Ozeane und Kryosphäre im Klimawandel

Ziel von Topic 2 ist es, das Verständnis vergangener, gegenwärtiger und künftiger Veränderungen des Klimasystems zu verbessern und die Auswirkungen auf die Ozeane und die Kryosphäre zu erfassen. Es wird Wissen zur Erwärmung des Klimas, seiner Variabilität und Extreme sowie zur Veränderung des Meeresspiegels zum Nutzen der Gesellschaft bereitgestellt.

Die atmosphärischen Kohlendioxid- und Methankonzentrationen erreichen derzeit die höchsten Werte seit den letzten 800.000 Jahren, vor allem aufgrund des anthropogenen Einflusses. Dieser Anstieg wirkt sich stark auf die Ozeane und die Kryosphäre aus. Wir fokussieren uns auf die natürlich- und anthropogen verursachte Variabilität und Rückkopplungen im Erdsystem und erfassen diese durch Beobachtungen, Datenanalysen und eine umfassende Modellierung. Gleichzeitig ist die Rekonstruktion der Vergangenheit ein wichtiger Bestandteil, um aktuelle Veränderungen in eine langfristige Perspektive zu stellen.

Ein Überblick von Topicsprecher Gerrit Lohmann

Struktur

Erwärmung des Klimas

Ein wesentliches Ziel von Subtopic 2.1 besteht darin, ein besseres Verständnis der Ursachen und Folgen der globalen und regionalen anthropogenen Erwärmung des 20. und frühen 21. Jahrhunderts zu gewinnen und gleichzeitig das Zusammenspiel zwischen anthropogener Erwärmung und natürlicher Variabilität des Klimasystems in Hinblick auf die Auswirkungen auf die Ozeane und die Kryosphäre zu erfassen. Diese Erkenntnisse werde verbesserte Vorhersagen des Klimawandels, insbesondere in den Polarregionen, ermöglichen.
Die gezielte Erforschung von Einflussfaktoren vergangener Klimaerwärmungen ermöglicht es, die Sensitivität des Erdsystems unter unterschiedlichen Randbedingungen zu messen, Kipppunkte zu definieren und Abweichungen vom Mittelwert bisher instrumentell gemessener Klimadaten zu bestimmen. Wir werden umfassende Datensätze der wichtigsten Klimavariablen veröffentlichen, wie anspruchsvoller autonomer und fernerkundungsgestützter Winterbeobachtungen aus entlegenen Polarregionen (MOSAiC), und wir werden sicherstellen, dass diese neuen Erkenntnisse an politische Entscheidungsträger und die Gesellschaft weitergegeben werden.

Sprecher:innen: Martin Frank (GEOMAR) und Gesine Mollenhauer (AWI)

Variabilität und Extreme

Im Subtopic 2.2 wird die Struktur und Dynamik der natürlichen dekadischen bis hundertjährigen Klimavariabilität entschlüsselt, um die Simulation von Klimamodellen zu verbessern. Mögliche Zusammenhänge zwischen relativ langsamer natürlicher Klimavariabilität und schnellen Klimaextremen werden erforscht und Extremereignisse in einem sich verändernden Klima auf regionaler Ebene charakterisiert und quantifiziert (z.B. Hitzewellen in Europa, Meereis-Minima in der Arktis und Super-El Niños in den Tropen). Insbesondere wechselseitige Einflüsse und Zusammenhänge zwischen den Tropen, den Polarregionen und den mittleren Breiten, so genannte Telekonnektionen, werden analysiert. Zudem wird die Berechenbarkeit von Umweltparametern auf täglichen bis dekadischen Zeitskalen bestimmt, um die Vorhersagemöglichkeiten der Modelle zu erweitern.

Sprecher: Thomas Laepple (AWI) und Peter Brandt (GEOMAR)

Meeresspiegeländerungen

Das Ziel von Subtopic 2.3 besteht darin, nachhaltige Beobachtungs- und Rekonstruktionskapazitäten zu entwickeln, sowohl für die Quellgebiete als auch für die Regionen, die von den Auswirkungen der Meeresspiegeländerungen betroffen sind. Wenn wir aktuelle Beobachtungsdaten und Prozessmodellierung mit den Rekonstruktionen vergangener Meeresspiegelveränderungen zur Zeit des Zusammenbruchs der Eisschilde kombinieren, gewinnen wir ein kritisches Verständnis von Prozessen, die derzeit in Erdsystemmodellen nicht hinreichend dargestellt werden. Darüber hinaus beabsichtigen wir, die globalen und regionalen Veränderungen des Meeresspiegels zu quantifizieren. Anhand von komplementären Überwachungssystemen und vorwärtsgerichteten, datenbeschränkten Modellierungsansätze werden wir einzelne Prozesse getrennt betrachten und quantifizieren können, beispielsweise die Änderungen der Ozeanmasse, des Wärmeflusses, kontinentale Flüsse und Eismassenbilanzen sowie deformationsbedingte Änderungen der Meeresbeckengeometrie. Diese Aktivitäten werden zur Entwicklung eines fortschrittlichen Erdsystemmodells führen, das in der Lage ist, Veränderungen des Meeresspiegels mit bisher unerreichter Zuverlässigkeit zu simulieren. Außerdem wollen wir regionale Projektionen des Meeresspiegelanstiegs mit genau definierten Unsicherheiten bereitstellen, die sich sowohl aus den Klimaszenarien als auch aus den Quellen des Meeresspiegelanstiegs ergeben. Gemeinsam mit den Küstenmodellierer*innen in Topic 4 werden Informationen über die Veränderung des Meeresspiegels an den Küsten bereitgestellt.

Sprecher: Henryk Dobslaw (GFZ) und Torsten Kanzow (AWI)

Weiterentwickelte Forschungsmethoden für morgen

Dieses Subtopics widmet sich der Verbesserung der methodischen Grundlage der in Topic 2 und darüber hinaus durchgeführten Forschung. Dies wird erreicht durch die Entwicklung neuer Beobachtungstechniken (z.B. modulare Beobachtungssysteme und Verbesserung der Robotertechnologien), weltraumgeodätische Beobachtungen, Paläo-Proxies (z.B. fortgeschrittene Proxy-Kalibrierungen, Chronologien, Synchronisierung von Archiven) und neuartige Modellierungskapazitäten (z.B. globale Modellierung mit regional verfeinerter Auflösung und Datenassimilationstechniken), einschließlich der Modelle, die ein breites Spektrum von Prozessen in unterschiedlicher Auflösung erfassen (z.B. Gezeiten, Oberflächenwellen). Der sich rasch entwickelnde Bereich der Datenwissenschaft wird ebenfalls weiterentwickelt (z.B. effiziente Analyse von Big Data, maschinelles Lernen, visuelle Analysen).

Sprecher:innen: Ilka Weikusat (AWI) und Frank Flechtner (GFZ)

Aktuelle Highlights

Evolution der mächtigsten Ozeanströmung der Erde

Bohrkerne offenbaren klimabedingte Schwankungen des Antarktischen Zirkumpolarstroms in früheren Epochen

Der Antarktische Zirkumpolarstrom spielt eine wichtige Rolle für die globale Umwälzzirkulation, den Wärme- und CO2-Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre und die Stabilität der antarktischen Eismassen. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts und dem Lamont-Doherty Earth Observatory hat nun an Klimaarchiven in Sedimenten aus dem Südpazifik die Fließgeschwindigkeit in den letzten 5,3 Millionen Jahren rekonstruiert. Ihre Daten zeigen: in Kaltzeiten verlor die Strömung an Schwung, in Warmzeiten wurde sie schneller. Sollte sie durch die gegenwärtige Erderwärmung also künftig an Kraft gewinnen, könnte der Südliche Ozean weniger CO2 speichern und mehr Wärme die Antarktis erreichen.