Elementy przechylające się w ziemskim systemie klimatycznym

Możliwe elementy uchylne w systemie ziemnym

Jako element wahliwy ( English elementu Tipping ), w którym jest system Ziemia Badania składnikiem ponadregionalnych globalnego systemu klimatycznego , o którym mowa, który można ustawić nawet przy niskich wpływów zewnętrznych do nowego stanu, gdy „punkt krytyczny” lub " uchylnej punkt osiąga" . Zmiany te mogą być nagłe, aw niektórych przypadkach nieodwracalne. Mogą również inicjować sprzężenie zwrotne, wywoływać zmiany w innych podsystemach systemu Ziemi i tym samym wywoływać efekty kaskadowe.

fabuła

Koncepcja elementów przechylanych została wprowadzona przez Hansa Joachima Schellnhubera do środowiska badaczy klimatu około 2000 roku. Opierając się na swojej pracy na dynamice nieliniowej , jako jeden z koordynujących ołowiu autorów grupy roboczej II, w trzecim raporcie z dnia na Międzyrządowego Zespołu do spraw Zmian Klimatu (2001), zwrócił się do poprzednio zaniedbane możliwością nieciągła, nieodwracalny i ekstremalne zdarzenia związane z globalnym ociepleniem. Do tego czasu zakładano liniowe, stopniowe zmiany.

Opublikowany w lutym 2008 r. artykuł specjalistyczny „Elementy przechylne w systemie klimatycznym Ziemi” był jedną z najczęściej cytowanych prac z zakresu nauk o Ziemi w 2008 i 2009 r. i obecnie (stan na kwiecień 2019 r.) ma ponad 2500 cytowań w literaturze specjalistycznej. Badania nad artykułem rozpoczęły się w październiku 2005 roku. Podczas warsztatów w Ambasadzie Brytyjskiej w Berlinie 36 brytyjskich i niemieckich badaczy klimatu omówiło koncepcję i zidentyfikowało możliwe elementy wyładowania w systemie Ziemi. W następnym roku przeprowadzono wywiady z 52 innymi międzynarodowymi ekspertami i oceniono całą odpowiednią literaturę naukową na ten temat. W rezultacie zidentyfikowano dziewięć potencjalnych elementów krytycznych, dla których punkt krytyczny można było osiągnąć przed rokiem 2100. W międzyczasie zidentyfikowano dalsze możliwe elementy przechylne.

W 2001 r. IPCC założył, że punkty krytyczne można osiągnąć tylko wtedy, gdy temperatura wzrośnie powyżej 5 stopni, ale w nowszych raportach specjalnych z 2018 i 2019 r. doszedł do wniosku, że punkty krytyczne zostały już osiągnięte, gdy temperatura wzrośnie między Mogły zostać przekroczone 1 i 2 stopnie.

Możliwe do tej pory zidentyfikowane elementy uchylne

Grupa robocza skupiona wokół firmy Schellnhuber wymieniła w 2008 roku dziewięć potencjalnych elementów wywrotu:

• Topniejący lód arktyczny latem
• Topnienie pokrywy lodowej Grenlandii
• Topnienie pokrywy lodowej Antarktyki Zachodniej
• Cyrkulacja termohalinowa Atlantyku spowalnia
• Zmiana w Oscylacji Południowej El Niño (ENSO)
• Upadek indyjskiego monsunu letniego
• Zmiany w systemie monsunowym Afryki Zachodniej mające wpływ na strefę Sahary i Sahelu (z możliwym zazielenieniem Sahary jako pozytywny element zwrotny)
• Wylesianie z tropikalnych lasów deszczowych
• Spadek w lasach borealnych

Według ankietowanych ekspertów spośród tych dziewięciu elementów wyładunkowych największe zagrożenie stanowi obecnie topnienie lodu morskiego Arktyki i pokrywy lodowej Grenlandii.

Inne potencjalne elementy wywrotu zostały zidentyfikowane później:

• Topniejące części pokrywy lodowej Antarktyki Wschodniej w basenie Wilkes
• Zniknięcie tybetańskich lodowców
• Odgazowywanie metanu z oceanów i innych miejsc składowania hydratów metanu
• Emisje metanu i dwutlenku węgla z rozmrażania wiecznej zmarzliny
• Wysychanie północnoamerykańskiego południowego zachodu
• Tłumienie morskiej pompy węglowej
• Śmierć rafy koralowej
• Destabilizacja prądu strumieniowego (a także monsunów – patrz wyżej) zwiększa prawdopodobieństwo gwałtownych powodzi i susz
• Spadek produktywności netto biosfery (NPB), tj. To znaczy zdolność biosfery do wiązania gazu cieplarnianego CO ₂ .
• Rozpuszczanie niskich warstw chmur stratocumulus nad morzem podzwrotnikowym przy stężeniach CO ₂ około 1200 ppm

Topnienie lodu na Morzu Arktycznym

Zakres pokrywy lodowej na Morzu Arktycznym w ciągu ostatnich 1450 lat

Od kilku lat dyskutowano, czy topnienie lodu morskiego w Arktyce przekroczyło już punkt krytyczny, czy też nastąpi w przyszłości. W wyniku globalnego ocieplenia – z powodu wzmocnienia polarnego – temperatura powietrza w Arktyce wzrosła trzykrotnie w stosunku do średniej światowej. Od lat 70. jest tam o 2°C cieplej; Od tego czasu letnia pokrywa lodu morskiego zmniejszyła się średnio o 40%. Ponadto na dużych obszarach warstwa lodu stała się cieńsza. Tymczasowa zmiana w Oscylacji Arktycznej i Oscylacji Dekady Pacyfiku od 1989 r. również spowodowała rozluźnienie większych części pokrywy lodowej. Rosnący udział powierzchni wody niepokrytej lodem prowadził do większej absorpcji promieniowania słonecznego, a tym samym do dalszego rozmrażania lodu, wzrostu temperatury morza i mniejszego tworzenia się lodu w miesiącach zimowych. Po 1988 roku wpływ sprzężenia zwrotnego ice-albedo stał się większy niż wpływów zewnętrznych. Według Lindsay i Zhang (2005) fakt, że efekt ten utrzymuje się pomimo normalizacji Oscylacji Arktycznej i Oscylacji Dekady Pacyfiku, wskazuje na wyraźne efekty nieliniowe . Zakładają zatem, że punkt krytyczny topnienia pokrywy lodowej w Arktyce został przekroczony już na przełomie lat 80. i 90. XX wieku. Holland i in. (2006) z kolei na podstawie własnych obliczeń zakładali, że punkt krytyczny zostanie osiągnięty najwcześniej w 2015 roku. Według obliczeń Liviny i Lentona (2013) nagła i od tego czasu trwała zmiana amplitudy wahań sezonowych pokrywy lodowej w Arktyce nastąpiła w 2007 roku, co wydaje się być spowodowane wewnętrzną dynamiką arktycznego systemu klimatycznego. (a nie na wpływy zewnętrzne) i jest postrzegana przez autorów jako punkt zwrotny. Zakłada się, że jest to odwracalny (odwracalny) punkt krytyczny.

Topnienie pokrywy lodowej Grenlandii

Punkt krytyczny całkowitego stopienia lądolodu Grenlandii można było już osiągnąć przy globalnym ociepleniu od 1,5 do 2°C. Lądolód Grenlandii ma w większości 3000 metrów grubości, więc jego powierzchnia, która znajduje się wysoko nad poziomem morza, jest narażona na bardzo niskie temperatury. Zgodnie z formułą wysokości barometrycznej temperatura powietrza spada o około 0,5°C na 100 m wysokości. Im cieńsza pokrywa lodowa, tym częstsze będą okresy, w których powierzchnia zaczyna topnieć. W ten sposób topnienie przyspiesza samoistnie i prowadzi do wzrostu poziomu morza o około 7 metrów w ciągu tysiącleci. Zakłada się, że poniżej krytycznej grubości lodu proces topnienia będzie kontynuowany, nawet jeśli klimat powróci do poziomu temperatury sprzed epoki przemysłowej . Porównanie z ostatnim interglacjałem , ciepłym okresem Eem około 126 000 do 115 000 lat temu, daje jednak mieszany obraz z naukowego punktu widzenia. Podczas gdy niektóre badania postulują, że poziom morza jest nawet o 15 metrów wyższy niż obecnie, przy udziale wód roztopowych w lądolodzie Grenlandii wynoszącym od 4,2 do 5,9 metra, przyjmuje się głównie, że w okresie interglacjału Eem, z częściowo cieplejszym klimatem niż w holocenie poziom morza sięgał maksymalnie 9 metrów powyżej dzisiejszego poziomu. Zgodnie z tym scenariuszem pokrywa lodowa przyczyniłaby się do tego wzrostu o około 1,5 do 2,5 metra, a zatem straciła tylko część swojej masy.

Topnienie pokrywy lodowej Antarktyki Zachodniej

Zbocza powierzchni Antarktyki

Na Antarktydzie Wschodniej, która obejmuje większą część Antarktydy, w najbliższej przyszłości nie oczekuje się znaczącego załamania. W przypadku Antarktydy Zachodniej zakłada się jednak, że nastąpią tam głębokie zmiany. Niektóre z bardzo dużych lodowców lądolodu Antarktyki Zachodniej kończą się w morzu. Tam są podparte kilkaset metrów pod powierzchnią morza na grzbiecie opadającym w kierunku lądu. Ponieważ woda morska podgrzała się tam w ostatnich dziesięcioleciach, doprowadziło to do zwiększonego topnienia i wycofania się jęzora lodowca z z. B. Lodowiec Pine Island lub Lodowiec Thwaites . Analizy wykazały, że prawdopodobnie osiągnięto już punkt krytyczny całkowitego stopienia lodowca Thwaites, który stopi się całkowicie w okresie od 200 do 900 lat. Spowodowałoby to podniesienie się poziomu morza o 3 metry. Proces ten jest również samowzmacniający, ponieważ wyższy poziom wody dodatkowo zmniejsza stabilność jęzorów lodowcowych.

Cyrkulacja termohalinowa Atlantyku spowalnia

Odtwórz plik multimedialny

Animacja obiegu termohalinowego (wideo)

Rosnące topnienie lodu morskiego i lądowego Arktyki prowadzi do większego napływu słodkiej wody , jak również do zwiększenia prędkości i stabilności prądu oceanicznego arktycznego prowadzącego na południe . Mogłoby to wpłynąć na głębokie wody Atlantyku Północnego i ostatecznie spowolnić cyrkulację termohalinową . Podczas gdy załamanie cyrkulacji termohalinowej z następującą po niej nagłą zmianą klimatu jest prawdopodobnie odległym w czasie punktem zwrotnym, spowolnienie cyrkulacji termohalinowej, które miałoby podobny, ale osłabiony efekt, jest mocno prognozowane. Spowolnienie cyrkulacji termohalinowej jest przykładem punktu krytycznego, który zależy nie tylko od zasięgu, ale także od szybkości zmian klimatu ( punkt krytyczny zależny od szybkości ).

Zakłócenie Oscylacji Klimatu Południowego Pacyfiku i nasilenie zjawiska El Niño

Omawiane są różne teorie dotyczące wpływu globalnego ocieplenia na zjawisko El Niño . W 1999 roku grupa robocza Mojib Latif założyła, że ​​zwiększona absorpcja ciepła do oceanu doprowadzi do trwałego obniżenia termokliny (warstw wody) we wschodnim równikowym Pacyfiku, a w konsekwencji do większej amplitudy oscylacji El Niño-południowej ( ENSO) i/lub częstsze zjawiska El Niño. W 1997 r. grupa robocza w NASA Goddard Space Flight Center postulowała trwałe warunki La Niña z powodu większego ocieplenia zachodniego w porównaniu do wschodniego równikowego Pacyfiku, co może prowadzić do silniejszych wiatrów wschodnich i wzrostu temperatury wody na wschodzie. równikowy Pacyfik. Lenton i in. W podsumowaniu, na podstawie ostatnich badań paleoklimatycznych, przyjęli, że najbardziej prawdopodobnym rozwojem jest wzrost intensywności zjawiska El Niño, chociaż nie można z całą pewnością przewidzieć wzrostu częstotliwości. Niepewne jest również istnienie lub lokalizacja punktu krytycznego. Można jednak założyć poważne konsekwencje - nawet przy stopniowych zmianach - na przykład susze w Australii i Azji Południowo-Wschodniej oraz zwiększone opady na zachodnich wybrzeżach Ameryki. Dyskutowany jest również związek między El Niño a niezwykle mroźnymi zimami w Europie.

Emisje metanu i dwutlenku węgla z rozmrażania gleb wiecznej zmarzliny

Gdy tylko wieczna zmarzlina się roztopi, mikroorganizmy mogą rozłożyć przechowywane tam szczątki skamieniałości. Uwalniane są gazy cieplarniane: dwutlenek węgla i metan. Gazy te z kolei zwiększają globalne ocieplenie, powodując dalsze topnienie wiecznej zmarzliny. Samowzmacniające się sprzężenie zwrotne z ocieplenia, postępującego rozmrażania i dalszego uwalniania węgla nazywa się sprzężeniem zwrotnym wiecznej zmarzliny i węgla.

Badania modelowe dynamiki wiecznej zmarzliny i emisji gazów cieplarnianych sugerują stosunkowo powolne sprzężenie zwrotne węgla w wiecznej zmarzlinie w kilkusetletnich skalach czasowych. Jednak niektóre efekty nie są brane pod uwagę w tych modelach, takie jak dalsza amplifikacja z powodu gwałtownego rozmrażania jezior termokarstowych . W 2019 r. zaobserwowano również, że niektóre gleby wiecznej zmarzliny w kanadyjskiej Arktyce topnieją znacznie szybciej niż przewidywano.

Spadek produktywności netto biosfery

Dzisiejszy system ziemia jest CO ₂ zlew, pochłania więcej CO ₂ niż emituje. Oceany pochłaniają ok. 25% CO ₂ wytwarzanego przez człowieka , biosfera (drzewa i inne rośliny oraz gleba) kolejne ok. 25%. Jednak według badań przeprowadzonych przez Columbia University w Nowym Jorku zdolność absorpcji naszej planety spadnie od połowy wieku. Przewiduje się destrukcyjne sprzężenie zwrotne: fale upałów i susze powodują, że rośliny przestają fotosyntezę, co jest jednym z najważniejszych mechanizmów usuwania CO ₂ z atmosfery. W tym samym czasie wiele roślin obumiera. Oznacza to, że w atmosferze pozostaje bardziej antropogeniczny CO ₂ , a dodatkowo w wyniku rozkładu martwej biomasy dodawany _jest kolejny CO ₂ (uwalniany do atmosfery). To napędza globalne ocieplenie, przez co upały i susze nasilają się. Ponieważ rośliny odparowują mniej wody podczas stresu cieplnego, brakuje również chłodzącego efektu tego potu.

Interakcje i kaskady

Zakładane interakcje między niektórymi elementami wywrotu (⊕: zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia, ⊖: zmniejsza je, ⊖ / ⊕: efekt w obu kierunkach, efekt netto niepewny)

Pomiędzy przechylanymi elementami mogą występować interakcje. Wyzwolenie jednego elementu przechylającego może zwiększyć lub w niektórych przypadkach zmniejszyć prawdopodobieństwo przechylenia innych. Dla niektórych interakcji kierunek – większe lub mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia – jest nieznany. Istnieje ryzyko wystąpienia efektu domina i wzajemnego wzmacniania się informacji zwrotnych poprzez takie interakcje. W ekonomicznej analizie kosztów i korzyści ryzyko to przemawia za stabilizacją klimatu poniżej 1,5°C jako optymalną polityką klimatyczną. Timothy Lenton, naukowiec zajmujący się systemami ziemskimi, wskazuje na możliwość, że przechylne elementy o małej skali, które nie są dokładnie badane i często nie są uwzględnione w modelach, mogą powodować przechylanie elementów o dużej skali.

Badanie ryzyka samonapędzającego się sprzężenia zwrotnego w systemie klimatycznym z grubsza dzieli wielkoskalowe elementy wywrotu na trzy grupy po ociepleniu, które prawdopodobnie je wywoła:

1 do 3 stopni Celsjusza

Topnienie pokrywy lodowej Grenlandii, letnia pokrywa lodowa na Morzu Arktycznym, lodowce alpejskie i pokrywa lodowa Antarktyki Zachodniej oraz śmierć prawie wszystkich raf koralowych

3 do 5 stopni Celsjusza

m.in. zanik lasów borealnych, zmiana Oscylacji El Niño-Southern (ENSO), spowolnienie cyrkulacji termohalinowej na Atlantyku, pustynnienie tropikalnych lasów deszczowych, zapadnięcie się indyjskiego monsunu letniego

od 5 stopni Celsjusza

Ekstensywne topnienie pokrywy lodowej Antarktyki Wschodniej i zimowy arktyczny lód morski, kilkudziesięciometrowy wzrost poziomu morza, ekstensywne rozmrażanie gleb wiecznej zmarzliny

Wyzwolone elementy przechylne z pierwszej grupy mogą aktywować kolejne elementy przechylne wraz ze wzrostem temperatury poprzez stopniowe sprzężenie zwrotne biogeofizyczne. Grozi to ryzykiem kaskady, która w sposób niekontrolowany i nieodwracalny przekształci klimat w klimat ciepły o temperaturach porównywalnych z temperaturami środkowego miocenu . Stabilizacja ziemskiego systemu klimatycznego w zakresie wahań zbliżonym do obecnego holocenu z korytarzem temperaturowym maksymalnie ± 1 ° C, w którym cywilizacje ludzkie mogłyby rozwijać się w miarę niezakłócony, nie nastąpiłaby wówczas w dającej się przewidzieć przyszłości na podstawa równowagi termiczno-promienistej . Nawet gdyby cel dwustopniowy został osiągnięty , jak uzgodniono w Porozumieniu Paryskim z 2015 roku , to ryzyko by istniało, a jeśli temperatura nadal by rosła, to by gwałtownie rosła. W trakcie tego bardzo szybkiego rozwoju, łącznie z możliwą destabilizacją całej biosfery , mógłby powstać stan klimatyczny, którego szczególne cechy byłyby nowością w historii ziemi. Występowanie i skutki klimatyczne punktów krytycznych w różnych okresach geochronologicznych są uważane za pewne i stanowią przedmiot badań w paleoklimatologii .

Symulacje komputerowe modeli klimatycznych często nie przedstawiają odpowiednio przechylnych elementów z nagłymi, nieliniowymi zmianami stanu. W niektórych przypadkach zależności, na których opierają się nowo odkryte elementy przechyłu, są uwzględniane tylko w odpowiednich modelach klimatycznych na przestrzeni czasu lub są tymczasowo uwzględniane jako kolejne współczynniki korekcyjne.

literatura

• Timothy M. Lenton, Hans Joachim Schellnhuber: Przechylanie wagi . W: Przyroda Raporty Zmian Klimatu . 1, 22 listopada 2007. doi : 10.1038 / klimat.2007.65 .
• Timothy M. Lenton, Hermann Held, Elmar Kriegler, Jim W. Hall, Wolfgang Lucht, Stefan Rahmstorf, Hans Joachim Schellnhuber: Elementy przechylne w systemie klimatycznym Ziemi . W: PNAS . 105, nr 6, 2008, s. 1786-1793. doi : 10.1073 / pnas.0705414105 .
• Hans Joachim Schellnhuber: Elementy przechylne w systemie Ziemi . W: PNAS . 106, nr 49, 2009, s. 20561-20563.
• Federalna Agencja Środowiska : punkty krytyczne w systemie klimatycznym. Jakie są niebezpieczeństwa? Dokument informacyjny, lipiec 2008 ( PDF ).
• Anthony D. Barnosky i in.: Punkt krytyczny dla planety Ziemia – jak blisko jesteśmy krawędzi? Thomas Dunne Books, Nowy Jork 2016, ISBN 978-1-250-05115-8 .

linki internetowe

• Wyjaśnienie: Dziewięć „punktów krytycznych”, które mogą zostać wywołane przez zmianę klimatu , w Carbon Brief, 2020.
• Gdy klimat się przechyla , seria Elementy uchylne w Klimareporter , 2020.

• Kiedy klimat robi skoki. Dokumentacja internetowa SWR z interaktywnymi mapami.
• Elementy uchylne - pięty achillesowe w systemie ziemnym . Poczdamski Instytut Badań nad Wpływem Klimatu . Pobrano 27 czerwca 2014.
• Punkty krytyczne w systemie klimatycznym - jakie zagrożenia grożą, Niemiecka Federalna Agencja Środowiska, lipiec 2008, PDF
• Przechylanie elementów z globalnymi zmianami klimatycznymi jako kierowca w zmian reżimu baza na Resilience centrum Sztokholmu

Filmy

• klimat: neutralny: wszystko za późno? – Punkty krytyczne w systemie klimatycznym w YouTube , 12 stycznia 2021 r., dostępne 14 sierpnia 2021 r.

Indywidualne dowody