Klimawandel und Klimafolgen

Als Ursachen für den Meeresspiegel-Anstieg in den letzten 100 Jahren 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. Andere Ursachen wie die Volumenzunahme durch eine Verringerung des Salzgehaltes (halosterischer Anstieg) oder die Wasserzufuhr aus Landreservoiren oder Niederschlag spielen eine geringere Rolle.

Abb. 1: Die Veränderung des Wärmegehalts in den oberen Schichten des Ozeans zeigt einerseits einen deutlichen Trend, andererseits ausgeprägte Dekadenschwankungen.¹

Bei einer Erwärmung des Meerwassers nehmen die Dichte ab und das Volumen bei gleicher Masse zu. Die hohe Wärmekapazität des Ozeans verzögert die Weitergabe einer Erwärmung des Oberflächenwassers in tiefere Schichten, wodurch es zu signifikanten zeitlichen Verzögerungen bei der Weitergabe der Ausdehnung kommt. 60% der Erwärmung des Ozeans in der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts fand daher in den oberen 700 m statt. Der Wärmegehalt der oberen 3000 m hat sich in dieser Zeit um 14,5x10²² Joule erhöht, was einer durchschnittlichen Temperaturerhöhung um 0,037 ^oC entspricht. Das erscheint gering gegenüber der atmosphärischen Temperaturzunahme um ca. 0,4 ^oC in Bodennähe. Dabei ist jedoch zu sehen, dass eine Erwärmung des gesamten Ozeans um 0,1 ^oC einer Erwärmung der Atmosphäre um 100 ^oC entsprechen würde, falls die Wärme unmittelbar vom Ozean in die Atmosphäre überführt werden würde. Der erstaunliche Faktor 1000 kommt dadurch zustande, dass die Gesamtmasse des Ozeans die der Atmosphäre um mehr als das 250fache übertrifft und die Wärmekapazität des Meerwassers vier Mal so groß ist wie die der Luft. So hat denn auch der Ozean 84% der Erwärmung des Erdsystems zwischen 1955 und 1998 aufgenommen.² Im Jahrzehnt 1993-2003 hat sich die Erwärmungsrate des Ozeans dann noch einmal verdoppelt.³ Dabei kann es sich sowohl um eine natürliche Schwankung wie um einen langfristigen Erwärmungstrend handeln, was wahrscheinlich erst durch weitere Messungen in 5-10 Jahren entschieden werden kann.

Die Erwärmung des Ozeans zeigt seit den 1950er Jahren einen deutlichen Trend, der im Wesentlichen auf die Zunahme von Treibhausgasen in der Atmosphäre zurückgeführt werden kann, also anthropogen bedingt ist.⁴ Es spielen offensichtlich aber auch natürliche Ursachen eine Rolle, wie die Schwankung von Jahrzehnt zu Jahrzehnt in Abb. 1 zeigt, die wahrscheinlich mit dynamischen Prozessen des Ozeans zusammenhängt. Außerdem ist die Erwärmung regional verschieden über die Ozeane verteilt. So hat die Hälfte der Erwärmung von 1955 bis 2003 im Atlantischen Ozean stattgefunden, während für das Jahrzehnt 1993-2003 der Pazifik den größten Anteil hatte. Der Atlantik zeigt außerdem aufgrund seiner ausgeprägten Tiefenkonvektion Erwärmungen bis in 1000 m Tiefe, während die Temperaturzunahme der anderen Ozeane auf die oberen 100 m beschränkt bleibt.⁵

Abb. 2: Der durch Erwärmung verursachte Meeresspiegelanstieg 1955-2003 für die 0-700m Schicht⁶

Die Erwärmung der oberen 700 m im Zeitraum 1971-2010 hat eine thermosterische Anstiegsrate von 0,6 mm/Jahr bewirkt, was etwa 30 % der beobachteten Rate des gesamten Meeresspiegelanstiegs ausmacht. Die Erwärmung zwischen 700 und 2000 m Tiefe ist immer noch sehr schwierig zu bestimmen, weil Beobachtungsdaten weitgehend fehlen. Der geschätzte Trend liegt wahrscheinlich bei nicht mehr als 0,1 mm/Jahr.⁷

Abb. 3: Allgemeiner und thermosterischer Meeresspiegelanstieg 1970-2010⁹

Regional war der Atlantik für die gesamte Periode mit 52% an der thermosterischen Meeresspiegelerhöhung beteiligt. Im Jahrzehnt 1993-2003 hat dagegen der Pazifik aufgrund der stärkeren Erwärmungen im westlichen tropischen Pazifik und zwischen Australien und Neuseeland den größten Anteil am thermosterischen Anstieg des Meeresspiegels. Die regionalen Unterschiede ändern sich also auch mit der Zeit. Wahrscheinlich sind hauptsächlich Veränderungen in der ozeanischen Zirkulation die Ursache dafür.

Neben der Erwärmung des Wasserkörpers der Ozeane spielt auch die beobachtete Verringerung des Salzgehaltes im Weltozean für den Meeresspiegelanstieg eine Rolle, da dadurch die Dichte des Meerwassers abnimmt. Dieser so genannte halosterische Effekt macht global jedoch nur 10% des thermosterischen Effekts aus. Regional, z.B. in der Labradorsee im Nordatlantik, kann er allerdings auch so groß wie der letztere sein. Die Verringerung des Salzgehalts kann verschiedene Ursachen haben. Neben einer Erhöhung der Niederschläge und Verringerung der Verdunstung über ozeanischen Gebieten spielen die Süßwasserzufuhr durch das Abschmelzen von Meereis und der Zufluss von Süßwasser vom Land aufgrund höherer Niederschläge und durch das Abtauen von Landeis eine Rolle. Die genaueren Anteile dieser Faktoren sind jedoch nicht bekannt.⁸

Der IPCC-Bericht von 2007 ging davon aus, dass der Hauptanteil des Meeresspiegelanstiegs für die Zeit 1993-2003 noch bei der Ausdehnung des Meerwassers liegt, das einen jährlichen Meeresspiegelanstieg von 1,6 mm verursache, während der Anteil von abschmelzendem Eis (Grönland, Antarktis, Gletscher) bei 1,2 mm pro Jahr liege (eustatischer Meeresspiegelanstieg).¹⁰ Nach dem IPCC-Bericht von 2013 kommt für den Zeitraum 1993-2010 dem eustatischen Anstieg des Meeresspiegels eindeutig ein deutliches Übergewicht gegenüber dem sterischen Anstieg zu. Die thermale Expansion des Meerwassers, also der thermosterische Anstieg, ist hiernach für 1,1 mm/Jahr Meeresspiegelanstieg verantwortlich. Der Beitrag der Eisschmelze beläuft sich insgesamt auf 1,46 mm/Jahr. Hinzu kommt mit einer gesteigerten Wasserzufuhr durch Abflüsse vom Land noch eine weitere Komponente des eustatischen Anstiegs mit 0,38 mm/Jahr hinzu. Der eustatische Anteil beträgt damit 1,84 mm/Jahr.¹¹

Anmerkungen:
1. Verändert nach Levitus, S., J. Antonov, T.; Boyer (2005): Warming of the world ocean, 1955-2003, Geophys. Res. Lett., Vol. 32, No. 2, L02604 10.1029/2004GL021592
2. Levitus, S., J. Antonov, T.; Boyer (2005): Warming of the world ocean, 1955-2003, Geophys. Res. Lett., Vol. 32, No. 2, L02604 10.1029/2004GL021592
3. Willis, J. K., D. Roemmich, and B. Cornuelle (2004), Interannual variability in upper ocean heat content, temperature, and thermosteric expansion on global scales, J. Geophys. Res., 109, C12036, doi:10.1029/2003JC002260
4. Hegerl, G.C., Bindoff, N.L. (2005): Warming of the World's Oceans, Science 309, 254-255
5. Barnett, T.P., D.W. Pierce, K.M. AchutaRao, P.J. Gleckler, B.D. Santer, J.M. Gregory, and W.M. Washington (2005): Penetration of human-induced warming into the world's oceans. Science 309, 284-287
6. Verändert nach Antonov, J.I., S. Levitus, and T.P. Boyer (2005): Thermosteric sea level rise n, 1955-2003, Geophysical Research Letters, 32(12), L12602, doi:10.1029/2005GL023112
7. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 3.7.2
8. Cazenave, A. und R. Nerem (2004): Present-day sea level change: observations and causes. Reviews of Geophysics 42 (3), 139-150
9. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 3.7.2
10. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Table 5.3
11. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Table 13.1