, 2014. Lizenzbestimmung des IPCC: Reproduction of limited number of figures or short excerpts of IPCC material is authorized free of charge and without formal written permission provided that the original source is properly acknowledged, with mention of the complete name of the report, the publisher and the numbering of the page(s) or the figure(s). Permission can only be granted to use the material exactly as it is in the report.
B2. IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate (2019), Chapter 4: Sea Level Rise and Implications for Low-Lying Islands, Coasts and Communities. Lizenz: Lizenzbestimmung des IPCC: Reproduction of limited number of figures or short excerpts of IPCC material is authorized free of charge and without formal written permission provided that the original source is properly acknowledged, with mention of the complete name of the report, the publisher and the numbering of the page(s) or the figure(s). Permission can only be granted to use the material exactly as it is in the report.