„Eine neue Studie der renommierten Scripps Institution of Oceanography in San Diego und der University of Wisconsin-Madison hat bedeutende Implikationen für die künftige Stabilität des Golfstromsystems. Die Forscher um Wei Liu korrigierten den Süßwassereintrag in den Ozean in einem der gängigen globalen Klimamodelle (dem CCSM3 Modell des National Center for Atmospheric Research), um dort die beobachtete Salzkonzentration im Meerwasser besser wiederzugeben.

Während im unkorrigierten Modell die Atlantikzirkulation recht stabil ist und sich als Reaktion auf eine CO2-Verdoppelung nur um rund 20 Prozent abschwächt, bricht sie in der korrigierten Modellversion zusammen. Erschienen ist die Arbeit in der Fachzeitschrift Science Advances, dem neuen Online-Ableger des Traditionsjournals Science.

Die mögliche Instabilität der Umwälzzelle im Atlantik (Atlantic Meridional Overturning Circulation – landläufig als Golfstromsystem bekannt) beschäftigt die Wissenschaft spätestens seit den 1980er Jahren, als Wallace Broecker in einem Aufsatz im Fachmagazin Nature vor unangenehmen Überraschungen im Treibhaus warnte. Grund waren wachsende Hinweise auf abrupte Klimaänderungen in der Erdgeschichte aufgrund von Instabilitäten der Atlantikströmung.

Warum es einen Kipppunkt der Strömung gibt

Der grundlegende physikalische Mechanismus dieser Instabilität war bereits durch Henry Stommel im Jahr 1961 beschrieben worden. Zentral dafür ist der Süßwasserhaushalt (Niederschläge minus Verdunstung), der den Salzgehalt bestimmt. In den nördlichen Atlantik fließt ständig Süßwasser durch Niederschläge, Flüsse und Eisschmelze. Doch der Nachschub an salzreichem Wasser aus dem Süden, eben durch das Golfstromsystem, gleicht dies aus. Erlahmt dagegen die Strömung, dann kommt weniger Salznachschub und an der Oberfläche sammelt sich zunehmend mit Süßwasser verdünntes Meerwasser. Es ist leichter als salzigeres Wasser und kann daher nicht so leicht in die Tiefe absinken. Da dieses Absinken – die sogenannte Tiefenwasserbildung – das Golfstromsystem antreibt, erlahmt die Strömung damit weiter.

Es gibt einen kritischen Punkt, an dem dies zum unaufhaltsamen Teufelskreis wird. Dies ist einer der klassischen Kipppunkte im Klimasystem. Wo dieser Kipppunkt genau liegt, ist allerdings nach wie vor unklar. Die allermeisten Modelle zeigen bei typischen globalen Erwärmungsszenarien bis 2100 zwar eine deutliche Abschwächung des Golfstromsystems um 20 bis 50 Prozent – überschreiten aber nicht den Kipppunkt. Allerdings streuen die Modelle stark – was insofern nicht überrascht, als die Stabilität der Atlantikströmung von einer subtilen Balance im Salzgehalt und damit auch vom Süßwasserhaushalt abhängt, der aber nur recht ungenau bekannt und berechenbar ist. Zudem gibt es schon länger ernsthafte Hinweise darauf, dass die Modelle nicht nur ungenau sind, sondern womöglich fast allesamt systematisch die Stabilität der Atlantikströmung überschätzen. Diese Hinweise haben wir 2009 in einem Review-Artikel in PNAS diskutiert.

Was macht die neue Studie anders?

Laut Erstautor Wei Liu war der Ausgangspunkt der neuen Studie meine Arbeit von 1996 zum Zusammenhang von Süßwasserhaushalt und Stabilität der Strömung. Damals habe ich gezeigt, wie man die Stabilität der Strömung aus einer Analyse des Süßwassertransports im Atlantik bei 30 Grad Süd diagnostizieren kann. Entscheidend ist, ob die Umwälzströmung insgesamt Süßwasser in das Atlantikbecken hinein transportiert, oder ob sie es exportiert. Mein Artikel endete mit der Anregung, dies aus Beobachtungsdaten zu klären. Kollegen aus Holland haben das dann auch getan (Weijer et al. 1999).

Es folgten mehrere Arbeiten, die diese Diagnose für verschiedene Klimamodelle durchführten (etwa Pardaens et al. 2003, de Vries und Weber 2005, Dijkstra 2007, Drijfhout et al. 2010, Hawkins et al. 2011). Nach den Beobachtungsdaten exportiert die Strömung Süßwasser – deshalb kann es sich im Atlantik ansammeln, wenn die Strömung erlahmt, was gerade die von Stommel 1961 und Broecker 1987 beschriebene Instabilität verursacht. In den meisten Modellen dagegen importiert sie Süßwasser, daher ist die Strömung dort grundlegend stabil.

^{Schema des Golfstromsystems (stark vereinfacht): In Rot ist die relativ warme Oberflächenströmung eingezeichnet, in Blau die kalte Tiefenströmung. Der nordwärtige Oberflächenstrom und der südwärtige Tiefenstrom ergeben zusammen die Umwälzbewegung des Atlantik, auch als Golfstromsystem bekannt.
Quelle: Stefan Rahmstorf}

Ein systematischer Modellfehler in Richtung zu großer Stabilität passt auch dazu, dass die Klimamodelle den beobachteten Abkühlungstrend im subpolaren Atlantik unterschätzen, der nach unserer Überzeugung ein Hinweis auf ein erlahmendes Golfstromsystem ist. Die neue Studie versucht dieses Defizit zu korrigieren, indem der Süßwassereintrag an der Meeresoberfläche in einem Klimamodell gezielt verändert wurde, und zwar mit einer sogenannten Flusskorrektur, die auch die Wärmeflüsse umfasst, aber das dürfte hier sekundär sein.

Im Ergebnis stimmt der Salzgehalt im Ozean des Modells für das heutige Klima dann besser mit dem des echten Ozeans überein. Dies ist ein wichtiges Kriterium. Denn während Niederschlag und Verdunstung über den Ozeanen schwer messbar und daher nur sehr ungenau bekannt sind, haben wir über die Verteilung des Salzgehalts detaillierte und präzise Informationen aus Schiffsmessungen. Außer der verbesserten Salzverteilung hat diese Korrektur keinen nennenswerten Einfluss auf das Modellklima für die Gegenwart.

Und das Ergebnis…

Mit beiden Modellvarianten – mit und ohne die subtile Korrektur der Salzverteilung – haben die amerikanischen Kollegen nun ein Experiment durchgeführt, bei dem die CO2-Menge in der Luft verdoppelt wurde. Ohne Korrektur erweist sich die Zirkulation als sehr stabil gegenüber der massiven Störung. Mit der Korrektur dagegen bricht die Strömung im Laufe von rund 300 Jahren zusammen. Schon nach 100 Jahren hat sie ein Drittel ihrer Kraft verloren. Das Abbrechen der wärmenden Strömung führt erwartungsgemäß im Modell zu einer Abkühlung im Nordatlantikraum. Dabei sind auch Landgebiete betroffen: neben Grönland und Island vor allem Großbritannien und Skandinavien.

Die neue Studie ist sicher nicht das letzte Wort in dieser wichtigen Frage. Im Vergleich mit den Messdaten scheint die Korrektur etwas zu stark zu sein – die korrigierte Modellversion könnte daher zu instabil sein. Da Rechenzeit knapp und teuer ist, wurde die CO2-Konzentration in den Experimenten schlagartig verdoppelt, statt ein realistischeres Emissionsszenario durchzurechnen. Das Experiment wurde nur mit einem einzigen Klimamodell durchgeführt; für robuste Schlüsse wartet man normalerweise, bis eine Reihe von Modellen übereinstimmende Resultate zeigt.

Auch wurde kein Schmelzwassereinfluss vom schwindenden Kontinentaleis auf Grönland berücksichtigt, der die Strömung zusätzlich schwächen könnte. Dazu hatte es erst vor wenigen Wochen eine neue Studie gegeben (Bakker et al. 2016), die mit einem Emulator Vergleiche durchgeführt hat, einmal mit und einmal ohne Berücksichtigung des Schmelzwassereinstroms. (Ein Emulator ist ein stark vereinfachtes Rechenmodell, das die Resultate von komplexen Zirkulationsmodellen auf sparsame Weise reproduziert, sodass viele Versuche damit gemacht werden können.)

Bei ungebremsten Emissionen (RCP8.5 Szenario) schwächt sich bis zum Jahr 2300 ohne Grönland-Schmelze das Golfstromsystem im Mittel um 37 Prozent ab. Mit Grönland-Einfluss sind es 74 Prozent. Und vor einigen Monaten erschien eine Studie mit einem hoch aufgelösten Ozeanmodell, die nahelegt, dass das Schmelzwasser von Grönland schon in wenigen Jahrzehnten die Strömung erheblich beeinträchtigen dürfte.

Es gibt also zwei Faktoren, durch die bislang die Gefahr eines Versiegens des Golfstromsystems unterschätzt worden sein könnte. Erstens haben Klimamodelle wohl eine systematisch zu stabile Strömung. Zweitens berücksichtigen sie zumeist nicht die Eisschmelze von Grönland. Wie die neuen Studien zeigen, kann jeder dieser Faktoren alleine schon zu einer erheblich stärkeren Abschwächung des Golfstromsystems führen. Als nächstes sollte jetzt untersucht werden, wie diese beiden Faktoren zusammenwirken. Ich hoffe, die besorgniserregenden neuen Ergebnisse werden möglichst viele andere Forschergruppen anregen, dieser Frage mit ihren eigenen Modellen nachzugehen!“

Bei diesem Text handelt es sich um einen Gastbeitrag, der nicht notwendigerweise die Meinung der Redaktion wiedergibt. Für den Inhalt sind die jeweiligen Autoren verantwortlich.

Dieser Artikel ist zuerst in der Ausgabe 2/2017 von neue energie erschienen.