Atlantikströmung AMOC: Das Tempo der Erwärmung zählt, nicht nur die Gradzahl

Die Atlantische Umwälzzirkulation, kurz AMOC, ist eine riesige Strömung im Atlantik. Sie ist dafür verantwortlich, dass das Klima im Norden Europas vergleichsweise mild ausfällt. Ohne diese Umverteilung von Wärme wäre das Klima in Europa deutlich kühler. Weil die AMOC Wärme auf globaler Ebene verteilt, reichen ihre Wirkungen über Europa hinaus.

Fachleute beschreiben die AMOC als entscheidend für den meridionalen Wärmetransport im Klimasystem der Erde, also für die Verlagerung von Wärme zwischen den Breitengraden. Zugleich gilt die Strömung als ein Kippelement des Klimasystems. Darunter verstehen Forschende einen Bestandteil des Systems, der beim Überschreiten einer kritischen Grenze in einen anderen Zustand übergehen kann. Als Kippelement steht die AMOC zudem in komplizierter Wechselwirkung mit anderen Kippelementen des Klimas. In den vergangenen Jahren wurde eine Abschwächung der Zirkulation beobachtet. Einschätzungen des Weltklimarats IPCC halten einen vollständigen Kollaps innerhalb dieses Jahrhunderts dennoch für unwahrscheinlich.

Wie nah ein solcher Kipppunkt liegt, wird meist an der globalen Erwärmung festgemacht. Für die AMOC wird die Schwelle für einen Kollaps bislang bei einer Erwärmung von etwa +4,0 Grad Celsius angesetzt, mit einem großen Unsicherheitsbereich von 1,4 bis 8,0 Grad. Gerade die untere Grenze solcher Schätzungen gilt als wichtig, um für die Gesellschaft sichere Handlungsspielräume abzustecken. Genau diese feste Grenze steht jedoch in der Diskussion: Ein neuerer Befund argumentiert, dass eine solche Schwelle womöglich gar nicht aussagekräftig ist, weil die Stabilität der AMOC vom Tempo der Erwärmung abhängt und nicht allein von einem bestimmten Temperaturwert. In einer Modellsimulation blieb die Strömung bei einer langsamen Erwärmung bis etwa +5,5 Grad stabil. Bei einem schnelleren Anstieg dagegen brach sie schon bei deutlich niedrigeren rund +2 Grad zusammen. Damit rückt weniger eine einzelne Temperaturzahl in den Mittelpunkt als vielmehr die Frage, wie schnell sich das Klima verändert.

Die Atlantische Umwälzzirkulation (AMOC) transportiert Wärme und Salz durch den globalen Ozean und prägt damit das Klima großer Teile der Welt. Besonders empfindlich reagiert sie auf den Zufluss von Süßwasser. Zugleich zählt sie zu den Kippelementen des Klimasystems. Als Kippelement kann sie unter einem langsam wachsenden Antrieb eine vergleichsweise rasche Veränderung durchlaufen – aus einer schleichenden Entwicklung kann so ein verhältnismäßig plötzlicher Umschwung werden.

Lange galt dabei die einfache Annahme, die Zirkulation verliere ihre Stabilität, sobald die globale Erwärmung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Neuere Erkenntnisse stellen diese Faustregel jedoch infrage, denn die Stabilität der AMOC hängt von der Geschwindigkeit des Strahlungsantriebs ab, nicht von einer festen Temperatur. Dieses geschwindigkeitsabhängige Kippen bezeichnen Forschende als „rate-induced tipping“.

Dahinter steckt ein anschaulicher Gedanke. Solche Kipp-Vorgänge treten typischerweise dann auf, wenn sich der Antrieb schneller ändert, als das System in sein Gleichgewicht zurückfinden kann. Man kann es sich wie einen Wanderer vorstellen, der einem langsam wegrollenden Ball folgen will: Rollt der Ball gemächlich, bleibt der Wanderer mühelos an seiner Seite; beschleunigt der Ball jedoch zu stark, reißt der Kontakt ab, und zwar unabhängig davon, wie weit der Ball am Ende überhaupt gerollt ist. Für die AMOC bedeutet das Folgendes. Steigt der Antrieb zu schnell, folgt die Zirkulation ihrem aktuellen stabilen Zustand nicht mehr und verliert gewissermaßen den Anschluss.

Das Besondere daran ist, dass ein solches Kippen ausgelöst werden kann, ohne dass überhaupt ein kritischer Antriebswert überschritten wird. Modellstudien zeigen das sehr konkret, denn ein ausreichend schneller Antrieb kann die Zirkulation zum Kollaps bringen. Damit verschiebt sich der Blick auf die Risiken, denn nicht allein die Höhe der Erwärmung, sondern auch ihr Tempo kann darüber entscheiden, ob die Zirkulation ihren stabilen Zustand hält.

Wie lässt sich am Computer herausfinden, was die atlantische Umwälzströmung aus dem Gleichgewicht bringt? Das Forschungsteam setzte dafür nicht auf eine einzelne Prognose, sondern verglich mehrere Simulationsläufe mit unterschiedlichem Tempo. Die Idee dahinter ist einfach: Man verändert immer nur eine einzige Stellschraube und schaut, wie das System darauf antwortet. Es führte drei verschiedene CO2-Rampen-Simulationen durch und beobachtete, wie die Strömung jeweils reagierte.

Der Aufbau war in allen drei Läufen gleich: Die CO2-Konzentration wurde vom vorindustriellen Ausgangswert bis auf etwa das Vierfache gesteigert. Anders als sonst üblich wählten die Forschenden dabei bewusst einen linearen Anstieg statt eines exponentiellen Wachstums — die Kurve klettert also gleichmäßig und nicht immer steiler. So lassen sich extrem hohe CO2-Werte und sehr große Wachstumsraten in den langen Simulationen vermeiden. Der einzige Unterschied zwischen den Läufen lag in der Geschwindigkeit: Im langsamen Szenario nahm das CO2 um +0,5 ppm pro Jahr zu, im mittleren um +2,5 ppm und im schnellen um +5,0 ppm pro Jahr. Variiert wurde allein die Geschwindigkeit des CO2-Anstiegs. Zur Einordnung: Die heute an der Mauna-Loa-Station gemessene Anstiegsrate liegt bei +2,6 ppm pro Jahr — die reale Welt bewegt sich damit etwa im Tempo des mittleren Laufs.

Zwischen den drei Läufen zeigte sich beim Verhalten der Strömung ein deutlicher Unterschied. In den beiden schnelleren Läufen kippte die Strömung bereits bei rund zwei Grad globaler Erwärmung. Im langsamen Lauf dagegen blieb sie stabil, selbst als die mittlere Erwärmung +5,5 Grad erreichte. Der Grund dafür ist anschaulich: Bei gemächlichem Antrieb kann das Klimasystem dem sich verschiebenden Gleichgewicht folgen und sich Schritt für Schritt anpassen. Entscheidend für das Kippen ist demnach wesentlich der Pfad des Antriebs — und damit sein Tempo, nicht allein die erreichte Temperatur.

Für das Risiko eines Zusammenbruchs der atlantischen Umwälzströmung galt bislang vor allem die erreichte Temperatur als Maßstab; Schätzungen nennen eine Schwelle von etwa +4,0 Grad globaler Erwärmung. Eine neue Modellstudie stellt diese Sichtweise infrage: Ob die Strömung kippt, hängt demnach vom Tempo der Erwärmung ab, nicht von einem bestimmten Temperaturwert. Dieselbe Erwärmung kann damit zu zwei völlig verschiedenen Ausgängen führen.

Den Kern bildet ein Vergleich von Modellsimulationen mit unterschiedlich schnell steigendem Kohlendioxid. Die langsame Variante erhöht das CO2 nur um +0,5 ppm pro Jahr, die schnellen um +2,5 beziehungsweise +5,0 ppm pro Jahr. Steigt das Treibhausgas nur langsam an, bleibt die Strömung bis zu einer globalen Erwärmung von +5,5 Grad stabil. Bei schnelleren Anstiegen hingegen bricht sie schon bei deutlich niedrigeren Werten von etwa +2 Grad zusammen. In den gängigen Klimaszenarien RCP4.5 und RCP8.5 setzt der Kollaps bei globalen Temperaturanomalien von +2,19 beziehungsweise +2,78 Grad ein. Der Befund zeigt, dass das Kippen allein von der Geschwindigkeit des Antriebs abhängen kann. Bei schneller Erwärmung gelingt es den Entwicklungspfaden nicht mehr, einem stabilen Gleichgewicht zu folgen.

Warum die langsame Erwärmung schützt, führen die Forschenden auf einen stabilisierenden Mechanismus zurück. Bei langsamem Antrieb können sich die Oberfläche und das Innere des Ozeans zusammenhängend anpassen; getragen wird dieser Ausgleich von verstärkter Verdunstung und einer geringeren Ausdehnung des Meereises, die den destabilisierenden Rückkopplungen entgegenwirken. Das geringere Meereis senkt zugleich den Süßwassereintrag durch schmelzendes Eis in den hohen Breiten. Insgesamt werde ein Zusammenbruch dadurch vom Verlauf des Antriebs und besonders von dessen Geschwindigkeit bestimmt. Eine ähnliche stabilisierende Reaktion findet sich in mehreren CMIP6-Modellen. Für die Einordnung bedeutet das: Eine einzelne Grad-Angabe als Kipp-Punkt greift zu kurz, solange das Tempo der Erwärmung über den Übergang mitentscheidet. Die Autoren folgern, dass eine Begrenzung der Geschwindigkeit des Strahlungsantriebs entscheidend ist, um das nahe Risiko eines Kollapses zu senken.

Keine wissenschaftliche Studie liefert ihre Erkenntnisse ohne Vorbehalt, und auch die hier besprochene Arbeit benennt ihre eigenen Grenzen. Zwei davon wiegen besonders schwer: Sie beruht auf einem einzigen Klimamodell, und sie arbeitet mit einem Antrieb, der die Wirklichkeit stark vereinfacht. Wer die Aussagekraft der Ergebnisse einordnen will, sollte beides kennen. Solche Grenzen sind in der Klimaforschung nichts Ungewöhnliches, doch sie entscheiden darüber, wie weit sich ein einzelnes Ergebnis verallgemeinern lässt.

Zunächst zur Datenbasis. Die Analyse beruht auf einem einzelnen Klimamodell, dem Community Earth System Model in der Version 1.0.5. Ein solches Erdsystemmodell ist eine umfangreiche Computersimulation, die Ozean, Atmosphäre und Meereis miteinander verknüpft. So leistungsfähig es ist, bleibt es doch nur eine von mehreren möglichen Darstellungen des Klimasystems. Weil die Befunde auf nur einem Erdsystemmodell beruhen, könnten sie modellabhängig sein und mit einer anderen Simulation anders ausfallen. Mit einem anderen Modell ließe sich derselbe Vorgang also möglicherweise etwas anders berechnen - ein Grund, die Aussage nicht als endgültiges Urteil zu lesen.

Hinzu kommt die Art, wie der Kollaps erzwungen wurde. Um die Umwälzung im Modell überhaupt zum Erliegen zu bringen, mussten die Forschenden einen stark idealisierten Süßwasserzufluss in den Nordatlantik ansetzen, der rund achtzigmal so groß war wie die heutige Schmelzrate des grönländischen Eisschilds.

Dass ein so starker Antrieb nötig ist, liegt an einer Eigenheit solcher Modelle: Erdsystemmodelle neigen dazu, die AMOC zu stabil abzubilden. Gerade wegen dieser Verzerrung braucht es einen großen Süßwasserzufluss in den Nordatlantik, um die Umwälzung überhaupt abzuschwächen.

Diese Einschränkungen entwerten die Ergebnisse nicht. Sie mahnen jedoch zur Vorsicht, wenn man von einem einzelnen, idealisierten Modellexperiment auf das tatsächliche Risiko eines Kollapses schließen will.

Wie lässt sich das Risiko eines AMOC-Kipppunkts überhaupt beziffern? Lange diente eine bestimmte globale Erwärmung als entscheidende Messlatte: Ab einem gewissen Temperaturanstieg über dem vorindustriellen Niveau gerät die Zirkulation demnach in Gefahr. Genau hier setzt der hier besprochene Befund an. Er stellt die Eignung globaler Erwärmungsschwellen für die Bewertung des AMOC-Kipprisikos in Frage.

Wie hoch eine solche Schwelle liegen könnte, hat eine andere, physikbasierte Arbeit untersucht — nicht das hier besprochene Paper. Sie kommt auf eine kritische Temperaturschwelle von +3 Grad, mit einem Bereich von +2,2 bis +3,9 Grad Erwärmung. Einen anderen Zugang wählte die Ditlevsen-Studie, die mit einem Zeitfenster argumentierte. Sie datierte einen möglichen Kollaps auf den Zeitraum zwischen 2025 und 2095, mit einem zentralen Wert von 2057. Diese Zahlen sind allerdings nicht in Stein gemeißelt: Nachdem die Autoren einen Fehler in ihrem Code korrigiert hatten, verschob sich ihre geschätzte Kipp-Zeit um acht Jahre. Das zeigt, wie sehr solche Datumsangaben von den zugrunde liegenden Annahmen und Rechenschritten abhängen.

Was folgt aus diesem Nebeneinander von Grad- und Zeitangaben? Die Autoren des hier besprochenen Befunds ziehen daraus einen methodischen Vorschlag: Sie schlagen vor, die Erwärmungsschwelle für das AMOC-Kippen in eine Erwärmungsraten-Schwelle umzurechnen. Nicht mehr allein das Wie-viel der Erwärmung geriete damit in den Blick, sondern auch das Wie-schnell — also das Tempo, mit dem sich das Klima verändert.