Ursachen des aktuellen Meeresspiegelanstiegs

Aus Klimawandel

Grundsätzlich gibt es drei Ursachen des globalen Meeresspiegelanstiegs:

  1. Die thermale Expansion durch die Erwärmung des Ozeans, der sog. sterische Meeresspiegelanstieg,
  2. das Schmelzen von Landeis, der eustatische Meeresspiegelanstieg, und
  3. die durch natürliche oder anthropogene Ursachen sich verändernde Wasserspeicherung auf dem Land.

Regional spielt auch der halosterische, durch die Änderung des Salzgehalts bedingte Einfluss eine Rolle. Er beträgt im globalen Mittel jedoch Null, da der totale Salzgehalt des Ozeans konstant bleibt.[1]

Sterischer Meeresspiegelanstieg

Abb. 1: Wärmeaufnahme in den oberen 2000 m des Ozeans 1955-2020 nach Jahrzehnten in 1022 Joule bezogen auf das Mittel von 2016-2020 nach verschiedenen Datensätzen. Rot: Wärmegehalt des Ozeans, vertikale schmale Balken: Unsicherheitsbereich.
Abb. 2: Sterischer Meeresspiegelanstieg 1993-2017 nach verschiedenen Datensätzen aus Beobachtungen und Modellrechnungen

Thermosterischer Meeresspiegelanstieg

Durch sterische Meerespiegeländerungen ändert sich das Volumen, aber nicht die Wassersmasse. Der sterische Meeresspiegelanstieg ist im Wesentlichen auf die Erwärmung des Ozeans zurückzuführen, da Änderungen des Salzgehalts nur für regionale Änderungen des Meeresspiegels eine Rolle spielen. Die Erwärmung des Ozeans zeigt seit den 1950er Jahren einen deutlichen Trend (Abb. 1), der hauptsächlich auf die Zunahme von Treibhausgasen in der Atmosphäre zurückgeführt werden kann, also anthropogen bedingt ist. Es spielen offensichtlich aber auch natürliche Schwankungen von Jahrzehnt zu Jahrzehnt eine Rolle, die wahrscheinlich mit dynamischen Prozessen des Ozeans (Meeresströmungen) zusammenhängen. 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 fanden daher in den oberen 700 m statt. Der sterische Meeresspiegelanstieg (Abb. 2) wurde bis in die Mitte der 2000er Jahre durch Schiffsmessungen festgestellt, die im Wesentlichen auf die oberen 700 m begrenzt waren. Seit den 2000er Jahren wurden jedoch Tausende von autonom schwimmenden Messtationen implementiert und damit die Messtechnik erheblich verbessert. Gegenwärtig (um 2020) gibt es weltweit 4000 solcher Stationen, die zwischen 60 °N und 60 °S systematisch Temperatur und Salzgehalt bis in eine Tiefe von 2000 m messen.[1] Vor dem Satellitenzeitalter zwischen 1901 und 1990 betrug der sterische Meeresspiegelanstieg schätzungsweise 0,36 mm/Jahr. Seit Beginn der Satellitenmessungen 1993 bis 2018 erhöhte sich die Anstiegsrate mit 1,31 mm/Jahr auf etwa das Dreieinhalbfach. Der Anteil des sterischen Meeresspiegelanstiegs betrug vor dem Satellitenzeitalter nach Darstellung des Weltklimarats IPCC (2021) 32% und erhöhte sich zwischen 1993 und 2018 auf 46%.[2]

Abb. 3: Eustatischer und thermosterischer Meeresspiegelanstieg 2005-2021
Abb. 4: Eustatischer Meeresspiegelanstieg nach Summe der Komponenten und Schwerefeldmessungen (GRACE) sowie Änderung durch einzelne Komponenten.

Eustatischer Meeresspiegelanstieg

Der eustatische Meeresspiegelanstieg ist durch die Zunahme von Wasser in den Ozeanen bedingt. Die Hauptursache ist das Abschmelzen von Landeis, d.h. von Gletschern und den beiden großen Eisschilden auf Grönland und der Antarktis (Abb. 4). Das Abschmelzen von Eis, das im Meer schwimmt wie das Meereis im Arktischen Ozean oder rund um die Antarktis, hat keinen Einfluss auf den Meeresspiegel, da es vor dem Abschmelzen so viel Wasser verdrängt, wie es nach dem Abschmelzen als Wasser einnimmt.

Gletscher

Gletscher gibt es auf der Erde einerseits in hohen nördlichen und südlichen Breiten, andererseits in Hochgebirgen. Sie nehmen eine Fläche von etwa 706 000 km2 ein. Ihr Volumen entspricht einem Meeresspiegelanstieg von ca. 40 cm.[3] Während des 20. Jahrhunderts bis ca. 1990 war das Abschmelzen der Gletscher mit 52% bzw. 5,2 cm die Hauptursache für den vom Menschen verursachten Meeresspiegelanstieg, der in diesem Zeitraum bei etwa 10 cm lag. Dieser Anteil schwächte sich im Satellitenzeitalter 1993-2018 auf 19% ab,[2] auch wenn der Massenverlust der Gletscher in den 2010er Jahren deutlich zugenommen hat.[1] Im letzten Jahrzehnt betrug der Beitrag zum Meeresspiegelanstieg nach neueren Untersuchungen ca. 0,75 cm.[2][4] Den größten Verlust an Eis hatte Alaska mit 83 Gt/Jahr zu verzeichnen, was einen Meeresspiegelanstieg von 2,3 mm zur Folge hatte. Darauf folgte die kanadische Arktis mit 47 Gt/Jahr und einem Anstieg des Meresspiegels um 1,3 mm.[4]

Eisschilde: Grönland und Antarktis

Abb. 5: Massenbilanz und Beitrag zum Meeresspiegelanstieg des Grönländischen Eisschilds und der einzelnen Antarktischen Eisschilde 2002-2021.

Auch wenn die Gletscher der Erde gegenwärtig noch fast so viel Eis verlieren wie der Grönländische Eisschild (Abb. 4), so wird ihr Anteil am Meeresspiegelanstieg in den folgenden Jahrzehnten zunehmend sinken. Die Hauptgefahr für einen gefährlichen Meeresspiegelanstieg in den nächsten Jahrzehnten und Jahrhunderten geht von den beiden großen Eisschilden auf Grönland und der Antarktis aus, deren vollständiges Abschmelzen einen Anstieg des globalen Meeresspiegels um ca. 65 m ausmachen würde,[5] gegenüber nur 40 cm durch das Abschmelzen aller Gletscher (s.o.). Der Grönländische Eisschild bedeckt gegenwärtig eine Fläche von 1,7 Mio. km2 und speichert eine Eismasse von 30 Mio. km3. Das vollständige Abschmelzen der Eismasse würde einen Meeresspiegelanstieg von 7,42 m bewirken. Der Antarktische Eisschild dehnt sich über 12,4 Mio. km2 aus und beinhaltet eine Eismasse von 26,5 Mio. km3, die beim Abschmelzen den Meeresspiegel um 57,9 m ansteigen lassen würde.[5] Allerdings würde sich das völlige Abschmelzen der Eisschilde über einige Jahrtausende hinziehen (vgl. Projektionen zu Grönland und Antarktis).

Im 20. Jahrhundert war der Grönländische Eisschild mit 29% am Meeresspiegelantieg beteiligt, während der Antarktische Eisschild eine fast ausgeglichene Massenbilanz aufwies, bei der der Gewinn an Eismasse durch Schneefall ebenso groß war wie der Verlust durch Schmelzprozesse. Mit dem Beginn der Satellitenära gewann der Antarktische Eisschild jedoch an Bedeutung für den Meeresspiegelanstieg. Während der letzten im Bericht des Weltklimarats von 2021 betrachteten Zeitspanne 2006-2018 fielen 17% des Meeresspiegelanstiegs auf das Abschmelzen des Grönländischen Eisschilds und 10% auf die Antarktis, während der Massenverlust der Gletscher mit 17% nur noch ebensoviel ausmachte wie der Beitrag Grönlands allein.[2] Nach jüngsten Berechnungen hat der Grönländische Eisschild 1992-2020 mit 4892 Gt fast doppelt so viel Eis verloren wie die Antarktis, bei einer mittleren Rate von 169 Gt/Jahr. Zusammen haben die beiden Eisschilde zwischen 1992 und 2020 bei einem Eisverlust von 7563 Gt den globalen Meeresspiegel um 2,1 cm ansteigen lassen.[6] Das entspricht etwa einem Viertel des gesamten Meeresspiegelanstiegs von 1993 bis 2018 von 8,1 cm.[2] Dabei haben sich die Eisverluste sowohl des Grönländischen wie des Antarktischen Eisschilds seit der Jahrhundertwende deutlich gesteigert. Zwischen 1997 und 2001 betrugen sie für Grönland 48 Gt/Jahr und für die Antarktis 19 Gt/Jahr, zwischen 2017 und 2020 waren es 257 bzw. 115 Gt/Jahr.[6] Vor allem die Antarktis unterliegt jedoch auch starken jährlichen Schwankungen bei der Akkumulation durch Schneefall. So wies der Eisschild wischen 2021 und 2022 durch ungewöhnlich hohe Niederschläge eine Rekordzunahme an Eismasse von 130 Gt/Jahr auf.[7]

Der Antarktische Eisschilde besteht aus drei sehr unterschiedlich großen Teilen, die, wie Abb. 5 zeigt, sehr ungleich an der Änderung der Massenbilanz seit Ende der 2010er Jahre beteiligt sind. Den größten Verlust weist mit Abstand die Westantarktis mit über 2000 Gt Eis zwischen 2002 und 2021 auf, was einem Meeresspiegelanstieg von 6 mm entspricht. Eine wichtige Rolle spielt dabei, dass große Gletscher der Westantarktis direkt in den Ozean münden und dabei auch durch das sich erwärmende Wasser abschmelzen. Das ist zwar ähnlich wie bei der Antarktischen Halbinsel, die jedoch wesentlich kleiner ist und deren Eismasse durch vollständiges Abschmelzen den globalen Meeresspiegel nur um 24 cm steigen lassen würde, gegenüber 4,3 m durch das Eis der Westantarktis.[8][9] Die mit großem Abstand größte Eismasse birgt mit ihrer kilometerdicken Eisschicht die Ostantarktis, die das Potential hat, den Meeresspiegel um 53 m ansteigen zu lassen.[9] Die Ostantarktis verzeichnet gegenwärtig jedoch noch eine positive Massenbilanz (Abb. 5), da der Schneefall im Innern des Eisschildes das Abschmelzen von Eis an den Rändern übertrifft.

Wasserspeicherung auf dem Land

Wasser wird nicht nur in Form von Eis auf dem Land gespeichert, sondern auch in flüssigem Aggregatzustand in Wasserspeichern wie Seen, Flüssen, Feuchtgebieten, Schneelagen, Böden, Grundwasser und Stauseen. Sie werden einerseits durch direkte menschliche Aktivitäten verändert bzw. wie Stauseen überhaupt erst geschaffen, andererseits durch klimatische Änderungen und damit teilweise indirekt durch den Menschen beeinflusst. Soweit die Bilanz der Änderung des auf dem Land gespeicherten Wassers negativ ist, trägt es ähnlich wie das Landeis zum eustatischen Meeresspiegelanstieg bei (Abb. 4).

Grundwasserentnahme

Direkte menschliche Eingriffe betreffen vor allem die Grundwasserentnahme und die Anlage von Wasserreservoiren, die zu einer Erhöhung bzw. Absenkung des Meeresspiegels führen können. Oberflächennahes Grundwasser steht zumeist in einem Austausch mit dem Wasserkreislauf und kann kurzfristig durch Niederschlag erneuert werden. In größeren Tiefen liegendes fossiles Grundwasser ist dagegen über Hunderte bis Tausende von Jahren vom Wasserkreislauf isoliert gewesen. Durch die Grundwasserentnahme, z.B. zur Bewässerung von Agrarflächen, wird dieses Wasser wieder Teil des Wasserkreislaufs und trägt über Verdunstung und Niederschlag zum Meeresspiegelanstieg bei. Daneben werden relevante Mengen an Grundwasser auch für die Wasserversorgung vor allem der stark wachsenden städtischen Bevölkerung genutzt und gelangen teilweise auch auf diesem Weg letztlich in den Ozean. Außerdem wird auf dem Land gespeichertes Wasser auch durch die Entwässerung von Feuchtgebieten (z.B. von Mooren) dem Abflusssystem zugeführt.

Eine zunehmende Süßwasserentnahme vor allem für die Bewässerung von Anbauland hat zu einer Grundwasserentnahme von 100-300 km3 pro Jahr geführt.[10] Infolge von Verdunstung über bewässerten Agrargebieten in Trockenregionen, Niederschlag und Abfluss wurde für die Zeit um 2000 ein Meeresspiegelanstieg von 0,3-0,9 mm/Jahr geschätzt.[11] Zu einem ähnlichen Ergebnis kommen Sun et al. (2022) für den Zeitraum 2002-2020, die einen Meeresspiegelanstieg durch Grundwasserentnahme und Entwässerung von Feuchtbieten von 0,84 mm/Jahr berechnet haben.[12] Durch die Grundwasserentnahme kann der Meeresspiegel in Küstengebieten indirekt auch dadurch beeinflusst werden, dass die Wasserförderung den Boden absinken lässt. Das ist besonders in Deltagebieten wie dem Mekong-Delta oder dem Ganges-Bramaputra-Delta ein Problem.

Abb. 6: Änderung des Oberflächenwassers durch Staudämme 1984-2018 nach Ländern. Die gelben Kreise zeigen die Anzahl der Staudämme pro Land an, die blauen Farbabstufungen die Änderungen der Wasserobefläche durch die Errichtung von Staudämmen.

Stauseen

Ein anderer gravierender Eingriff in den terrestrischen Wasserhaushalt ist die Anlage von Stauseen, die anders als die Grundwasserförderung zu einer Absenkung des Meeresspiegels führt. Sie dienen der Bewässerung von Anbauland, der Erzeugung von Hydroenergie, der kommunalen Wasserversorgung, der Abflusskontrolle u.a. Zwecken. Die Stromerzeugung durch Staudämme macht einen Anteil von 16% an der globalen elektrischen Energieproduktion aus, der nach Schätzungen zu einer Einsparung von 2,8 Mrd. CO2-Emissionen jährlich beiträgt. Allerdings bewirken einige Staudämme durch die geringere Albedo der Wasseroberfläche eher einen positiven Strahlungsantrieb und verstärken damit die globale Erwärmung.[13] Seit Beginn des 21. Jahrhunderts zeigte die Wasserspeicherung in größeren Stauseen (>1 km3) eine Zunahme der Wassermasse von 211 Gt/Jahr. Die Anlage von Stauseen bewirkte 2002-2020 eine Absenkung des Meeresspiegels um -0,56 mm/Jahr. Sie sind regional konzentriert im südlichen Nordamerika, westlichen Südamerika, Westeuropa und Ostasien. Es ist davon auszugehen, dass sie in Zukunft erheblich an Bedeutung gewinnen.[12] Eine aktuelle Datenbank umfasst 35.000 Staudämme weltweit, wovon sich fast 10.000 in Asien befinden, gefolgt von Nordamerika mit über 8.300 und Südamerika mit 7.500. Die Fläche der gesamten Stauseen umfasst hiernach 518.000 km2. Gegenüber der ursprünglichen Wasserfläche in den betroffenen Flusssystemen hat die Errichtung von Staudämmen zwischen 1984 und 2018 den Umfang es Oberflächenwassers um rund 50.000 km2 verändert. Fast die Hälfte davon hat Asien zu verzeichnen, vor allem in Indien und China.[13] Das in den Stauseen gesammelte Wasser wird am direkten Abfluss ins Meer gehindert, wobei ein Teil durch Verdunstung in den Wasserkreislauf gelangt, ein anderer Teil durch die Nutzung aber im Boden versickert.

Klimatische Einflüsse

Abb. 7: Änderung der Wassermasse auf den Kontinenten durch Niederschlag in 2011 (Januar, Februar, März Durchschnitt) im Vergleich zu 2010 (März, April, Mai Durchschnitt) durch den Übergang von einem El-Niño zu einer La Niña. Blau zeigt einen vorübergehenden Stau der Wassermasse auf den Kontinenten, gelb bis rot eine Abnahme. Der stärkere Wasserstau hat zu einem kurzfristigen Absinken des Meersspiegels um 0,5 cm geführt.

Die Wasserspeicherung an Land wird auch durch Änderungen des Klimas beeinflusst. Ein längerfristiger klimatisch bedingter Trend konnte bei den Landreserven nicht ermittelt werden, jedoch jährliche und dekadische Schwankungen. Die jährlichen Schwankungen werden, wie aktuelle Forschung gezeigt hat, vor allem durch ENSO beeinflusst, jener periodisch wiederkehrenden ungewöhnlichen Erwärmung (El Niño) bzw. Abkühlung (La Niña) der Meeresoberfläche im östlichen tropischen Pazifik. Während eines El-Niño-Ereignisses nehmen die Niederschläge in den Tropen über dem Ozean zu und über dem Land ab. Die Folge ist ein höherer Meeresspiegel. Während eines La-Niña-Ereignisses sind die Niederschläge in den Tropen höher über dem Land und geringer über dem Ozean, wodurch der Meeresspiegel absinkt, weil mehr Wasser auf dem Land gespeichert wird. Die Kurve der natürlichen Wasserspeicherung auf dem Land in Abb. 4 zeigt 2010/11 und 2016/17 deutliche Schwankungen, die auf eine Folge von El-Niño- und La-Niña-Ereignissen verweisen. Der Abfall des globalen Meeresspiegels 2010/11 um ca. 5 mm ist im wesentlichen auf die Speicherung von erheblichen Niederschlägen auf dem Land zurückzuführen, wie aus Messungen des GRACE-Projekts[14] hervorgeht. Dafür wird das La-Niña-Phänomen von Mitte 2010 bis Anfang 2012 als Ursache gesehen, das nach zahlreichen Messungen als das bis dahin stärkste La-Niña-Ereignis seit 80 Jahren gilt. Es verursachte starke Niederschläge über tropischen Landgebieten, vor allem über dem nördlichen Südamerika, Südostasien und Australien, die teilweise verspätet oder gar nicht ins Meer abflossen (Abb. 7).[15][16] Das Niederschlagswasser wurde in besonders hohem Maße in den australischen, weitgehend abflusslosen Becken des Landesinnern gespeichert.[17] Auch der abgeschwächte Meeresspiegelanstieg ab 2016 und ab 2020 wird auf eine La-Niña-Phase zurückgeführt, die z.B. ab 2020 über einige Jahre anhielt.[18]

Langfristiger Meeresspiegelanstieg

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Cazenave, A. and L. Moreira (2022): Contemporary sea-level changes from global to local scales: a review, Proc. R. Soc. A.4782022004920220049
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 IPCC AR6, WGI (2021): Climate Change 2021: The Physical Science Basis, Ocean, Cryosphere and Sea Level Change, 9.6.
  3. ↑ Zemp, M., Huss, M., Thibert, E., et al. (2019): Global glacier mass changes and their contributions to sea-level rise from 1961 to 2016, Nature, 568, 382–386
  4. ↑ 4,0 4,1 Jakob, L., & N. Gourmelen (2023): Glacier mass loss between 2010 and 2020 dominated by atmospheric forcing, Geophys. Res. Lett., 50, Article e2023GL102954
  5. ↑ 5,0 5,1 Otosaka, I.N., M. Horwath, R. Mottram et al. (2023): Mass Balances of the Antarctic and Greenland Ice Sheets Monitored from Space. Surv Geophys 44, 1615–1652
  6. ↑ 6,0 6,1 Otosaka, I.N., A. Shepherd, E.R. Ivins et al. (2023): Mass balance of the Greenland and Antarctic ice sheets from 1992 to 2020, Earth Syst. Sci. Data, 15, 1597–1616
  7. ↑ Wang, W., Y. Shen, Q. Chen & F. Wang (2023): Unprecedented mass gain over the Antarctic ice sheet between 2021 and 2022 caused by large precipitation anomalies, Environmental Research Letters 18, 12
  8. ↑ Turner, J., A. Orr, G. H. Gudmundsson, A. Jenkins, R. G. Bingham, C.-D. Hillenbrand, and T. J. Bracegirdle (2017): Atmosphere-ocean-ice interactions in the Amundsen Sea Embayment, West Antarctica, Rev. Geophys., 55, 235-276, doi:10.1002/2016RG000532
  9. ↑ 9,0 9,1 Davies, B. (2014): Antarctic Peninsula Ice Sheet
  10. ↑ IPCC AR6, WGI (2021): Climate Change 2021: The Physical Science Basis, Ch. 8: Water Cycle Changes, 8.3
  11. ↑ Bierkens, M.F.P., & Y. Wada (2019): Non-renewable groundwater use and groundwater depletion: a review, Environmental Research Letters 14, 6, https://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/ab1a5f
  12. ↑ 12,0 12,1 Sun, J., L. Wang, Z. Peng et al. (2022): The Sea Level Fingerprints of Global Terrestrial Water Storage Changes Detected by GRACE and GRACE-FO Data. Pure Appl. Geophys. 179, 3493–3509
  13. ↑ 13,0 13,1 Zhang, A.T., & V.X. Gu (2023): Global Dam Tracker: A database of more than 35,000 dams with location, catchment, and attribute information. Sci Data 10, 111
  14. ↑ GRACE steht für Gravity Recovery And Climate Experiment; vgl. Die Infoseite bei der Deutschen Luft- und Raumfahrtgesellschaft DLR
  15. ↑ Yi, S., W. Sun, K. Heki, and A. Qian (2015): An increase in the rate of global mean sea level rise since 2010, Geophysical Research Letters, 10.1002/2015GL063902
  16. ↑ Boening, C., J. K. Willis, F. W. Landerer, R. S. Nerem, and J. Fasullo (2012), The 2011 La Niña: So strong, the oceans fell, Geophys. Res. Lett., 39, L19602, doi:10.1029/2012GL053055
  17. ↑ Fasullo, J. T., C. Boening, F. W. Landerer, and R. S. Nerem (2013), Australia’s unique influence on global sea level in 2010–2011, Geophysical Research Letters, 40, 4368–4373, doi:10.1002/grl.50834
  18. ↑ Ludwigsen, C.B., Andersen, O.B., Marzeion, B. et al. Global and regional ocean mass budget closure since 2003. Nat Commun 15, 1416


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