Kippelemente im Erdklimasystem

Begriff, Risiko und Forschungsstand

Kippelemente im Erdklimasystem sind großskalige Teile des Erdsystems, die durch die globale Erwärmung einen Kipppunkt (englisch Tipping Point) überschreiten können. Danach können bereits kleine Störungen eine abrupte oder allmähliche Veränderung auslösen. Selbstverstärkende Rückkopplungen erhalten die Veränderung möglicherweise, auch wenn das Hintergrundklima später wieder unter den Schwellenwert fällt. Das ist bedeutsam, weil solche Veränderungen zusätzlich erwärmen, den Meeresspiegel erhöhen oder regionale Klimamuster stark verändern können.

Die genauen Schwellenwerte sind bei vielen Elementen unsicher. Mit fortschreitender Erwärmung steigen jedoch Wahrscheinlichkeit und Folgen abrupter, irreversibler Änderungen. Bereits oberhalb des 1,5-Grad-Ziels besteht ein hohes Risiko. Das Auslösen eines Elements kann weitere Subsysteme beeinflussen und Kaskaden verursachen. Hypothesen zu Kaskaden bei mehr als 2 °C in diesem und dem nächsten Jahrhundert benötigen aber weitere Belege und gelten derzeit als unwahrscheinlich.

Hans Joachim Schellnhuber brachte das Konzept um 2000 in die Klimaforschung ein. Der IPCC wies 2001 auf zuvor vernachlässigte diskontinuierliche, irreversible und extreme Ereignisse hin. Während der IPCC damals Kipppunkte erst bei mehr als 5 °C für wahrscheinlich hielt, nannten seine Sonderberichte von 2018 und 2019 bereits 1 bis 2 °C. Forschende betonen weiterhin große Unsicherheiten darüber, welche Kipppunkte wann erreicht werden und welche Folgen sie haben.

Mögliche Kippelemente

Die Arbeitsgruppe um Schellnhuber benannte 2008 neun potenzielle Elemente: sommerliches arktisches Meereis, Grönländischer und Westantarktischer Eisschild, atlantische thermohaline Zirkulation mit Nordatlantikstrom, El Niño-Southern Oscillation (ENSO), indischer Sommermonsun, westafrikanisches Monsunsystem, tropischer Regenwald und boreale Wälder. Nach Einschätzung befragter Experten waren arktisches Meereis und der Grönländische Eisschild damals die größten Bedrohungen.

Später kamen weitere mögliche Elemente hinzu: Teile des ostantarktischen Eisschilds am Wilkes-Becken, tibetische Gletscher, Methanhydrate, tauende Permafrostböden, das Austrocknen des nordamerikanischen Südwestens, eine schwächere marine Kohlenstoffpumpe, Korallenriffe, Jetstream und Monsune, die Netto-Produktivität der Biosphäre, niedrige Stratocumuluswolken bei etwa 1200 ppm CO₂ sowie die Grundzone des antarktischen Eisschilds. Für Warmwasserkorallen wurde 2025 mit 99-prozentiger Sicherheit ein Überschreiten ihres Kipppunkts in den nächsten 10 Jahren festgestellt; ihr Schwellenwert liegt bei bereits überschrittenen 1,2 °C globaler Erwärmung.

Eis, Meeresspiegel und Ozeanzirkulation

In der Arktis stieg die Lufttemperatur seit den 1970er Jahren wegen polarer Verstärkung um 2 °C, also etwa dreimal so stark wie im globalen Durchschnitt. Die sommerliche Meereisbedeckung ging durchschnittlich um 40 % zurück. Offenes, dunkleres Wasser nimmt mehr Sonnenenergie auf als Eis. Diese Eis-Albedo-Rückkopplung verstärkt das Schmelzen und erschwert die Eisbildung im Winter. Ob bereits ein Kipppunkt überschritten wurde, ist umstritten: Lindsay und Zhang datierten ihn auf Ende der 1980er/Anfang der 1990er Jahre, Holland et al. frühestens auf 2015; Livina und Lenton sahen 2007 eine abrupte, anhaltende Änderung. Der Kipppunkt gilt als reversibel.

Für ein vollständiges Abschmelzen des Grönländischen Eisschilds wird ein Kipppunkt von 0,8 bis 3 °C globaler Erwärmung angenommen, beste Schätzung 1,5 °C. Wird der bis zu überwiegend 3.000 Meter mächtige Eisschild dünner, liegt seine Oberfläche tiefer und wird wärmer: Die Lufttemperatur sinkt mit der Höhe um etwa 6–7 °C je 1000 m. Das beschleunigt die Schmelze selbst. Über Jahrtausende könnte sie den Meeresspiegel um etwa 7 Meter erhöhen. Studien zur Eem-Warmzeit liefern kein einheitliches Bild: Teilweise werden bis zu 15 Meter höherer Meeresspiegel und 4,2 bis 5,9 Meter Beitrag Grönlands genannt; überwiegend wird maximal 9 Meter über heutigem Niveau und ein grönländischer Beitrag von etwa 1,5 bis 2,5 Metern angenommen. Eine Studie von 2025 folgert, dass Eisschilde bei 1,5 °C nicht bestehen können und dauerhaft auch 1,2 °C zu hoch seien.

Beim Westantarktischen Eisschild schmilzt warmes Meerwasser Gletscher von unten. Besonders Pine-Island- und Thwaites-Gletscher ziehen sich zurück. Für den Thwaites-Gletscher ist der Kipppunkt für vollständiges Abschmelzen wahrscheinlich bereits erreicht; dies würde sich über 200 bis 900 Jahre vollziehen und den Meeresspiegel um 3 m anheben. Höherer Wasserspiegel verringert die Stabilität weiter.

Mehr Süßwasser aus schmelzendem Eis kann die atlantische thermohaline Zirkulation verlangsamen. Ein Kollaps gilt als zeitlich ferner, eine Verlangsamung als robust vorhergesagt. Sie hängt auch von der Geschwindigkeit des Klimawandels ab. Modelle, die den Salzgehalt im Südatlantik korrekt darstellen, rechnen bis 2100 mit etwa 65 % Rückgang; die Zusammenbruchswahrscheinlichkeit wird nun über 50 % gesehen. Stefan Rahmstorf befürchtet den Kipppunkt um 2050.

Atmosphäre, Permafrost und Biosphäre

Für ENSO, das El-Niño-Southern-Oscillation-System im tropischen Pazifik, gibt es unterschiedliche Theorien. Erwartet werden entweder häufigere beziehungsweise stärkere El-Niño-Ereignisse oder anhaltende La-Niña-Verhältnisse. Lenton et al. bewerten eine Zunahme der El-Niño-Intensität als wahrscheinlich, die Häufigkeit und ein Kipppunkt bleiben unsicher. Auch graduelle Änderungen hätten erhebliche Folgen, etwa Dürren in Australien und Südostasien sowie mehr Niederschlag an Amerikas Westküsten.

Beim Auftauen von Permafrost zersetzen Mikroorganismen Fossilreste und setzen CO₂ und Methan frei. Diese Treibhausgase verstärken die Erwärmung und damit weiteres Tauen: Diese selbstverstärkende Permafrost-Kohlenstoff-Rückkopplung wird in Modellen über mehrere hundert Jahre erwartet. Abruptes Auftauen, etwa an Thermokarst-Seen, ist darin teils nicht berücksichtigt. In der kanadischen Arktis tauten einige Böden 2019 deutlich schneller als vorhergesagt.

Ozeane nehmen ungefähr 25 % und Biosphäre sowie Böden weitere ungefähr 25 % des menschengemachten CO₂ auf. Hitzewellen und Dürren senken jedoch die Photosynthese; Pflanzen sterben ab, bei ihrer Zersetzung wird zusätzlich CO₂ frei, und geringere Transpiration schwächt die Kühlung. Indizien zeigten 2023, dass Böden und Landmassen erstmals bedeutend weniger Kohlenstoff banden. Eine Studie von 2025 deutet an, dass die Senkenfunktion der Biosphäre seit ihrem Höhepunkt 2008 jährlich um etwa 0,25 % sinkt. Die jährliche CO₂-Zunahme beträgt 2025 2,5 ppm statt 1,9 ppm bei erhaltener Senkenfunktion seit den 1960er Jahren.

Schon geringe zusätzliche Erwärmung des Meeres kann an der antarktischen Eisschild-Grundzone große Schmelze auslösen. Neue Hohlräume lassen noch mehr warmes Wasser eindringen, vergrößern die Grundzone und erhöhen Temperatur sowie Fließgeschwindigkeit. Dieser Mechanismus könnte erhöhte Schmelzraten in Grönland und der Antarktis erklären.

Wechselwirkungen und Kaskaden

Kippelemente können einander beeinflussen: Sie erhöhen, verringern oder – bei unbekannter Nettowirkung – in beide Richtungen die Wahrscheinlichkeit weiterer Kipppunkte. Dadurch sind Dominoeffekte und gegenseitige Verstärkung möglich. Dies spricht in einer ökonomischen Kosten-Nutzen-Betrachtung für eine Stabilisierung unter 1,5 °C.

Als grobe Gruppen werden genannt: Bei 1 bis 3 °C Grönland, sommerliches arktisches Meereis, alpine Gletscher, Westantarktis und fast alle Korallenriffe; bei 3 bis 5 °C unter anderem boreale Wälder, ENSO, atlantische Zirkulation, tropischer Regenwald und indischer Monsun; ab 5 °C Ostantarktis, winterliches arktisches Meereis, mehrere Dutzend Meter Meeresspiegelanstieg und großflächiges Permafrosttauen. Zwischen 1,5 und 2,0 °C könnten Kaskaden über Hunderte oder Tausende Jahre ablaufen; bei stärkerer Erwärmung könnten sie schneller sein und etwa die atlantische Zirkulation oder den Amazonas einbeziehen.

Klimamodelle bilden abrupte, nichtlineare Zustandswechsel häufig noch unzureichend ab. Kleinräumige, oft nicht modellierte Kippelemente könnten großskalige auslösen.

Belege aus Erdgeschichte und Beobachtung

Empirische Befunde stützen die Existenz von Kipppunkten. Größere Ökosysteme können nach Auslösung eines Kollapsmodus schneller kollabieren als angenommen: der Amazonas-Regenwald möglicherweise innerhalb von etwa 50 Jahren zur Savanne, karibische Korallenriffe innerhalb von etwa 15 Jahren. Für Amazonien wurde dieser Modus nach einer Studie bereits 2021 erreicht. Der Kipppunkt wird bei 20–25 % zerstörter Regenwaldfläche angesetzt; genannt werden 20 % tatsächliche Entwaldung und weitere 6 % erhebliche Degradation in West-, Süd- und Ostamazonien. Intakter Regenwald erzeugt etwa die Hälfte seiner Niederschläge selbst.

Eine Übersichtsarbeit von 2021 beschreibt kaskadenartige abrupte Veränderungen der vergangenen 30.000 Jahre. Geologische Aufzeichnungen des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximums vor etwa 56 Millionen Jahren deuten auf Kipppunkte hin, die zusätzliche Kohlenstoffspeicher freisetzen und das Klima in einen heißeren Zustand versetzen könnten. Deshalb fordern Forschende eine koordinierte globale Überwachung von Kipppunkten.