Ursachen des aktuellen Meeresspiegelanstiegs

Aus Klimawandel

Grundsätzlich gibt es drei Ursachen des Meeresspiegelanstiegs: 1. Die thermale Expansion, 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 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 32% und erhöhte sich zwischen 1993 und 2018 auf 46%.[2]

Eustatischer Meeresspiegelanstieg

Abb. 3: Eustatischer Meeresspiegelanstieg nach Summe der Komponenten und Schwerefeldmessungen (GRACE) sowie Änderung durch einzelne Komponenten.

Der eustatische Meeresspiegelanstieg ist durch die Zunahme von Wasser in den Ozeanen bedingt. Die Hauptursache ist das Abschmelzen von Eis, das auf dem Land liegt wie Gletscher und die beiden großen Eisschilde auf Grönland und der Antarktis. 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 das Eis vor dem Abschmelzen so viel Wasser verdrängt, wie es als Wasser nach dem Abschmelzen 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

Auch wenn die Gletscher der Erde gegenwärtig noch fast so viel Eis verlieren wie der Grönländische Eisschild (Abb. 3), 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 und vor dem Beginn des Sattellitenzeitalters, d.h. zwischen 1900 und 1992, machte das Abschmelzen der Gletscher mit 52% den größten Anteil am Anstieg des Meeresspiegels aus. Der Grönländische Eisschild war daran mit 29% beteiligt, während der Antarktische Eisschild eine ausgeglichene Massenbilanz aufwies, bei der der Gewinn an Eismasse durch Schneefall ebenso groß war wie der Verlust durch Schmelzprozesse. Der restliche Anstieg des Meeresspiegels wurde durch die thermale Expansion verursacht. Mit dem Beginn der Satellitenära änderten sich jedoch die Verhältnisse hin zu einer größeren Bedeutung der Eisschilde. Während der jüngsten im letzten Bericht des Weltklimarats betrachteten Zeitspanne von 2006 bis 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 neueren 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 der Akkumulation. So wies der Eisschild wischen 2021 und 2022 durch ungewöhnlich hohe Niederschläge eine Rekordzunahme an Eismasse von 130 Gt/Jahr auf.[7]

Wasserspeicherung auf dem Land

Auch das längerfristig oder nur kurz auf dem Land gespeicherte Wasser besitzt einen Einfluss auf Änderungen des Meeresspiegels, und zwar vor allem auf dessen jährliche Schwankungen.

Die zahlreichen terrestrischen Wasserspeicher wie Seen, Flüsse, Feuchtgebiete, Schneelagen, Böden, Grundwasser und Stausenn stehen einerseits unter dem Einfluss von Klimaänderungen, andererseits unter dem direkten Einfluss menschlicher Aktivitäten. 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 westlichen 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. Das konnte während der starken La Niña 2010/11 nachgewiesen werden, als der Meeresspiegel absank, weil durch starke Niederschläge über Australien, dem nördlichen Südamerika und Südostasien relativ viel Wasser zeitweilig auf dem Land gespeichert wurde.[8] Auch der abgeschwächte Meeresspiegelanstieg wird auf eine La-Niña-Phase zurückgeführt, die ab 2020 über einige Jahre anhielt.[9]

Direkte menschliche Eingriffe in die Wasserreservoire auf dem Land betreffen vor allem Stauseen und Grundwasser. Im 20. Jahrhundert sind fast 30 000 Stauseeen neu errichtet worden, die eine Wassermenge aufgenommen haben, welche einer Absenkung des Meeresspiegels von 23 mm entspricht – bei allerdings großen Unsicherheiten in der Berechnung. Die Grundwasserentnahme durch den Menschen setzt das Wasser aus tieferen geologischen Schichten der Verdunstung und dem Abfluss aus und bewirkt daher einen Meeresspiegelanstieg, der für 1993-2008 auf ca. 0,4 mm/Jahr geschätzt wurde.[8]

Abb. 4: Eustatischer und thermosterischer Meeresspiegelanstieg 2005-2021

Hauptursache für den Meeresspiegelanstieg?

Der IPCC-Bericht von 2001 ging davon aus, dass der Hauptanteil des Meeresspiegelanstiegs im 20. Jahrhundert durch die Wärmeausdehnung des Meerwassers verursacht war (sterischer Meeresspiegelanstieg). Auch der IPCC-Bericht von 2007 sieht in einer Übersicht für die Zeit 1993-2003 noch ein leichtes Übergewicht durch die Ausdehnung des Meerwassers, 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] Der Bericht macht allerdings auf die Diskrepanzen zwischen den aus den einzelnen Ursachen berechneten Beiträgen zum Meeresspiegelanstieg und dem beobachteten Anstieg aufmerksam. Auch sei der sterische Anstieg während des größeren Zeitraums 1963-2003 etwas geringer gewesen als der eustatische.

Nach dem IPCC-Bericht von 2013 kommt für den Zeitraum 1993-2010 dem eustatischen Anstieg des Meeresspiegels dann eindeutig ein deutliches Übergewicht gegenüber dem sterischen Anstieg zu (Abb. 4). Die thermale Expansion des Meerwassers, also der thermosterische Anstieg, ist hiernach für 1,1 mm/Jahr Meeresspiegelanstieg verantwortlich. Die Eisschilde auf Grönland und der Antarktis tragen mit 0,6 mm/Jahr und die Gletscher (einschließlich der Gletscher auf Grönland) mit 0,86 mm/Jahr zum Meeresspiegelanstieg bei, so dass der Beitrag der Eisschmelze sich insgesamt auf 1,46 mm/Jahr beläuft. 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] Dabei hat sich der Anteil der großen Eisschilde in den letzten ca. zwei Jahrzehnten deutlich erhöht. Der Beitrag Grönlands zum globalen Meeresspiegelanstieg hat sich von 0,09 mm/Jahr für 1992-2001 auf 0,59 mm/Jahr 2002-2011 gesteigert. Der Beitrag der Antarktis hat ähnlich stark zugenommen, von 0,08 mm/Jahr auf 0,40 mm/Jahr für die genannten Zeiträume.[12] Dieser Trend setzt sich nach dem Bericht des IPCC zum Ozean und zur Kryosphäre von 2019[13] fort. Für die Periode 2006-2015 beträgt der Anteil Grönlands 0,77 mm/Jahr, der der Antarktis 0,43 mm/Jahr und der sämtlicher Gletscher der Erde ohne die Auslassgletscher Grönlands und der Antarktis 0,61 mm/Jahr. Das macht in der Summe 1,81 mm/Jahr aus. Dem steht eine thermale Expansion von 1,4 mm im Jahr gegenüber.

Ursachen der jüngsten Schwankungen des Meeresspiegelanstiegs

Abb. 6: 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 Anstiegsrate des Meeresspiegels zeigt seit 2010 besonders ausgeprägte Schwankungen. Es gab sogar ein deutliches Absinken des Meeresspiegels 2010/2011 und Anfang 2013, im Anschluss daran jedoch einen um so stärkeren Anstieg. Worin liegen die Ursachen dafür? 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 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.[15][16] Das Niederschlagswasser wurde in besonders hohem Maße in den australischen, weitgehend abflusslosen Becken des Landesinnern gespeichert. Aufgrund dieser Becken fließen in Australien lediglich 6 % der Niederschläge wieder ins Meer (im Vergleich zu ca. 40 % auf anderen Kontinenten). Die La-Niña-bedingten kräftigen Niederschläge wurden daher nur geringfügig dem Ozean wieder zugeführt (wo sie durch Verdunstung entstanden waren) und versickerten weitgehend ins Grundwasser.[17] Da zwischen 2005 und 2014 die Rate des Meeresspiegelanstiegs durch sterische und die durch Eisschmelze bedingten eustatischen Einflüsse weiterhin bei ca. 3 mm/Jahr lag, betrug das La-Niña-bedingte Absinken des Meeresspiegels zwischen 2010 und 2011 sogar rund 8 mm/Jahr.[15]

Der nachfolgende starke Anstieg des Meeresspiegels ist vor allem auf das Abschmelzen Grönlands zurückzuführen, dessen Rate sich nach 2010 nahezu verdoppelt hat, und zwar vor allem durch den Eisverlust an der Südwestküste Grönlands. Hinzu kam ein starker Massenverlust des auf dem Land gespeicherten Wassers ab Mitte 2012. Seit 2013 stoppte jedoch der gewaltige Massenverlust des grönländischen Eises. Die Eisschmelze auf der Antarktis nahm dagegen seit 2013 deutlich zu.[15]

Einzelnachweise

  1. ↑ Hochspringen nach: 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. ↑ Hochspringen nach: 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. ↑ Hochspringen nach: 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. ↑ Hochspringen nach: 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, https://doi.org/10.1007/s10712-023-09795-8
  6. ↑ Hochspringen nach: 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. ↑ Hochspringen nach: 8,0 8,1 IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 13.3.4
  9. ↑ Ludwigsen, C.B., Andersen, O.B., Marzeion, B. et al. Global and regional ocean mass budget closure since 2003. Nat Commun 15, 1416
  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
  12. ↑ IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 13.3.3
  13. ↑ IPCC (2019): IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate, Table 4.1
  14. ↑ GRACE steht für Gravity Recovery And Climate Experiment; vgl. Die Infoseite bei der Deutschen Luft- und Raumfahrtgesellschaft DLR
  15. ↑ Hochspringen nach: 15,0 15,1 15,2 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


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