Der antarktische Eisschild hat bei 240 ppm CO₂ einen Kipppunkt überschritten

Klimawissenschaftlerinnen und Klimawissenschaftler, die den künftigen Meeresspiegelanstieg berechnen, gehen meist davon aus, dass Eisschilde auf Erwärmung langsam und einigermaßen berechenbar reagieren.

Mit steigenden Temperaturen zieht sich das Eis demnach in einem Tempo zurück, das sich mithilfe von Klimamodellen abschätzen lässt.

Neue Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass genau diese Annahme einen Haken hat.

Vor rund einer Million Jahren überschritt der antarktische Eisschild eine unsichtbare Grenze – und begann auf Klimaschwankungen deutlich heftiger zu reagieren als zuvor.

Die antreibenden Kräfte blieben im Kern dieselben, doch die Reaktion des Eises veränderte sich grundlegend.

Ein Schalter, der umgelegt wurde

Diese Veränderung fiel in eine Phase, die Geologinnen und Geologen als mittelpleistozänen Übergang bezeichnen – eine Zeit, in der die Eiszeiten der Erde länger und ausgeprägter wurden.

Davor folgten die Glazialzyklen ungefähr einem Rhythmus von 41.000 Jahren. Danach verlängerten sie sich auf etwa 100.000 Jahre, und die Kältephasen fielen intensiver aus.

Das war der Forschung bereits bekannt. Unklar blieb jedoch, wie sich die Eisschilde während dieses Übergangs konkret verhielten.

Es gab schlicht keine ausreichend detaillierten Klimadaten, um ein realitätsnahes Modell so weit in die Vergangenheit „anzutreiben“. Die nötige Datengrundlage fehlte.

Die fehlende Klimageschichte rekonstruieren

Kyung-Sook Yun, Forscherin am Zentrum für Klimaphysik der Nationalen Universität Pusan (PNU) in Südkorea, leitete das Team, das einen Ausweg aus diesem Problem fand.

Die Fachleute erstellten die fehlende Klimageschichte selbst – und beobachteten anschließend, wie das Eis darauf reagiert.

Ausgangspunkt war eine computergestützte Rekonstruktion des globalen Klimas über die vergangenen drei Millionen Jahre, in der sich Temperatur und Niederschlag über diesen enormen Zeitraum hinweg verändern.

Frühere Arbeiten hatten bereits Grundlagen dafür geliefert, wie Eis auf veränderte Kohlendioxidwerte reagiert – allerdings nicht mit einer derart kontinuierlichen „Ansteuerung“ durch durchgehende Klimadaten.

Die Entwicklung eines Eisschildes nachverfolgen

Diese rekonstruierte Klimahistorie speiste das Team in ein separates Eisschildmodell der Penn-State-Universität ein – ein Modell, das erfasst, wie Eis fließt, dicker wird, sich erwärmt und ausbreitet.

Es bildet zudem das Verhalten der schwimmenden Schelfeise ab, die den Kontinent säumen und an denen das landeisgebundene Eis ins Meer abfließt.

Für die Simulation war einer der schnellsten wissenschaftlichen Supercomputer Südkoreas notwendig.

Statt nur einen einzelnen Zeitpunkt der Erdgeschichte nachzustellen, verfolgte das Modell die Entwicklung des antarktischen Eisschildes über die gesamten letzten drei Millionen Jahre hinweg ohne Unterbrechung.

Ein klarer und abrupter Kipppunkt

In diesem Verlauf verbarg sich eine entscheidende Zahl: Fiel der atmosphärische Kohlendioxidgehalt unter ungefähr 240 Teile pro Million, reagierte der antarktische Eisschild nicht länger sanft auf Veränderungen der Luft- und Meerestemperaturen.

Stattdessen begann die Reaktion stark auszuschlagen. Genau dieser Kipppunkt war zuvor nicht eindeutig festgelegt worden.

Der Eisschild glitt nicht allmählich in das neue Verhalten, während der Planet langsam abkühlte. Er überschritt eine Grenze und änderte seinen Charakter – die Verstärkung setzte plötzlich ein und nicht schrittweise.

„After this transition, the Antarctic ice sheet reacts much more strongly to changes in climate forcing,” said Yun.

„This indicates that the system does not evolve gradually but instead becomes more responsive after crossing a particular threshold in the climate system.”

Ein Zusammenspiel mehrerer Umweltfaktoren

In der Simulation scheinen drei Faktoren gemeinsam dazu beigetragen zu haben, dass das antarktische Eis nach dem Übergang anwuchs und stabiler blieb.

Kältere Ozeane während der Glaziale dürften von unten weniger Eis abgeschmolzen haben – dort, wo der Eisschild auf das Meer trifft. Dadurch verlangsamte sich der stetige Verlust, den zuvor wärmeres Wasser an der Unterseite angetrieben hatte.

Auch niedrigere Meeresspiegel wirkten zusätzlich. Bei einem globalen Meeresspiegel, der 49 bis 101 Meter unter dem heutigen lag, nahm der Druck auf den Meeresboden ab, und das Gestein unter dem Eis begann sich langsam wieder anzuheben.

Diese Hebung erlaubte es im Modell, dass sich das Eis an den Küsten stärker auftürmte und dicker wurde.

Zusammen führten kälteres Wasser und aufsteigendes Gestein zu größeren, widerstandsfähigeren Eisschilden, wie sie die späteren Eiszeiten prägten.

Dabei verstärkte ein Impuls den nächsten: Ein schwererer, beständigerer Zustand aus Eis und Kälte setzte sich fest.

Bedeutung für den Meeresspiegelanstieg

Warum eine Abkühlung vor einer Million Jahren heute relevant ist, lässt sich auf ein Wort bringen: Schwellenwerte.

Wenn ein Eisschild seine Empfindlichkeit in Richtung „kälter“ abrupt umstellen kann, dann kann er dies grundsätzlich auch in Richtung „wärmer“ tun – und diese Möglichkeit verändert, wie Forschende das künftige Risiko bewerten.

Studienmitautor Axel Timmermann sagte, der Eisschild habe sich als empfindlicher gegenüber äußeren Einflüssen erwiesen, als Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler angenommen hatten – mit unangenehmen Fragen für die Zukunft.

Andere aktuelle Modellierungen haben zudem darauf hingewiesen, wie wenig Ozeanerwärmung nötig sein könnte, um die Westantarktis über einen Kipppunkt zu schieben.

Die praktische Sorge ist der Meeresspiegel: Die Antarktis ist der größte einzelne Unsicherheitsfaktor dafür, wie stark die Ozeane in diesem Jahrhundert und darüber hinaus ansteigen.

Projektionen, die von einem glatten, gut vorhersagbaren Abschmelzen ausgehen, könnten das Verhalten des Eises missverstehen. Neuere Projektionen decken – je nach Emissionen – ohnehin bereits eine große Spannbreite ab.

Eine deutlichere Warnung für die Zukunft

Die Neuerung dieser Studie ist greifbar: Es gibt nun Belege dafür, dass der antarktische Eisschild bereits einmal eine Schwelle in seiner Empfindlichkeit überschritten hat.

Bei einem bestimmten Kohlendioxidniveau kippte er von einer gleichmäßigen Reaktion in eine deutlich heftigere. Dieses Verhalten war lange vermutet worden – nun ist es mit einer Zahl verbunden.

Damit verändert sich auch die Form der Gefahr: Wenn Eis an einem Schwellenwert in ein anderes Reaktionsregime wechseln kann, dann riskieren Vorhersagen, die nur graduelle Veränderungen abbilden, genau den Moment zu verfehlen, in dem das System ruckartig umschaltet.

Die Identifikation dieses Kipppunkts gibt Modelliererinnen und Modellierern ein konkretes Ziel, um Prognosen zum Meeresspiegelanstieg entlang der Küsten weltweit weiter zu schärfen.

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