Die Antarktis beherbergt mit ihrem östlichen und westlichen Eisschild sowie ihrer Halbinsel genug Eis, um den globalen Meeresspiegel um etwa 60 m anzuheben.

Der westantarktische Eisschild (WAIS) ist ein relativ kleiner Teil, der eine Eismenge enthält, die einem Anstieg des Meeresspiegels um 3,3 m entspricht. Dennoch befindet sich der größte Teil davon in einer prekären Lage und gilt als „theoretisch instabil“.

Daher gilt die Frage, wie sich das WAIS als Reaktion auf die vom Menschen verursachte Erwärmung verändern wird, allgemein als die größte Unsicherheitsquelle für langfristige Meeresspiegelprognosen.

Der dringlichste Aspekt dieser Ungewissheit ist das Verständnis, ob die Schwellenwerte für die Instabilität des Eises überschritten wurden, ob der jetzt gemessene Rückgang weitergehen wird und ob das Eis, das sich heute nicht zu verändern scheint, auch in Zukunft so bleiben wird.

Die neueste Forschung besagt, dass der Schwellenwert für einen irreversiblen Verlust des WAIS wahrscheinlich zwischen 1,5C und 2C globaler Durchschnittserwärmung über dem vorindustriellen Niveau liegt. Da die Erwärmung bereits bei etwa 1,1C liegt und das Pariser Abkommen darauf abzielt, die Erwärmung auf 1,5C oder „deutlich unter 2C“ zu begrenzen, sind die Spielräume zur Vermeidung dieser Schwelle in der Tat gering.

Meereisschild

Nach dem jüngsten Sonderbericht über die Ozeane und die Kryosphäre (SROCC) des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) wird der Anstieg des globalen Meeresspiegels in diesem Jahrhundert vor allem von zwei Faktoren bestimmt: den künftigen, vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen und den Auswirkungen der Erwärmung auf das antarktische Eisschild. Der IPCC sagt:

„Nach 2050 nimmt die Unsicherheit in Bezug auf den klimawandelbedingten Anstieg des Meeresspiegels aufgrund von Unsicherheiten bei den Emissionsszenarien und den damit verbundenen Klimaänderungen sowie der Reaktion des antarktischen Eisschilds in einer wärmeren Welt erheblich zu.“

Die Sorge um die Anfälligkeit des WAIS liegt vor allem in der so genannten „marinen Eisschildinstabilität“ (MISI) – „marin“, weil die Basis des Eisschildes unter dem Meeresspiegel liegt, und „Instabilität“, weil der Rückzug, wenn er einmal begonnen hat, selbsttragend ist.

Eisschilde kann man sich als riesige Süßwasserreservoirs vorstellen. Der Schnee sammelt sich im kalten Inneren an, verdichtet sich langsam zu Gletschereis und beginnt dann, wie eine sehr dicke Flüssigkeit zurück in Richtung Ozean zu fließen.

An manchen Stellen erreicht das Eis die Küste und schwimmt auf der Meeresoberfläche und bildet ein Schelfeis. Die Grenze zwischen Eis, das auf der Landoberfläche ruht (oder dem Meeresboden im Falle eines marinen Eisschildes), wird „Grundlinie“ genannt. Die Grundlinie ist der Punkt, an dem das im Eisschild gespeicherte Wasser in den Ozean zurückkehrt. Und wenn es sich seewärts bewegt, sagen wir, dass der Eisschild eine positive „Massenbilanz“ hat – das heißt, er gewinnt mehr Eismasse hinzu, als er an das Meer zurück verliert.

Wenn sich aber die Grundlinie zurückzieht, ist die Bilanz negativ. Eine negative Eisschildbilanz bedeutet einen positiven Beitrag zum Ozean und damit zum globalen Meeresspiegel.

Instabilität

Dieses grundlegende Bild der Eisschild-Massenbilanz reicht aus, um zu verstehen, warum Glaziologen über MISI besorgt sind.

Veränderungen am Schelfeis auf der schwimmenden Seite der Grundlinie – wie etwa Ausdünnung – können dazu führen, dass sich das Eis auf der geerdeten Seite vom Meeresboden abhebt. Wenn dieses Eis schwimmt, zieht sich die Grundlinie zurück. Da das Eis schneller fließt, wenn es schwimmt, als wenn es am Boden liegt, erhöht sich die Fließgeschwindigkeit des Eises in der Nähe der Grundlinie. Die durch das schnellere Fließen verursachte Ausdehnung wird zu einer neuen Quelle der Ausdünnung in der Nähe der Erdungslinie.

Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Wenn das neu aufschwimmende Eis schneller fließt und dünner wird, kann es dazu führen, dass mehr Eis abhebt und aufschwimmt, wodurch die Grundlinie zurückgedrängt wird.

Außerdem haben die von MISI bedrohten Bereiche des Eisschildes einen umgekehrten oder „retrograden“ Gradienten, was bedeutet, dass das Eis weiter landeinwärts tiefer wird. Wenn sich die Grundlinie weiter in dickere Teile des Eisschilds zurückzieht, beschleunigt sich die Strömung, was den Eisverlust weiter erhöht. Der umgekehrte Gradient macht diesen Prozess als positive Rückkopplungsschleife selbsterhaltend – das macht MISI zu einer Instabilität.

Illustration der marinen Eisschildinstabilität (MISI). Die Ausdünnung des stützenden Schelfeises führt zu einer Beschleunigung der Eisschildströmung und zur Ausdünnung des marinen Eisrandes. Da der Untergrund unter dem Schelfeis zum Inneren des Schelfeises hin abfällt, führt die Ausdünnung des Eises zu einem Rückzug der Grundlinie, gefolgt von einer Zunahme des seewärtigen Eisflusses, einer weiteren Ausdünnung des Eisrandes und einem weiteren Rückzug der Grundlinie. Credit: IPCC SROCC (2019) Abb. CB8.1a

Es ist noch nicht klar, ob die MISI-Schwelle irgendwo in der Antarktis überschritten wurde. Wir wissen jedoch, dass sich die Grundgebirgslinien entlang der Küstenlinie der Amundsen-See zurückziehen – am spektakulärsten am Thwaites-Gletscher. Der Grund für den Rückzug scheint relativ warmes Ozeanwasser zu sein – etwa 2 °C wärmer als der historische Durchschnitt -, das auf die Grundlinie zuströmt und ein stärkeres Abschmelzen als üblich verursacht.

1,000 km

Antarktische

Halbinsel

Ronne-Schelfeis

Ostantarktis

Eisschild

Pine Island Gletscher

Südpol

Westantarktis

Eisschild

Transantarktisches Gebirge

Amudsen Meer

Thwaites-Gletscher

Ross-Schelfeis

Grafik: Carbon Brief. Credit: Quantarctica/Norwegian Polar Institute.

Wenn die Instabilität nicht begonnen hat und die Erwärmung des Ozeans aufhört, dann sollte die Grundlinie einen neuen Ausgleichspunkt an einer neuen Stelle finden. Aber wenn sie begonnen hat, dann wird der Rückzug weitergehen, egal was als nächstes passiert.

Schnellere Strömung

Selbst wenn die Schwelle überschritten wurde – oder selbst wenn sie in der Zukunft überschritten wird – kann der Rückzug unterschiedlich schnell voranschreiten, je nachdem wie stark wir „gedrückt“ haben, als er begann.

So funktioniert das. Die Instabilität hängt von einem Gleichgewicht der Kräfte innerhalb des Eisschildes ab. Die Schwerkraft bewirkt, dass das Eis mit einer Geschwindigkeit fließt, die zum Teil von seiner Dicke und seiner Oberflächenneigung abhängt.

Eine größere Schmelzrate auf der schwimmenden Seite und ein schnelleres Fließen über die Grundlinie führen dazu, dass sich die Eisoberfläche schneller absenkt als kleinere Raten. Das schnellere Abfließen führt zu einem steileren Oberflächengefälle und damit zu einem schnelleren Fließen und einem schnelleren Rückzug.

Eine im letzten Jahr veröffentlichte Modellstudie zu dieser Rückkopplung ergab, dass MISI, wenn es mit einem größeren Schub (einer höheren Schmelzrate) begann, schneller vorankam als wenn es mit einem kleineren Schub begann, selbst nachdem die zusätzliche Schmelze entfernt worden war.

Das bedeutet, dass, selbst wenn MISI ausgelöst wird, die Senkung der globalen Emissionen und die Verlangsamung der Erwärmung mehr Zeit geben, um sich auf die Folgen vorzubereiten.

Eisklippen

Es scheint eine zweite Quelle für die Instabilität von Meereisschilden zu geben – eine, die ins Spiel kommt, wenn die Eisschelfe ganz verloren gehen.

Einige der spektakulärsten Bilder des Gletscherwandels zeigen Eisberge, die von den stark zerklüfteten Fronten der Meeresgletscher kalben – also abbrechen.

Dieses Kalben wird sowohl durch das Schmelzen der Unterseite des Schelfeises als auch durch „Hydrofrakturierung“ – bei der Schmelzwasser, das sich an der Oberfläche des Schelfeises bildet, in das Eis eindringt und Risse verursacht – oder durch eine Kombination aus beidem verursacht.

Wie schnell das Kalben erfolgt, hängt von der Höhe der Eisklippenwand über der Wasserlinie ab – je höher die Klippe über dem Wasser steht, desto größer ist die Kalbungsrate.

Wie bei MISI bedeutet der abnehmende Gradient des Meeresbodens unter dem WAIS, dass die Eisklippe, wenn sie sich in dickeres Eis zurückzieht, eine immer höhere Klippe zum Ozean hin freilegt und die Kalbungsrate zunehmen muss.

Dieser unten dargestellte Prozess wird „marine Eisklippeninstabilität“ (MICI) genannt. Die Theorie besagt, dass, wenn die Höhe einer Gletscherwand etwa 100 m über der Meeresoberfläche überschreitet, die Klippe zu hoch ist, um ihr eigenes Gewicht zu tragen. Sie wird daher unweigerlich einstürzen und eine ähnlich hohe Felswand dahinter freilegen, die ebenfalls einstürzen wird. Und so weiter.

Das SROCC des IPCC sagt, dass „der Thwaites-Gletscher besonders wichtig ist, weil er sich in das Innere des WAIS erstreckt, wo der Boden stellenweise >2000m unter dem Meeresspiegel liegt“. (Obwohl das SROCC auch darauf hinweist, dass MISI eine rückläufige Neigung des Gletscherbettes voraussetzt, könnte MICI auch auf einem flachen oder seewärts geneigten Gletscherbett stattfinden.)

Dieser kürzlich identifizierte Prozess ist noch nicht so gut erforscht wie MISI, aber das wird sich in den kommenden Jahren sicher ändern, da Wissenschaftler weiterhin schnell wechselnde Systeme wie den Thwaites Glacier beobachten.

Illustration der Instabilität von Meereisklippen. Wenn die Klippe hoch genug ist (mindestens ~800 m Gesamteisdicke oder etwa 100 m Eis über der Wasserlinie), übersteigen die Spannungen an der Klippenwand die Festigkeit des Eises, und die Klippe versagt bei wiederholtem Kalben strukturell. Credit: IPCC SROCC (2019) Fig CB8.1b

Eine Nature-Studie aus dem Jahr 2016 über MICI kam zu dem Schluss, dass die Antarktis „das Potenzial hat, bis zum Jahr 2100 mehr als einen Meter und bis zum Jahr 2500 mehr als 15 Meter zum Anstieg des Meeresspiegels beizutragen“. Neuere Forschungen kamen zu dem Schluss, dass dies wahrscheinlich eine Überschätzung ist, stellten aber fest, dass es noch nicht klar ist, welche Rolle MICI in diesem Jahrhundert spielen könnte. Eine andere Studie deutet darauf hin, dass der schnelle Eisverlust durch MICI durch einen langsameren Verlust der Schelfeise, die die Gletscher zurückhalten, gemildert werden könnte.

Schwelle nah

Ende letzten Jahres hat ein großes Team von Modellierern verschiedene Studien über die Reaktion der Eisschilde auf das Pariser Klimaziel bewertet, die durchschnittliche globale Erwärmung „deutlich unter“ 2°C zu halten.

Die Modelle weisen alle in dieselbe Richtung. Nämlich, dass die Schwelle für einen irreversiblen Eisverlust sowohl im grönländischen Eisschild als auch im WAIS irgendwo zwischen 1,5C und 2C durchschnittlicher globaler Erwärmung liegt. Und wir befinden uns bereits jetzt bei etwas mehr als 1°C Erwärmung.

Dieses 1,5-2°C-Fenster ist der Schlüssel für das „Überleben der antarktischen Schelfeisschilde“, so das Übersichtspapier, und damit für ihre „stützende“ Wirkung auf die Gletscher, die sie zurückhalten.

Glossar

RCP2.6: Die RCPs (Representative Concentration Pathways) sind Szenarien für zukünftige Konzentrationen von Treibhausgasen und anderen Treibhausgasen. RCP2.6 (manchmal auch als „RCP3-PD“ bezeichnet) ist ein „Peak and decline“-Szenario, bei dem strenge Abhilfemaßnahmen… Weiterlesen

Eine weitere Schwelle könnte zwischen 2C und 2,7C liegen, fügten die Autoren hinzu. Das Erreichen dieses Niveaus des globalen Temperaturanstiegs könnte die „Aktivierung mehrerer größerer Systeme, wie das Ross- und das Ronne-Filchner-Einzugsgebiet, und das Einsetzen viel größerer SLR-Beiträge“ auslösen.

Das Ross- und das Ronne-Filchner-Eis sind die beiden größten Schelfeisgebiete der Antarktis. Diese könnten sich laut einer anderen Studie „innerhalb von 100-300 Jahren“ erheblich verringern, wenn die globalen Emissionen das RCP2.6-Szenario überschreiten. Dieser Emissionspfad wird im Allgemeinen als vereinbar mit der Begrenzung der Erwärmung auf 2°C angesehen.

Diese Ergebnisse bedeuten, dass die Verhinderung eines erheblichen Eisverlustes in der Antarktis von der Begrenzung der globalen Emissionen auf – oder unter – RCP2.6 abhängt. Das Papier kommt zu dem Schluss: „Das Überschreiten dieser Schwellenwerte bedeutet, dass man sich auf große Eisschildveränderungen und SLR einlässt, die erst in Tausenden von Jahren voll zum Tragen kommen und auf längeren Zeitskalen irreversibel sein können.“