Ursachen des aktuellen Meeresspiegelanstiegs

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.

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.

Sterischer Meeresspiegelanstieg

Thermosterischer Meeresspiegelanstieg

Abb. 2: Sterischer Meeresspiegelanstieg 1993-2017 nach verschiedenen Datensätzen aus Beobachtungen und Modellrechnungen

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. 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%. 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.

Die Erwärmung des Ozeans zeigt seit den 1950er Jahren einen deutlichen Trend, der im Wesentlichen 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. Außerdem ist die Erwärmung regional verschieden über die Ozeane verteilt. So hat die Hälfte der Erwärmung von 1955 bis 2003 im Atlantischen Ozean stattgefunden, während für das Jahrzehnt 1993-2003 der Pazifik den größten Anteil hatte. Der Atlantik zeigt außerdem aufgrund seiner ausgeprägten Tiefenkonvektion Erwärmungen bis in 1000 m Tiefe, während die Temperaturzunahme der anderen Ozeane auf die oberen 100 m beschränkt blieb.

Eustatischer Meeresspiegelanstieg

Abb. 3: Meeresspiegelanstieg durch das Schmelzen von Gletschern und Eiskappen 1961-2003

Gletscher und Eiskappen

• Hauptartikel Gletscher im Klimawandel

Der Beitrag von Gletschern und Eiskappen am Meeresspiegelanstieg lag zwischen den Jahren 1961 und 2003 bei 0,5 cm pro Jahrzehnt und hat sich im Jahrzehnt 1994-2003 auf 0,93 cm erhöht und damit nahezu verdoppelt. In den anschließenden Jahren 2003-2008 hat er noch einmal auf 1,1 mm/Jahr zugenommen. Er war damit in den letzten 50 Jahren etwa so groß wie der durch die thermische Ausdehnung des Meerwassers und in den letzten Jahren sogar dreimal so groß. Den größten Anteil leisteten mit 0,15 cm pro Jahrzehnt die Gletscher in Alaska, gefolgt von den Gletschern und Eiskappen auf den arktischen Inseln. Das Kalben von Eisbergen, das 10 bis 40% des Massenverlustes ausmachen kann, ist dabei nicht berücksichtigt. In diese Rechnung sind auch die Gletscher im Randbereich der großen Eisschilde mit einbezogen.

Eisschilde: Grönland und Antarktis

• Hauptartikel Eisschilde

Ist der IPCC-Bericht von 2001 noch davon ausgegangen, dass die Eismasse der Antarktis durch mehr Schneefall zunimmt und der Meeresspiegel dadurch geringfügig sinkt und dass der Beitrag Grönlands verschwindend gering sei, so werden in den letzten Jahren für beide Eisschilde deutlich positive Beiträge diskutiert. Im Mittel zeigt die aktuelle Literatur einen Meeresspiegelanstieg von 0,35 cm pro Jahrzehnt durch Grönland und die Antarktis über die letzten Jahrzehnte, d.h. ungefähr ein Zehntel des Gesamtanstiegs. Wie im Abschnitt über den Grönländischen Eisschild dargestellt, zeigen neuere Untersuchungen einen zunehmenden Beitrag Grönlands zum Meeresspiegelanstieg, der von 0,23 cm pro Jahrzehnt Mitte der 1990er Jahre auf 0,57 cm pro Jahrzehnt zehn Jahre später zugenommen hat. Zwei Drittel davon sollen auf das Konto der Eisdynamik gehen, die bisher unterschätzt wurde und von Klimamodellen nicht abgebildet wird. Schwerefeldmessungen durch Satelliten im Rahmen des GRACE-Projekts schätzen den Beitrag Grönlands zum Meeresspiegelanstieg für die Jahre 2003-2008 mit 0,38 mm/Jahr allerdings wieder etwas geringer ein. Satellitendaten für den Zeitraum 2005-2011 zeigen sogar eine Rate von 0,68 mm/Jahr.

Inwieweit die Antarktis zu einem Anstieg oder zu einem Absinken des globalen Meeresspiegels beiträgt, war lange Zeit umstritten. Eisdynamik und Schmelzprozesse in der kleineren Westantarktis wurden schon immer als positiver Beitrag am Meeresspiegelanstieg der letzten Jahrzehnte gesehen. Weniger eindeutig wurde die Frage beantwortet, inwieweit dieser Wert durch eine Zunahme der Eismasse der größeren Ostantarktis ausgeglichen oder übertroffen wird. Höhenmessungen durch Satelliten haben ergeben, dass durch zunehmenden Schneefall der Eismassenzuwachs der Ostantarktis zu einer Absenkung des Meeresspiegels geführt hat. Eine Untersuchung des Antarktischen Schneefalls seit den 1950er Jahren kam allerdings zu dem Ergebnis, dass sich dieser trotz höherer Temperaturen im Winter nicht signifikant geändert hat. Dazu würden Schwerefeldmessungen von Satelliten in den Jahren 2002-2005 passen, die für die gesamte Antarktis einen Massenverlust von 152 km³ pro Jahr ergeben haben, was einem Anstieg des Meeresspiegels um 0,4 mm jährlich entsprechen würde. Eine Messung des Schwerefelds durch das GRACE-Projekt kommt zu dem Ergebnis, dass die Antarktis 0,56 mm/Jahr zum Meeresspiegel beigetragen hat, was einem Massenverlust von 198 Gigatonnen/Jahr entspricht. Ein ähnliches Ergebnis zeigt auch eine Satellitendaten-Auswertung für 2005-2011.

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. Auch der abgeschwächte Meeresspiegelanstieg wird auf eine La-Niña-Phase zurückgeführt, die ab 2020 über einige Jahre anhielt.

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.

Abb. 4: Meeresspiegelanstieg 1993-2010 nach Verursachern

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). 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. 5). 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. 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. Dieser Trend setzt sich nach dem Bericht des IPCC zum Ozean und zur Kryosphäre von 2019 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 Meeresspiegelsanstiegs

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 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. 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. 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.

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.

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Kontakt: Dieter Kasang