Der fortschreitende Klimawandel, der durch Treibhausgasemissionen angetrieben wird, wird oft in Bezug auf die globale durchschnittliche Erwärmung diskutiert. Das wegweisende Pariser Abkommen sieht beispielsweise vor, die globale Erwärmung auf 1,5 ⁰C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Das Ausmaß der zukünftigen Erwärmung wird jedoch nicht überall auf dem Planeten gleich sein. Einer der deutlichsten regionalen Unterschiede im Klimawandel ist die schnellere Erwärmung über Land als über Meer. Diese „terrestrische Verstärkung“ der zukünftigen Erwärmung hat reale Auswirkungen auf das Verständnis und den Umgang mit dem Klimawandel
Ein neues Papier, das die terrestrische Verstärkung untersucht, konzentriert sich darauf, wie geochemische Aufzeichnungen des vergangenen Klimas an Land und an der Meeresoberfläche es Wissenschaftlern ermöglichen, besser vorherzusagen, inwieweit sich Land aufgrund von aktuellen und zukünftigen Treibhausgasen stärker erwärmen wird als Ozeane – und auch trockener werden Emissionen.
„Die Kernidee unserer Studie war es, in die Vergangenheit zu blicken, um besser vorhersagen zu können, wie sich die zukünftige Erwärmung über Land und Meer unterschiedlich entwickeln wird“, sagt Alan Seltzer, Assistenzwissenschaftler in der Abteilung für Meereschemie und Geochemie der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI ) und der Hauptautor des Papiers.
„Ein Grund, warum es wichtig ist, die terrestrische Verstärkung zu verstehen, ist, dass das Ausmaß der Erwärmung, die der Planet unter der zukünftigen globalen Erwärmung erfahren wird, nicht überall gleich sein wird“, sagt Seltzer. „Das Hinzufügen einer soliden Basis zu Klimamodellsimulationen, die auf Beobachtungen des vergangenen Klimas und grundlegender Physik basiert, kann uns Aufschluss darüber geben, wie die regionalen Unterschiede in der laufenden und zukünftigen Erwärmung sind.“ Seltzer stellt fest, dass die terrestrische Verstärkung (TA) analog zur „polaren Verstärkung“ ist, einer Vorhersage von Klimamodellen, dass höhere Breiten eine stärkere Erwärmung erfahren werden als niedrige Breiten.
Obwohl moderne Beobachtungsaufzeichnungen aufgrund großer Schwankungen von Jahr zu Jahr, die von anderen Teilen des Klimasystems verursacht werden, verrauscht sind, ist die Vorhersage einer stärkeren Erwärmung über Landoberflächen jetzt richtig in Klimadaten seit den 1980er Jahren sichtbar. Die Treiber dieser terrestrischen Verstärkung wurden mit Änderungen der Feuchtigkeit über Land und Meer in Verbindung gebracht eine Theorie, die von Klimawissenschaftlern im letzten Jahrzehnt entwickelt wurde. Diese neue Studie, veröffentlicht am Mittwoch in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte, „verwendet zum ersten Mal Paläoklimadaten, um die Theorie zu bewerten, wie Land- und Meeresoberflächen durch zukünftige Erwärmung beeinflusst werden“, sagt Seltzer. „Die Forschung gibt uns mehr Gewissheit darüber, wie Modelle regionale Veränderungen in der zukünftigen Erwärmung vorhersagen.“
Das Papier untersucht die terrestrische Verstärkung während des Last Glacial Maximum (LGM) – das vor etwa 20.000 Jahren stattfand – in den niedrigen Breiten, die sie als 30⁰S–30⁰N definieren. In diesen Breitengraden, sagen die Autoren, ist die theoretische Grundlage für TA am besten anwendbar. Die Autoren stützten sich auf neue Zusammenstellungen von Paläoklimaaufzeichnungen an Land und von der Meeresoberfläche, um die Größenordnung von TA im LGM abzuschätzen und mit Klimamodellsimulationen und theoretischen Erwartungen zu vergleichen. Bemühungen, besser zu verstehen, wie kalt die Kontinente im LGM waren, sind ein ständiger Schwerpunkt von Seltzers Forschung am WHOI, und dieses neue Papier baut darauf auf eine aktuelle Studie die Erkenntnisse aus gelösten Gasen, die im alten Grundwasser eingeschlossen waren, als Thermometer für die vergangene Landoberfläche nutzten.
Die Autoren erweiterten eine thermodynamische Theorie für die terrestrische Verstärkung, die auf gekoppelten Änderungen der feuchten statischen Energie (der potenziellen Energie, die durch die Temperatur, den Feuchtigkeitsgehalt und die Höhe eines Luftpakets dargestellt wird) zwischen Land und Meer basiert. Im LGM, als der Meeresspiegel aufgrund des Wachstums großer Eisschilde an Land 120 Meter niedriger war als heute, war die Meeresoberfläche etwas wärmer und feuchter, als sie es ohne eine Änderung des Meeresspiegels gewesen wäre. Indem sie diesen Effekt berücksichtigten und auf paläoklimatische Aufzeichnungen zurückgriffen, waren die Autoren in der Lage, die vergangene terrestrische Verstärkung direkt mit zukünftigen Vorhersagen zu vergleichen.
Das Papier stellt fest, dass, obwohl die Mechanismen, die TA zugrunde liegen, gut verstanden werden, dass sie aus grundlegenden thermodynamischen Unterschieden zwischen feuchter Luft über dem Ozean und trockener Luft über Land resultieren, eine Reihe von Faktoren – natürliche Variabilität, Beobachtungsbeschränkungen, thermische Verzögerungen und Nicht-CO2-Antriebe – haben zuvor eine genaue Schätzung der TA aus der Erwärmung des 20. Jahrhunderts ausgeschlossen. „Die Begrenzung des Bereichs der terrestrischen Verstärkung wird zukünftige Vorhersagen über den Klimawandel in niedrigen Breiten unterstützen, was sowohl für Hitzestress als auch für die Wasserverfügbarkeit relevant ist“, heißt es in dem Papier.
Co-Autor Pierre-Henri Blard sagt, das Papier sei ein „Schritt nach vorne für die Klimawissenschaft“ und es werde für andere wissenschaftliche Bereiche und die breite Öffentlichkeit von Bedeutung sein. „Wir zeigen, dass ein einfaches Modell, das Änderungen der Luftfeuchtigkeit und des Meeresspiegels beinhaltet, die Verstärkung von Temperaturänderungen über dem Kontinent – in niedrigen bis mittleren Breiten auf jeder Zeitskala – robust als 40 % größer als über dem Ozean beschreibt. Dieses Ergebnis ist wichtig, denn während sich die meisten paläoklimatischen Archive im Ozean befinden, hängen Gegenwart und Zukunft der Menschheit entscheidend von unserem Wissen über das kontinentale Klima ab.“
Die Forschung ist wichtig, „weil sie uns hilft, die Klimabilanz der Erde in der Vergangenheit zu verstehen und sie mit unseren Modellen und Erwartungen für die Zukunft in Beziehung zu setzen“, sagt Co-Autor Steven Sherwood. „[The paper] sollte alle Missverständnisse aufklären, dass sich Land und Ozean in verschiedenen Klimazonen mit der gleichen Geschwindigkeit erwärmen oder abkühlen – wir wissen es anders und sollten dieses Wissen nutzen. Die Implikationen für die Zukunft sind, dass sich die Kontinente der Erde weiterhin schneller erwärmen werden als die Ozeane, wenn die globale Erwärmung anhält, bis wir hoffentlich Netto-Null erreichen und dies zum Stillstand bringen.
Co-Autorin Masa Kageyama sagt, sie halte das Papier für wichtig, „weil es ein Merkmal berührt, das in Projektionen zum Klimawandel allgegenwärtig ist, die von komplexen Klimamodellen erstellt werden: Kontinente erwärmen sich stärker als Ozeane. In diesem Papier analysieren wir dieses Merkmal für einen Klimawandel , vom letzten Gletschermaximum bis heute, deren Amplitude in der gleichen Größenordnung liegt wie die erwartete Erwärmung in den nächsten Jahrhunderten.“
„Es ist bemerkenswert, dass tropische Temperaturrekonstruktionen, hochmoderne Klimamodelle und eine einfache Theorie, die sich auf die gekoppelten Änderungen von Feuchtigkeit und Wärme über Kontinenten und Ozeanen stützt, zusammenlaufen, um eine robuste Schätzung der terrestrischen Verstärkung zu liefern“, sagt Kageyama . „Aus meiner Sicht stärkt dies die Projektionen für den zukünftigen Klimawandel und bringt gleichzeitig ein neues Verständnis für vergangene Klimaänderungen.“
Mehr Informationen:
Alan M. Seltzer et al, Terrestrial amplification of past, present, and future climate change, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf8119