In den letzten Jahrzehnten sind die Eisschilde Grönlands und der Antarktis dramatisch zurückgegangen, und wissenschaftliche Prognosen deuten auf einen zunehmenden Rückgang in der Zukunft hin. In Regionen mit ausreichend Schneefall bilden sich an Land Eisschilde, die sich durch die Kompression mit der Zeit verdichten und Eis bilden. Sie entstehen also anders als das in der Öffentlichkeit oft diskutierte Meereis durch das Gefrieren von Meerwasser.
Da sich der größte Teil eines Eisschildes an Land befindet, führt das Abschmelzen des Eisschildes im Gegensatz zum Schmelzen des Meereises zu einem Anstieg des Meeresspiegels. Abhängig von der Menge der Treibhausgasemissionen und dem damit verbundenen Abschmelzen der Eisschilde wird der Meeresspiegel bis zum Ende dieses Jahrhunderts voraussichtlich um 0,3 bis 1,1 Meter ansteigen. Dies hat nicht nur klimatische, sondern auch sozioökonomische Auswirkungen, denn weltweit leben rund 267 Millionen Menschen in Gebieten, die weniger als einen Meter über dem Meeresspiegel liegen.
In der Vergangenheit gab es mehrere Perioden, in denen Eisschilde starken klimatischen Veränderungen ausgesetzt waren. Beispielsweise war die globale Durchschnittstemperatur vor 21.000 Jahren etwa fünf Grad Celsius kälter und der Meeresspiegel etwa 120 Meter niedriger als heute. Große Eisschilde bedeckten Grönland, die Antarktis und Teile Nordamerikas und Eurasiens – insgesamt etwa acht Prozent der Erdoberfläche.
Vor etwa 19.000 Jahren begannen die Temperaturen zu steigen und ein großer Teil der Eisschilde verschwand. Dieser Übergang wird als letzte Deglaziation bezeichnet. Heute sind nur noch die Eisschilde Grönlands und der Antarktis übrig. Um diese Klimaveränderungen und die Wechselwirkungen zwischen Eisschilden und Klima besser zu verstehen, führen wir Langzeitsimulationen mit unserem neu entwickelten Klimamodell durch. Mit diesem Modell wollen wir auch Rückschlüsse auf die Entwicklung des zukünftigen Klimas ziehen.
Kleine Unterschiede haben große Auswirkungen auf das Klima
Ein Schwerpunkt unserer Arbeit war es, ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Unsicherheiten in der Ausdehnung und Höhe von Eisschilden auf das Klima zu gewinnen. Dazu haben wir die letzte Enteisung mit verschiedenen Eisschildrekonstruktionen als Randbedingungen simuliert. Die Rekonstruktionen werden durch die Analyse geologischer Überreste vergangener Eisschilde gewonnen, die jedoch zeitlich und räumlich unvollständig sind. Dies führt zu verschiedenen Rekonstruktionen, die sich hinsichtlich ihrer Eisschildhöhe und -ausdehnung erheblich unterscheiden.
Unsere Modellrechnungen zeigen, dass bereits kleine Unterschiede dieser Eigenschaften einen starken Einfluss auf das Klima haben. Die Unterschiede beeinflussen sowohl das Klima während der letzten Eiszeit als auch den Zeitpunkt und das Ausmaß abrupter Klimaschwankungen während der letzten Eisschmelze auf der Nordhalbkugel. Der Hauptgrund hierfür liegt darin, dass die Höhe der Eisdecke und die Zugabe von Schmelzwasser, das durch die Veränderung der Eisdecke in den Ozean freigesetzt wird, Auswirkungen auf die atmosphärische und ozeanische Zirkulation haben.
Diese wiederum regulieren, wie viel Wärme aus subtropischen Regionen in den Nordatlantik transportiert wird und bestimmen so das Klima in den angrenzenden Regionen, beispielsweise Europa.
Kontinuierlicher Eisstrom nach dem Kipppunkt
Auch große Veränderungen der Eisschilde beeinflussten das Klima vor 60.000 bis 25.000 Jahren immer wieder, das sogenannte marine Isotopenstadium 3. Diese Phase war durch starke, zyklische Temperaturschwankungen auf der Nordhalbkugel gekennzeichnet. Darüber hinaus kam es zu periodischen Instabilitäten der Eisschilde, den so genannten Heinrich-Ereignissen, benannt nach ihrem deutschen Entdecker.
Bei einem Heinrich-Ereignis wurden große Mengen Eisberge aus dem nordamerikanischen Eisschild ausgestoßen. Diese Eisberge gelangten in den Ozean, wo sie unter anderem die Ozeanzirkulation beeinflussten und zu einer deutlichen Abkühlung über dem Nordatlantik führten. Die genauen Mechanismen, die zu diesen Ereignissen führten, sind noch unklar.
Wir haben Simulationen durchgeführt, um zu verstehen, wie unterschiedliche klimatische Bedingungen den Zeitpunkt eines Heinrich-Ereignisses beeinflussen. In unseren Simulationen treten Heinrich-Ereignisse immer wieder in verschiedenen Regionen des nordamerikanischen Eisschildes auf, unterscheiden sich jedoch regional in ihrer Dynamik.
Wir haben auch herausgefunden, dass ein wärmeres Klima häufig zum Überschreiten einer kritischen Schwelle oder eines Kipppunkts führt, an dem möglicherweise keine Heinrich-Ereignisse mehr auftreten und sich stattdessen ein kontinuierlicher Eisstrom entwickelt. Ein solcher Übergang kann den Meeresspiegel um mehrere Meter ansteigen lassen und zeigt, dass vergangene Kipppunkte die langfristige Klimaentwicklung möglicherweise verändert haben.
Unsere Studien unterstreichen die Bedeutung von Eisschilden für die kurz- und langfristige Klimaentwicklung. Sie zeigen, wie wichtig es ist, Veränderungen der Eisschilde für Modellsimulationen der Vergangenheit und Zukunft zu berücksichtigen. In zukünftigen Arbeiten wollen wir Kipppunkte im Klimasystem identifizieren, die auf Veränderungen der Eisdecke zurückzuführen sind und das Potenzial haben, die langfristige Klimaentwicklung zu verändern.
Dazu gehören Veränderungen des Jetstreams, der Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), die den Golfstrom umfasst, und der Eis-Albedo-Rückkopplung. Letzteres bezieht sich darauf, dass Eis mehr Sonnenstrahlung reflektiert als die Vegetation, daher erwärmt sich die Erde in eisbedeckten Gebieten weniger. Unser Modellsystem ermöglicht es uns, diese Prozesse und die Rückkopplung zwischen Eisschilden und dem Klima vollständig zu verstehen und zu untersuchen.