Die Polarregionen in einer 2°C wärmeren Welt

Jun 27 2020
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Den Originalartikel auf Englisch finden Sie hier: https://advances.sciencemag.org/content/5/12/eaaw9883

  1. View ORCID ProfileEric Post1,*,
  2. View ORCID ProfileRichard B. Alley2,
  3. View ORCID ProfileTorben R. Christensen3,
  4. View ORCID ProfileMarc Macias-Fauria4,
  5. Bruce C. Forbes5,
  6. View ORCID ProfileMichael N. Gooseff6,
  7. Amy Iler7,
  8. View ORCID ProfileJeffrey T. Kerby1,8,
  9. View ORCID ProfileKristin L. Laidre9,
  10. View ORCID ProfileMichael E. Mann10,
  11. View ORCID ProfileJohan Olofsson11,
  12. View ORCID ProfileJulienne C. Stroeve12,13,
  13. View ORCID ProfileFran Ulmer14,15,16,
  14. View ORCID ProfileRoss A. Virginia17 and
  15. Muyin Wang18,19
  1. 1Department of Wildlife, Fish, and Conservation Biology, University of California, Davis, Davis, CA 95616, USA.
  2. 2Department of Geosciences, and Earth and Environmental Systems Institute, The Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA.
  3. 3Department of Bioscience, Arctic Research Centre, Aarhus University, Frederiksborgvej 399, 4000 Roskilde, Denmark.
  4. 4School of Geography and the Environment, University of Oxford, Oxford OX1 3QY, UK.
  5. 5Arctic Centre, University of Lapland, Box 122, FI-96101 Rovaniemi, Finland.
  6. 6Institute of Arctic and Alpine Research, University of Colorado, Boulder, CO 80303, USA.
  7. 7Chicago Botanic Garden, 1000 Lake Cook Road, Glencoe, IL 60022, USA.
  8. 8Neukom Institute for Computational Science, Institute of Arctic Studies, and Environmental Studies Program, Dartmouth College, Hanover, NH 03755, USA.
  9. 9Polar Science Center, Applied Physics Laboratory, University of Washington, 1013 NE 40th Street, Seattle, WA 98105, USA.
  10. 10Department of Meteorology and Atmospheric Science and Department of Geosciences, The Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA.
  11. 11Department of Ecology and Environmental Science, Umeå University, S-901 87 Umeå, Sweden.
  12. 12University College London, Bloomsbury, London, UK.
  13. 13National Snow and Ice Data Center, Boulder, CO 80303, USA.
  14. 14Chair, U.S. Arctic Research Commission, 420 L Street, Suite 315 Anchorage, AK 99501, USA.
  15. 15Chair, U.S. Artic Research Commission, 4350 N. Fairfax Drive, Suite 510, Arlington, VA 22203, USA.
  16. 16Belfer Center for Science and International Affairs John F. Kennedy School of Government, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.
  17. 17Institute of Arctic Studies, and Environmental Studies Program, Dartmouth College, Hanover, NH 03755, USA.
  18. 18Joint Institute for the Study of the Atmosphere and Ocean, University of Washington, Seattle, WA 98195, USA.
  19. 19National Oceanic and Atmospheric Administration Pacific Marine Environmental Laboratory, Seattle, WA 98115, USA.
  20. *Corresponding author. Email: post@ucdavis.edu

Vol. 5, no. 12, eaaw9883
DOI: 10.1126/sciadv.aaw9883

Kurzfassung

In den letzten zehn Jahren hat sich die Arktis um 0,75°C erwärmt und liegt damit weit über dem globalen Durchschnitt, während die Temperaturen in der Antarktis vergleichsweise stabil geblieben sind. Wenn sich die Erde der Erwärmung um 2°C nähert, können die Arktis und die Antarktis eine mittlere jährliche Erwärmung von 4°C bzw. 2°C und eine winterliche Erwärmung von 7°C bzw. 3°C erreichen. Zu den erwarteten Folgen der zunehmenden Erwärmung der Arktis gehören der anhaltende Verlust von Land- und Meereis, die Bedrohung der Tierwelt und der traditionellen menschlichen Lebensgrundlagen, erhöhte Methanemissionen und extreme Witterungsbedingungen in tieferen Breiten. Bei geringer Artenvielfalt können antarktische Ökosysteme anfällig für Zustandsveränderungen und Arteninvasionen sein. Der Verlust von Landeis in beiden Regionen wird wesentlich zum globalen Anstieg des Meeresspiegels beitragen, wobei ein Anstieg um bis zu 3 m möglich ist, wenn bestimmte Schwellenwerte überschritten werden. Die Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels können die Erwärmung verlangsamen oder verringern, aber ohne sie könnte sich die Erwärmung in den nördlichen Breitengraden in den nächsten zwei bis vier Jahrzehnten beschleunigen. Internationale Zusammenarbeit wird entscheidend sein, um die zu erwartenden Veränderungen vorherzusehen und sich an sie anzupassen.

Einleitung

Die Erde hat sich seit dem späten 19. Jahrhundert um etwa 0,8°C erwärmt, während sich die Arktis im gleichen Zeitraum um 2° bis 3°C erwärmt hat (Abb. 1A) (1). Umgekehrt hat die Antarktis ausgeprägtere zwischenjährliche und dekadische Schwankungen der mittleren Jahrestemperaturanomalien erlebt als die Arktis, ohne dass in den letzten zwei Jahrzehnten ein Aufwärtstrend erkennbar war (Abb. 1A). Räumlich gesehen war die beobachtete Erwärmung während der neueren instrumentellen Satellitenaufzeichnung (seit 1986) in beiden Regionen ausgesprochen heterogen, wobei sowohl die Erwärmung als auch die räumliche Variabilität der Erwärmung für die Arktis in den letzten 13 Jahren stärker zugenommen hat als für die Antarktis (Abb. 1B) (2, 3). Trotz der Ähnlichkeiten bei der Definition von Merkmalen wie ausgeprägte Saisonalität und das ganzjährige Vorhandensein von Eis und Schnee können diese beiden Regionen daher als Reaktion auf die fortschreitende Erwärmung unterschiedliche Zukunftsaussichten haben.

Abb. 1 Temperaturtrends und -variabilität für die arktische und antarktische Region.

(A) Jährliche mittlere Anomalien des kombinierten Land-Ozean-Temperaturindex (L-OTI) für die Arktis (64°N bis 90°N), Antarktis (64°S bis 90°S) und den Globus zwischen 1880 und 2018 (zonale Datenbehälter, definiert durch Daten, die unter https://data.giss.nasa.gov bezogen auf den mittleren Zeitraum 1951-1980 erfasst wurden). Die Temperaturanomalien für die Arktis während jeder der vier IPYs, von denen das erste in der Arktis stattfand, sind violett hervorgehoben. (B) Jährliche [Januar bis Dezember (J-D)] mittlere Temperaturänderung (°C) in der nördlichen (links) und südlichen (rechts) Hemisphäre für die Jahre 1986-2005 (oben) und 1986-2018 (unten) relativ zum Mittelzeitraum 1951-1980. Generiert aus dem Online-Plotting-Tool (2) des NASA/Goddard Institute for Space Studies (GISS); die GISS-Analyse basiert auf dem aktualisierten Global Historical Climatology Network v3/SCAR (2, 3) und Aktualisierungen der Analyse (v3).

Am Jahrestag des Vierten Internationalen Polarjahres (IPY), eines Meilensteins, der den Fokus auf beobachtete und erwartete Veränderungen in den Polarregionen verstärkt hat, werfen wir einen Blick auf die wichtigsten ökologischen und ökologischen Auswirkungen der Erwärmung in den letzten zehn Jahren. Wir untersuchen auch die Nebeneffekte der Polarerwärmung in den unteren Breiten, für die es in letzter Zeit immer mehr Beweise gibt. Allein im letzten Jahrzehnt hat sich die Arktis gegenüber dem Mittelwert von 1951-1980 um 0,75°C erwärmt, während die Antarktis vergleichsweise stabil geblieben ist (2009-heute; Abb. 1A). Unser Schwerpunkt liegt auf der Berücksichtigung der Folgen für atmosphärische, kryosphärische und biosphärische Veränderungen in den Polarregionen, da sich die Erde weiterhin einer globalen mittleren Erwärmung von 2°C nähert (Tabelle 1). Daher betrachten wir zunächst das erwartete Ausmaß und die Geschwindigkeit der Erwärmung in der Arktis und Antarktis im Rahmen von zwei zukünftigen Kohlenstoffemissionen: Szenarien für den repräsentativen Konzentrationspfad (RCP) 8,5 und RCP4,5. Dann skizzieren wir die möglichen Folgen einer solchen Erwärmung auf der Grundlage der kürzlich in beiden Regionen beobachteten Veränderungen. Während unsere retrospektiven Einschätzungen der bisherigen Erwärmung (Abb. 1) sich auf Temperaturanomalien im Verhältnis zu dem vom Instrumentalbericht abgedeckten Zeitraum (1880-2018) (2) und einer mittleren Basisperiode (1951-1980) beziehen, werden unsere Projektionen der erwarteten Erwärmung im Verhältnis zur Standard-Basisperiode des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) (1981-2005) (4) dargestellt.

Tabelle 1 Zusammenfassung der wichtigsten Bedenken oder Anfälligkeiten gegenüber atmosphärischen, cyrosphärischen und biosphärischen Komponenten der Arktis und Antarktis, die durch die jüngsten Entwicklungen in der Polarforschung hervorgehoben wurden:

Die jüngste Generation allgemeiner Zirkulationsmodelle im Rahmen des Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) deutet darauf hin, dass sich die Arktis auch unter dem gemäßigten Kohlenstoffminderungspfad, der durch das RCP4.5-Szenario charakterisiert ist, voraussichtlich weiterhin viel schneller erwärmen wird, als in tieferen Breiten. Es wird erwartet, dass die Arktis im Rahmen des Business-as-usual-Szenarios (RCP8.5) und des Szenarios mit moderater Kohlenstoffeindämmung (RCP4.5) eine zusätzliche jährliche mittlere Erwärmung von 2°C über die Basislinie von 1981-2005 hinaus erreichen wird, etwa 25 bis 50 Jahre vor dem Globus als Ganzes (Abb. 2, A und B). Die Antarktis hingegen dürfte im Business-as-usual-Szenario (Abb. 2C) leicht hinter einer mittleren globalen Erwärmung von 2°C zurückbleiben, aber im moderaten Abschwächungsszenario (Abb. 2D) etwas früher als der Globus eine mittlere jährliche Erwärmung von 2°C erreichen. In beiden Szenarien wird erwartet, dass die Erwärmung der Antarktis nur in den südöstlichen Spätherbst- und Wintermonaten über der mittleren globalen Erwärmung liegen wird (Abb. 2, C und D).

Abb. 2 Ungefähres Jahr, in dem die Erwärmungsschwelle von 2°C für die Arktis und Antarktis im Vergleich zum Globus als Ganzes erreicht wird.
Erwartete Zeit bis zur Erwärmung um 2°C über den Mittelwert von 1981-2005 unter RCP8.5 (rot) und RCP4.5 (blau) für den Globus (offene Kreise) im Vergleich zur Arktis [feste Kreise; (A und B)] und Antarktis [feste Kreise; (C und D)]. Es werden die Mittelwerte von 36 CMIP5-Ensembleläufen von Overland et al. (1) gezeigt. In (B) und (D) weisen Symbole, die auf das Jahr 2100 positioniert sind, darauf hin, dass die Erwärmung um 2°C im Jahr 2100 oder später stattfinden könnte.

In der Arktis kann es zu einer mittleren jährlichen Erwärmung von bis zu 4°C und zu einer Erwärmung von 7°C im späten borealen Herbst kommen, wenn eine mittlere globale Erwärmung von 2°C über dem Mittelwert von 1981-2005 erreicht wird, unabhängig davon, welches RCP-Szenario in Betracht gezogen wird (Abb. 3, feste Kreise) (1). Besonders bemerkenswert ist die Erwärmung der Arktis um 13°C, die für die borealen Spätherbstmonate bis zum Ende des 21. Jahrhunderts unter einem Business-as-usual-Szenario (RCP8.5) prognostiziert wird (1). Die mittlere jährliche Erwärmung in der Antarktis wird unter beiden Szenarien voraussichtlich etwa 2°C erreichen, wobei unter RCP8.5 im Spätherbst und Frühwinter eine etwas stärkere Erwärmung möglich ist (Abb. 3, offene Kreise). Daher kann eine Minderung der Kohlenstoffemissionen mit dem Ziel, die globale mittlere Jahreserwärmung auf 2°C zu begrenzen, die mittlere Jahreserwärmung in der Arktis oder Antarktis nicht auf unter 2°C begrenzen. Allerdings kann die Eindämmung der Kohlenstoffemissionen das Überschreiten der Schwelle von 2°C im Jahresmittel der Erwärmung in der Arktis verzögern, wie der Zeitunterschied zwischen den Szenarien RCP4.5 und RCP8.5 in Abb. 2 zeigt.

Abb. 3 Größere Erwärmung wahrscheinlich in der
Arktis und Antarktis bei 2°C globaler Erwärmung.
Erwartete Größenordnung der monatlichen und mittleren jährlichen Erwärmung über dem Mittelwert von 1981-2005 in der Arktis (feste Kreise) und Antarktis (offene Kreise) mit 2°C globaler Erwärmung unter RCP8.5 (rot) und RCP4.5 (blau) gemäß 36 CMIP5-Ensemble runs by Overland et al. (1).

In Anerkennung der Dringlichkeit des Ausmaßes und des Tempos der gegenwärtigen und erwarteten künftigen Erwärmung in den Polarregionen stellen wir im Folgenden eine Reihe von acht dringenden Überlegungen vor, die durch die Entwicklungen der letzten zehn Jahre angestoßen wurden. Es folgt ein kurzer, abschließender Überblick über internationale Abkommen in der Arktis und Antarktis als Beispiele für ein kooperatives wissenschaftliches und politisches Engagement, das wahrscheinlich notwendig ist, um der Komplexität der erwarteten klimabedingten Veränderungen in den Polarregionen gerecht zu werden. Unser Ziel ist es, die Überlegungen zu den möglichen Folgen einer um 2°C wärmeren Welt für die Polarregionen zu katalysieren und damit politische Überlegungen über diese Folgen zu informieren. Ein wesentliches auffälliges Merkmal dieser Synthese ist, dass direkte Vergleiche zwischen laufenden und erwarteten Veränderungen in der Arktis und Antarktis durch die relative Unzugänglichkeit und Datenknappheit der Antarktis im Vergleich zur Arktis erschwert werden. Diese Diskrepanz zeigt sich besonders deutlich in unserer Fähigkeit, erwartete Veränderungen der terrestrischen Ökosysteme in der Antarktis vorherzusehen. Wir betonen, dass diese Synthese nicht als umfassender Überblick über die jüngsten und wachsenden Schwerpunkte in der Polarforschung gedacht ist, zu denen einige bemerkenswerte Beispiele wie die Ozondynamik in der Arktis (5, 6), die Wärmeaufnahme des Südlichen Ozeans aus der Atmosphäre (7) und der Zusammenhang zwischen der Erwärmung des Südlichen Ozeans und der Dynamik des Eisschildes an Land (8) gehören.

Wie schnell nimmt das arktische Meereis ab, und was sind wahrscheinlich die dringensten ökologischen Folgen des anhaltenden Meereisverlustes?

Eine der wichtigsten potenziellen Folgen einer raschen und ausgeprägten arktischen Erwärmung ist die Entwicklung eines eisfreien arktischen Sommermeeres (9), die weitreichende Umweltfolgen haben wird, die über die nördlichen hohen Breiten hinausreichen. Während der letzten vier Jahrzehnte, in denen konsistente Satellitenbeobachtungen durchgeführt wurden, hat die arktische Meereisbedeckung in Bezug auf Ausdehnung (10), den Anteil des ewigen Eises im Vergleich zum Eis des ersten Jahres, das Alter dieses ewigen Eises (11) und die Dicke (12) erheblich abgenommen, ebenso wie die Verschiebungen hin zu einer früher einsetzenden Schneeschmelze im Frühling auf dem Meereis in weiten Teilen der Arktis (13). Jüngste Rekonstruktionen des Meereises bis zurück ins Jahr 1850 anhand historischer Beobachtungen (Schiffsberichte, Flugzeugvermessungen, historische Eiskarten und Walfangberichte) (14) zeigen, dass der heutige Meereisverlust in der Rekordperiode beispiellos ist (Abb. 4). Im Gegensatz dazu nahm die Ausdehnung des antarktischen Meereises zwischen 1978 und 2015 leicht zu (15), obwohl im Südherbst der Jahre 2017 und 2018 Rekordminima oder beinahe Rekordminima beobachtet wurden (16).

Abb. 4 Abnehmende Meereisausdehnung auf der Nordhalbkugel.
Monatliche Anomalien der Meereisausdehnung auf der Nordhalbkugel (relativ zu 1981-2010) von 1850 bis 2018, aktualisiert nach dem Datensatz von Walsh et al. Bildnachweis: A. Barrett.

Der Meereisverlust in der Arktis umfasst alle Kalendermonate, wobei der größte Trend im Spätsommer und der geringste im Winter zu verzeichnen ist. Doch während die größten Rückgangsraten immer noch im September auftreten (~-83.000 km2/Jahr von 1979 bis 2018 oder – 12,9% pro Jahrzehnt im Vergleich zum Mittelwert von 1981-2010), hat jeder Monat in den letzten 40 Jahren einen negativen linearen Trend gezeigt, und Mai und November 2016 waren die anomalsten Monate, in denen fast 4 SDs unter den Mittelwert von 1981-2010 gefallen sind (17).

In den letzten zehn Jahren wurden aufeinander folgende Rekordmindestausdehnungen des arktischen Meereises verzeichnet (10, 18). Während der externe Antrieb durch steigende CO2-Konzentrationen eine dominierende Rolle beim langfristigen Rückgang und der Ausdünnung des Meereises spielt (19, 20), haben mehrere Rückkopplungsprozesse und interne Klimaschwankungen zur Persistenz der jüngsten Niedrigsommer-Eisausdehnungen beigetragen. Rekordminima in den Jahren 2007 und 2012 sind klare Beispiele für Extremereignisse, bei denen atmosphärische Zirkulationsmuster während des Sommers eine wesentliche Rolle spielten (21, 22). Ein eisfreier sommerlicher Arktischer Ozean kann innerhalb weniger Jahrzehnte realisiert werden, da die Geschwindigkeit des beobachteten Eisverlusts einige Modellprojektionen sowohl im RCP8.5- als auch im RCP4.5-Szenario übertroffen hat (1). Die lineare Beziehung zwischen der beobachteten Meereisausdehnung im September und Klimamodellen mit erhöhtem kumulativen atmosphärischen CO2-Gehalt (19) lässt vermuten, dass die Eisausdehnung unter 1 Million km2 mit zusätzlichen 800 Gt CO2 sinken wird (17). Bei derzeitigen Emissionsraten von 35 bis 40 Gt im Jahr 1 wird dies innerhalb der nächsten 20 bis 25 Jahre der Fall sein.

Die Forschung, die sich mit den Auswirkungen des anhaltenden und sich beschleunigenden arktischen Meereisverlusts auf meereisabhängige Meeresorganismen (23) sowie auf Komponenten benachbarter terrestrischer Systeme befasst, hat in den letzten zehn Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen (24, 25). Zu den deutlichsten Beispielen für diese Auswirkungen gehören diejenigen, die sich über das arktische marine Nahrungsnetz erstrecken, und zwar durch Verschiebungen im zeitlichen Ablauf der Algenblüte (26) und durch die Erhöhung der Primärproduktivität des Arktischen Ozeans, die in Kaskaden auf Zooplankton und Wirbeltiere übergreift (23, 27, 28). Der Verlust von Meereis hat weitreichende Auswirkungen auf die Bewegungen arktischer Meeressäuger (AMM), ihre Ernährung und lebensgeschichtliche Ereignisse (29, 30). Diese wiederum wirken sich kaskadenartig auf menschliche Gemeinschaften aus, die aus ernährungsphysiologischen, kulturellen und wirtschaftlichen Gründen auf AMM angewiesen sind.

Bei Eisbären (Ursus maritimus) wird der derzeitige und prognostizierte Verlust an optimalem Lebensraum (31) mit verringerter Nahrungssuche im Eis und längeren Aufenthalten an Land in Verbindung gebracht (32, 33). Jüngste Arbeiten über den Verlust von Eislebensräumen weisen auf demographische und physiologische Folgen für Eisbären hin, wie z.B. geringere Überlebenschancen oder Abundanz (34), erhöhte energetische Anforderungen bei Reisen über weniger stabiles Meereis oder offenes Wasser (35, 36) und Ernährungsstress durch sommerliches Fasten (37). Der jüngste Meereisverlust betraf auch eisabhängige Schmetterlingsblütler, wobei große landgestützte Ausbrüche von Pazifischen Walrossen (Odobenus rosmarus divergens) in Abwesenheit von sommerlichem Meereis zu trampelnden Todesfällen führten (38).

Verschiebungen hin zu einem früheren Zeitpunkt des Aufbrechens des Meereises im Frühjahr haben auch zu einer erhöhten Sterblichkeit von Harfen- (Pagophilus groenlandicus) und Ringelrobbenwelpen (Pusa hispida) geführt (39, 40). Darüber hinaus haben sich die Phytoplanktonblüten in Gebieten des Arktischen Ozeans, in denen der Zeitpunkt der Meereisschmelze fortgeschritten ist, früher im Jahr verschoben (41). In einigen Gebieten haben Wale aufgrund der erhöhten Primär- und Sekundärproduktion wahrscheinlich kurzfristige Vorteile erfahren, wie z.B. eine verbesserte Körperkondition bei den Grönlandwalen (Balaena mysticetus) (42) und eine Ausdehnung des Verbreitungsgebiets, die bisher nicht verfügbaren Lebensraum für Grönlandwale und subarktische Wale eröffnet (43, 44). Allgemein wird erwartet, dass der Verlust an Meereis die Artenvielfalt und die Interaktionen in der Arktis beeinträchtigen wird, mit einem Zustrom subarktischer Arten und dem Potenzial für einen verstärkten Wettbewerb mit endemischen arktischen Arten (45).

Entscheidend ist, dass eine kürzlich durchgeführte zirkumpolare Überprüfung des Populationsstatus der AMM große Datenlücken in Bezug auf Populationsstruktur, Abundanz und Populationsentwicklung aufgedeckt hat (29). Die Stabilisierung und Reduzierung der atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen haben sich jedoch als die wichtigsten Erhaltungsmaßnahmen für AMM herausgestellt. Über ihr gesamtes Verbreitungsgebiet hinweg sind die meisten AMM-Bestände und -Populationen von der Subsistenzwirtschaft durch die Ureinwohner der Arktis abhängig (29), so dass ein Rückgang der AMM-Populationen wahrscheinlich diese menschlichen Populationen betreffen wird. Und selbst unter den intermediären RCP4.5- und RCP6.0-Szenarien sind großräumige Auswirkungen auf eisabhängige AMMs so gut wie sicher, insbesondere eine Verringerung der Bestände in Verbindung mit Reichweitenverschiebungen und Auswirkungen auf die Lebensgeschichte. Darüber hinaus wird die erwartete Zunahme menschlicher Aktivitäten in Meeres- und Küstengebieten in einer eisfreien Arktis im Sommer, wie z.B. Offshore-Öl- und Gasbohrungen oder die transarktische Schifffahrt, wahrscheinlich zu kumulativen negativen Auswirkungen auf AMM führen (46-48). Eine verbesserte Überwachung, insbesondere für datenarme Arten wie atlantische und pazifische Walrosse, wird wichtig sein, um die Aktualisierung des Zustands der AMM-Populationen zu verbessern, was für die laufende Entwicklung einer anpassungsfähigen Management- und Erhaltungspolitik von entscheidender Bedeutung ist.

Der Text wird zur Zeit übersetzt

Hier geht es in Kürze weiter 🙂

Wie wird sich die arktische Erwärmung auf das Wetter in niedrigeren Breitengraden auswirken?

Es ist unwahrscheinlich, dass die Umweltfolgen der anhaltenden Erwärmung der Arktis auf die nördlichen hohen Breiten beschränkt bleiben. In den letzten zehn Jahren hat das Auftreten ungewöhnlich heißer Sommer in Europa zugenommen und die extremste Hitzewelle seit Beginn der Aufzeichnungen erlebt: die russische Hitzewelle 2010, bei der schätzungsweise 55.000 hitzebedingte Todesfälle zu beklagen waren (49). Obwohl nach wie vor große Unsicherheiten bestehen, deuten jüngste Entwicklungen in der Atmosphärenforschung darauf hin, dass die anthropogene Erwärmung (50) und insbesondere die arktische Verstärkung der Erwärmung, die mit dem Verlust von Meereis verbunden ist (49), die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Sommerextremen auf der nördlichen Hemisphäre in mittleren Breitengraden erhöhen könnte. Schwächere polwärts gerichtete sommerliche Temperaturgradienten, die aus der arktischen Verstärkung der Erwärmung resultieren, führen z.B. zu einem schwächeren Jetstream (51), während die Verstärkung planetarischer (“Rossby”) Wellen durch den Prozess der quasiresonanten Verstärkung (QRA) wahrscheinlich zu einem mäanderförmigeren Jetstream führt (52). Zusammen tragen diese Faktoren angeblich zu einer Zunahme der anhaltenden sommerlichen Wetterextreme in mittleren Breitengraden bei, d.h. zu historischen Dürren, Überschwemmungen und Hitzewellen in den letzten Jahren, die durch die beispiellosen Wetterextreme des Sommers 2018 hervorgehoben wurden. Die Erwärmung der Arktis beeinflusst wahrscheinlich auch die Winterwetterlagen in mittleren Breiten. Obwohl immer noch diskutiert (53), gibt es immer mehr Beweise (54-56) dafür, dass die arktische Verstärkung der Erwärmung im Winter den winterlichen Jetstream und den Polarwirbel schwächt und möglicherweise die Häufigkeit kontinentaler Kaltluft-Winterausbrüche, wie sie im Winter 2018/2019 beobachtet wurden, erhöht. Diese Auswirkungen in den hohen Breiten kommen zu anderen (z.B. tropischen) Auswirkungen auf die Wetterdynamik in den mittleren Breiten hinzu.

Eine Zunahme des Auftretens von QRA während der Satellitenära (1979-2011) fällt mit einem Maß der arktischen Verstärkung der Erwärmung zusammen (52). Zuletzt (57) wurde ein spezifischer beobachtungsbasierter Fingerabdruck für QRA-Bedingungen entwickelt, der auf anomalen zonal-gemittelten Oberflächentemperaturprofilen basiert. Die Untersuchung des Trends dieses Fingerabdrucks sowohl in historischen Langzeitbeobachtungen als auch in den Simulationen des historischen Klimamodells CMIP5 ergab konsistente Beweise für eine Zunahme der QRA-Bedingungen in Verbindung mit der anthropogenen Erwärmung. Es wird erwartet, dass diese QRA-Ereignisse mit anhaltender arktischer Erwärmung häufiger werden (58).

Auch die kalifornische Dürre von 2011-2017 wurde kürzlich mit den sich ändernden arktischen Bedingungen in Verbindung gebracht (59). Eine anhaltende Abnahme der arktischen Meereisausdehnung und der damit verbundene Anstieg der arktischen Meeresoberflächentemperaturen könnte den Jetstream der nördlichen Hemisphäre so beeinflussen, dass Winterstürme nördlich von Kalifornien gelenkt werden, was zu einer Abnahme der Schneedecke und der Niederschläge und zu einer Verschärfung der Dürrebedingungen führen könnte (60). Darüber hinaus hat die jüngste Modellierung (61) die vorgeschlagene Verbindung zwischen dem anthropogenen Klimawandel und der Art des Hochdruck-“ridging”-Musters verstärkt, das für die polwärts gerichtete Umleitung der Sturmbahnen über dem Westen der Vereinigten Staaten verantwortlich ist.

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Was sind die Folgen der anhaltenden polaren Erwärmung für den Verlust von Landeis und den Anstieg des Meeresspiegels?

Weitere Umweltfolgen der Erwärmung in den unteren Breitengraden beziehen sich auf den erwarteten anhaltenden Verlust von Landeis und den daraus resultierenden Anstieg des Meeresspiegels. Die jüngste IPCC-Projektion vom Ende des 21. Jahrhunderts geht von einem Anstieg des globalen Meeresspiegels um etwa 0,5 m aus, selbst unter dem Abschwächungsszenario RCP4.5 (62). Der Anstieg ist hauptsächlich auf die thermische Ausdehnung des Meerwassers und das Abschmelzen der Gebirgsgletscher zurückzuführen, mit geringeren Beiträgen durch den zunehmenden Eisschildfluss und den Schmelzwasserabfluss des Grönländischen Eisschildes (GIS), des westantarktischen Eisschildes (WAIS) und des ostantarktischen Eisschildes (EAIS). Semiempirische Modelle deuten auf einen etwa 70% größeren prognostizierten Anstieg des Meeresspiegels hin (62). Die vom IPCC prognostizierten Beiträge der Eisschilde haben seit 2001 zugenommen, wobei einige andere Bewertungen noch höhere Spannweiten ergeben (63), und die prozessbasierten IPCC-Projektionen der künftigen Erwärmung zeigen einen beschleunigten Eismassenverlust (64). Daher wird eine stärkere Erwärmung, wie sie unter RCP8.5 prognostiziert wird, wahrscheinlich einen noch stärkeren Anstieg des Meeresspiegels verursachen.

Eine Erwärmung über einem “Überlebens”-Schwellenwert, der zuvor auf etwa 1° bis 4°C über dem vorindustriellen Wert geschätzt wurde, kann in den folgenden Jahrhunderten oder länger zum Verlust des größten Teils der GIS führen (62). Verwandte Modellierungsexperimente zeigen, dass der saisonale Meereisverlust den Massenverlust der Eisschilde erhöht und die Überlebensschwelle der Eisschilde senkt (65). Das Schmelzen der GIS kann jedoch die atlantische meridionale Umwälzzirkulation verlangsamen (66) und vielleicht zur Kühlung und Stabilisierung der GIS beitragen. Vergangene (67) und anhaltende (68) Erwärmung hat zu einem raschen Rückzug der GIS entlang tiefer Fjorde geführt. Zumindest einige der früheren Fjordrückgänge wurden durch die Ausdünnung und den Verlust des Schelfeises ausgelöst und durch das Kalben von Eisbergen von (nicht schwimmenden) Gezeitenklippen ausgelöst (68). Jüngstes verbessertes physikalisches Verständnis der Kalbungsvorgänge im Gezeitenwasser legt nahe, dass die GIS zumindest etwas empfindlicher auf Erwärmung reagieren als modelliert (69). Vor allem neuere Arbeiten deuten darauf hin, dass das GIS in den letzten ~1,2 Millionen Jahren eine oder mehrere ausgedehnte und anhaltende Abschmelzungen erlebte, als paläoklimatische Aufzeichnungen nur geringfügig wärmere Bedingungen als die kürzlich beobachteten zeigten (70). Diese neuere Forschung deutet auf eine große Empfindlichkeit der GIS gegenüber Erwärmung hin.

Im Gegensatz zu den GIS ist für die Antarktis unter RCP4,5 oder größeren Emissionen in den kommenden Jahrzehnten kein größerer Massenverlust durch Oberflächenabfluss zu erwarten (62). Ein anhaltender Massenverlust wurde jedoch vor kurzem ausgelöst, als das wärmere Ozeanwasser die Schelfeisschelfe verdünnte und damit ihre stützende Wirkung verringerte, wodurch ein schnellerer Fluss von nicht schwimmendem Eis in den Ozean ermöglicht wurde [überarbeitet in (71)]. Eine ausreichende Erwärmung, die einen GIS-ähnlichen Schelfeisverlust und einen Rückgang der Gezeitenkalbung auslöst, könnte in den nächsten ~100 Jahren erheblich zum Anstieg des Meeresspiegels beitragen, insbesondere durch WAIS, selbst wenn das Kalben von Eisbergen aufgrund der viel breiteren WAIS-Kalbefront, die sich entwickeln könnte, auf Raten beschränkt ist, die in GIS bereits lokal überschritten sind (72, 73). Da WAIS außerdem höhere Klippen mit weniger Widerstand von den Fjordseiten her erzeugen könnte als im GIS und somit größere Stressungleichgewichte, die das Kalben antreiben, ist ein noch schnellerer Meeresspiegelanstieg möglich (71).

Innerhalb des WAIS hat der Thwaites-Gletscher einen bemerkenswert schnellen Eisverlust erfahren und scheint besonders anfällig für einen beschleunigten Eisverlust mit verstärkter Schelfeisbasalschmelze zu sein. In einem kürzlich durchgeführten Vergleich von zwei vereinfachten Modellszenarien, die “konstantes Klima” und “erwärmendes Klima” darstellen, brach der Thwaites-Gletscher in 80% der Experimente mit konstantem Klima und in 100% der Experimente mit erwärmendem Klima zusammen (74). Der Kollaps des Thwaites-Gletschers und anderer antarktischer Quellen könnte mehr als 3 m zum globalen Anstieg des Meeresspiegels über eine Zeitspanne beitragen, die zwar schlecht charakterisiert ist, aber weniger als ein Jahrhundert nach dem Ausbruch betragen könnte, wenn Schelfeisverlust und Klippenrückzug wichtig werden (72, 75). Eine weitere Erwärmung könnte diese Prozesse bis in die Meeresbecken von EAIS ausdehnen, wodurch in Zukunft möglicherweise weitere 12 m oder mehr zum Meeresspiegelanstieg beitragen könnten (72). Es wurden geotechnische Lösungen vorgeschlagen (76), aber es bestehen nach wie vor ernsthafte Schwierigkeiten.

Jüngste Arbeiten (77, 78) deuten darauf hin, dass die Schwankungen des Eisschildes in der Vergangenheit modelliert werden können, ohne Schelfeisverlust und anschließendes Versagen der Klippen hervorzurufen, wobei Modelle bevorzugt werden, die einen geringeren oder langsameren Anstieg des Meeresspiegels ergeben, als in einigen Studien berechnet wurde (72), aber im Wesentlichen alles Eis, das in den Ozean fließt, endet in kalbenden Klippen. Schelfeisverlust wurde in mehreren Fällen mit nachfolgender Strömungsbeschleunigung beobachtet (75), so dass Modelle ohne Klippenphysik bekannte Prozesse auslassen, die für den Eisverlust entscheidend sind. In vielen Aspekten dieses Themas sind die Unsicherheiten sehr groß, darunter auch die mangelnde Kenntnis der Schwellenerwärmung des Ozeans oder der Atmosphäre, die erforderlich ist, um einen größeren Schelfeisverlust bei empfindlichen Abflüssen auszulösen. Ein großer, schneller Anstieg des Meeresspiegels bei starker Erwärmung bleibt daher möglich, aber unbewiesen.

Wie werden die biologische Saisonalität und der Zeitpunkt der Wechselwirkung zwischen den Arten auf die anhaltende Erwärmung reagieren?

Die phänologischen Reaktionen auf den Klimawandel waren in den nördlichen hohen Breiten am stärksten ausgeprägt, und neuere Arbeiten zeigen, dass die phänologischen Verschiebungen noch extremer sind als bisher erwartet, wahrscheinlich aufgrund einer nichtlinearen Zunahme der Erwärmung mit den Breitengraden (79). In der gesamten Arktis haben die jüngsten phänologischen Verschiebungen bei den Pflanzen zu längeren Wachstums- und kürzeren Blütezeiten geführt (80, 81). Kürzlich durchgeführte Metaanalysen haben auch gezeigt, dass das Blattaustrieb und die Blütephänologie an kälteren Standorten empfindlicher auf die Erwärmung reagieren als an wärmeren Standorten in der Arktis (82), was auf ein Potenzial für eine phänologische Homogenisierung über große räumliche Ausdehnungen hindeutet. Die phänologischen Reaktionen von Pflanzen auf Landschafts- und Gemeindeebene haben Folgen für höhere trophische Ebenen, und die Veränderung der Synchronität zwischen interagierenden Arten hat in den letzten zehn Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen, insbesondere im Zusammenhang mit den negativen Folgen der phänologischen Diskrepanz mit Ressourcenarten für die Verbraucherarten (83). Zum Beispiel wurden kürzere Blütezeiten in jüngster Zeit mit einem Rückgang der Fliegen, einer Hauptgruppe arktischer Bestäuber, in Verbindung gebracht (Abb. 5) (84). In einem anderen Beispiel aus jüngster Zeit verlangsamten sich die Wachstumsraten der Küken bei einigen hocharktischen brütenden Küstenvögeln, bei denen die Synchronität zwischen dem Schlüpfen der Küken und dem Zeitpunkt der höchsten Verfügbarkeit von Futterinsekten abnahm (85).

Abb. 5 Reduzierte Bestäuberhäufigkeit nach kürzerer Überlappung mit der Blühdauer.
Zusammenhang zwischen der Bestäuberhäufigkeit im laufenden Jahr und der Anzahl der Tage der Überlappung zwischen Bestäuberpräsenz und gemeinschaftsweiter Blüte im Vorjahr in Zackenberg, Grönland (1996-2009). Weiße Symbole kennzeichnen die Häufigkeit von Moschusfliegen und graue Symbole die Häufigkeit von Chironomidenfliegen. Modifiziert von Høye et al. (84). Hintergrundfoto der Syrphidenfliege (Diptera) auf Zwergglanzkraut (Chamerion latifolium) in Grönland. Bildnachweis: C. Urbanowicz.

Im Gegensatz dazu können einige Arten von einem früheren Beginn der jährlichen Pflanzenwachstumssaison profitieren. Moschusochsen (Ovibos moschatus), die typischerweise vor dem Beginn der Frühjahrsaufgrünung Nachkommen produzieren, können mit fortschreitender Aufgrünungszeit eine zunehmende trophische Übereinstimmung erfahren (86, 87). Im Nordosten Grönlands wurde die zunehmende Häufigkeit von Moschusochsen mit einer längeren Pflanzenwachstumssaison im Zusammenhang mit der Sommererwärmung in Verbindung gebracht (88). In Westgrönland, wo die Länge der Pflanzenwachstumssaison ebenfalls zugenommen hat (89), hat die Abundanz der Moschusochsen seit 2002 fast kontinuierlich zugenommen (87). Das Ausmass, in dem diese phänologischen Reaktionen die Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen oder die phänologische Plastizität widerspiegeln, ist unklar, aber Schwellenreaktionen der Phänologie auf das Klima deuten darauf hin, dass sich Grenzen der Plastizität abzeichnen (90).

Wie wird sich die anhaltende arktische Erwärmung auf die Pflanzenfresser der Tundra auswirken, insbesondere auf Arten von sozioökonomischer Bedeutung?

In arktischen Systemen integrieren große Pflanzenfresser, insbesondere Karibu/Rentiere (beide Rangifer tarandus), einen kritischen kulturellen, sozioökonomischen und Ressourcenwert mit einer ausgeprägten Fähigkeit zur Beeinflussung der Ökosystemdynamik. Diese Gründe rechtfertigen ein besseres Verständnis der Auswirkungen der anhaltenden Erwärmung auf die Pflanzenfresser der Tundra sowie der wechselseitigen Rückkopplungen zwischen Pflanzenfressern und der Struktur und Funktion des Ökosystems in der Arktis. Mehrere neuere Studien deuten darauf hin, dass Herbivoren Reaktionen auf die Erwärmung wichtiger Ökosystemeigenschaften vermitteln können, was sich auf die Kohlenstoffaufnahme (91, 92), die Vegetationszyklen im Landschaftsmaßstab (93), die Oberflächenalbedo (94) und die Pflanzenvielfalt (95, 96) auswirkt. Umgekehrt wurde der Rückgang der nordamerikanischen Karibu-Populationen in jüngster Zeit mit Veränderungen der Tundra-Buschbedeckung in Verbindung mit der abnehmenden Ausdehnung des Meereises in Verbindung gebracht (97).

In einigen arktischen Pflanzengemeinschaften hat die Statur der Tundravegetation mit der Erwärmung zugenommen (98). In einigen Fällen jedoch behindern arktische Pflanzenfresser die Pflanzen daran, höher zu wachsen, und verhindern so den Konkurrenzausschluss niedrig wachsender Pflanzen (96). Dies kann zu einem positiven Effekt der Erwärmung auf den Artenreichtum in Anwesenheit von Pflanzenfressern, aber zu einem negativen Effekt in Abwesenheit von Pflanzenfressern führen (96). Herbivore sind also wichtig für die Erhaltung der Biodiversität in einer sich erwärmenden Arktis, und diese Rolle wird wahrscheinlich mit einer zusätzlichen Erwärmung an Bedeutung gewinnen (95).

Die Region, die sich vom nördlichen Fennoskandia bis nach Westsibirien erstreckt, dem weltweit wichtigsten halbdomestizierten Rentierzuchtgebiet, hat in den letzten zehn Jahren zunehmend Aufmerksamkeit auf die Erforschung der Folgen der Klimaerwärmung und der damit verbundenen extremen Wetterverhältnisse erhalten (99, 100). Auf der Jamal-Halbinsel, wo sich der Rentierbestand auf etwa 340.000 Tiere beläuft, die von 6000 vollständig nomadisch lebenden einheimischen Nenzen-Hirten gehalten werden (101), wurde die Sommererwärmung mit zunehmendem Wachstum von Laubbäumen in Verbindung gebracht (99, 102). In derselben Region haben die Wintererwärmung und stärkere und ausgedehntere Regen-Schnee-Ereignisse zu eisverkrusteten Weideflächen und einem katastrophalen Massenhunger der Rentiere geführt (100). Die größte verzeichnete Rentiersterblichkeit in der Region ereignete sich in den Jahren 2013-2014, als schätzungsweise 61.000 Tiere allein auf der Jamal-Halbinsel starben (Abb. 6) (100). Dennoch deuten einige neuere Arbeiten darauf hin, dass Regen-Schnee-Ereignisse möglicherweise kein allgegenwärtiger Faktor in der Dynamik der Rangifer-Populationen über ihre Verbreitung hinweg sind (103). Auf Spitzbergen, wo auch Regen-Schnee-Ereignisse auftreten, haben die Rentiere in getrennten Populationen in den letzten Jahrzehnten an Häufigkeit zugenommen (104, 105). Daher kann es sein, dass die Reaktionen einzelner Populationen auf Extremereignisse nicht die Reaktionen auf Gattungs- oder Artniveau auf langfristige klimatische Trends beeinflussen (87, 103).

Abb. 6 Extensives Rentiersterben in Westsibirien.
Halbdomestizierte Rentiere von Nenzen-Hirten, die vor dem größten und heftigsten Regen-Schnee-Ereignis der Geschichte der Jamal-Halbinsel in Westsibirien, bei dem mindestens 61.000 Tiere im Winter 2013-2014 verhungerten, erstarrten. Bildnachweis: R. Serotetto.

Forschungen während des letzten Jahrzehnts haben auch gezeigt, dass die Hirten der Jamal-Nenzen besorgt sind über ihre Fähigkeit zur gegenseitigen Koexistenz mit der sich rasch ausbreitenden Entwicklung von Erdgas auf ihrem alten Tundra-Rentier-Reichland (106). Die katastrophale Herdensterblichkeit in den Wintern 2006-2007 und 2013-2014 fügte der Reihe von Risiken, denen Tundra-Nomaden während ihrer jährlichen Wanderungen ausgesetzt sind, ein weiteres Element hinzu. Wenn sich die zyklischen, synoptischen Wettermuster als Reaktion auf die regionale Erwärmung tatsächlich verschoben haben, dann wird dies Auswirkungen auf die Fernwanderung großer Rentierherden im Zusammenhang mit der rasch expandierenden Erdgasförderung haben.

Werden antarktische Ökosysteme bei Erwärmung anfällig für Invasionen oder Zustandsveränderungen sein?

In den fünf Jahrzehnten nach dem Internationalen Geophysikalischen Jahr (1957-1958) hat sich die Antarktis um mehr als 0,1°C pro Jahrzehnt erwärmt (107). Die langfristige terrestrische Ökosystemforschung in der Antarktis begann jedoch erst Anfang der 1990er Jahre. Daher haben wir nur begrenzte Aufzeichnungen über die Reaktion des heutigen antarktischen Ökosystems auf den Klimawandel. In jüngster Zeit hat der zunehmende Fokus auf das McMurdo-Trockentäler-Ökosystem (MDVs) der Antarktis seine Reaktionsfähigkeit auf Veränderungen der physikalischen Randbedingungen und der damit verbundenen internen Zustände seiner Komponenten betont (Abb. 7). Während einer dekadischen Abkühlungsperiode (1987-2000) erlebte das MDV eine verminderte Erzeugung von Gletscher-Schmelzwasserströmen, eine Verdickung der Eisdecke, eine Absenkung des Seespiegels und trockenere Böden (108). Die damit verbundenen Lebensgemeinschaften reagierten mit abnehmenden Populationen wirbelloser Bodentiere, abnehmender Bach-Biomasse und verminderter Primärproduktivität des Sees (109). Dieses dekadische Abkühlungsmuster endete 2002 mit einem Südsommer mit hoher Sonneneinstrahlung und warmen Temperaturen, zunehmender Gletscherschmelze und hydrologischen Verbindungen zwischen Böden, Bächen und Seen. Das folgende Jahrzehnt zeigte kein erkennbares Muster bei den sommerlichen Lufttemperaturen oder der Sonneneinstrahlung (108). In diesem Jahrzehnt zeigte das Ökosystem eine anhaltende Reaktion auf das “Überschwemmungsjahr” 2002 mit erhöhten Wasserläufen, dünner werdendem Seeeis, höheren Seepegeln, erhöhter Produktivität von Bächen und Seen und einem Anstieg der Populationen wirbelloser Bodentiere. Diese jahrzehntelangen Reaktionen in unterschiedlichen Richtungen und Größenordnungen auf ausgeprägte Pulsereignisse können repräsentativ für mögliche zukünftige Zustandsveränderungen sein, die sich aus schnellen oder abrupten Klimaveränderungen ergeben.

Abb. 7 Kontrastierende Muster der Konnektivität zwischen Komponenten eines antarktischen Ökosystems.
Kontrollen in (A) den McMurdo-Trockentälern der Antarktis während (B) eines südöstlichen Sommers mit niedrigem Oberflächenenergieeintrag (Sonneneinstrahlung, Wärmeleitung durch Lufttemperaturen usw.) und während (C) eines südöstlichen Sommers mit hohem Oberflächenenergieeintrag in die Landschaft. Diese physikalischen Veränderungen des Systems haben direkte Auswirkungen auf die biologischen Gemeinschaften in jedem Teil des Ökosystems. Bildnachweis: E. Parrish.

Die künftige Artenvielfalt und die Funktionsweise der terrestrischen und Süßwasser-Ökosysteme der Antarktis sind eng mit den zu erwartenden klimatischen Veränderungen in der Antarktis verknüpft. Der Rückzug des Eises, der mit der nahen Erwärmung einhergeht, wird bisher nicht verfügbare Lebensräume (110) freilegen, die von lokalen und möglicherweise auch von invasiven Arten besiedelt werden können (111, 112). Einige Pinguinarten haben als Reaktion auf die Veränderungen entlang der Antarktischen Halbinsel bereits begonnen, sich in bisher ungenutzte Brutgebiete zu begeben (113), und die künftige Erwärmung könnte zu zusätzlichen Verschiebungen des Verbreitungsgebiets der Pinguine im Südpolarmeer führen (114). Jüngste Arbeiten betonen auch, dass das Südpolarmeer bei einer künftigen Erwärmung eher als Kanal denn als Barriere für biologische Invasionen in die Antarktis dienen könnte (115), was beträchtliche Auswirkungen auf die Einschleppung von Infektionskrankheiten haben könnte (116). Insbesondere die MDV-Region wird sich in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich erheblich erwärmen (117). Bei einer anhaltenden Erwärmung könnte es wahrscheinlich zu einer konsistent verbesserten physischen Konnektivität in der MDV-Landschaft kommen (d.h. Abb. 7C), was unter anderem zu einer räumlichen Homogenisierung der Gemeinschaften und des Ressourcenstatus zwischen den Landschaftseinheiten führen könnte. Die Antarktis mit ihren wenig biodiversitätsreichen Ökosystemen und physischen Systemen, die auf kleine Veränderungen des Energiehaushalts reagieren, könnte einer der besten Orte sein, um die komplexen biologischen und physischen Wechselwirkungen zu entwirren, die die Funktion der Ökosysteme in hohen Breitengraden unter künftigen Klimaveränderungen bestimmen werden (108, 118).

Wie werden die Methanflüsse auf das Auftauen des Permafrostes reagieren?

Methan (CH4) hat eine etwa 30-mal so hohe Wärmespeicherkapazität wie CO2, und weltweit sind terrestrische Feuchtgebiete die größte Einzelquelle für atmosphärisches CH4, wobei die derzeitigen jährlichen Emissionen auf 140 bis 280 Tg CH4 Jahr-1 geschätzt werden (119). Darüber hinaus speichern die nördlichen Feuchtgebiete mehr als 50% des globalen organischen Bodenkohlenstoffs aufgrund der langsamen Zersetzungsraten des organischen Kohlenstoffs, die aus den feuchten Oberflächenbedingungen und den niedrigen Temperaturen resultieren (120).

Künftige Klimaerwärmung in hohen Breiten könnte die Netto-CH4-Emissionen aus Feuchtgebieten und die Degradation von Permafrostböden erheblich erhöhen und als positive Rückkopplung zur Erwärmung des globalen Klimasystems dienen (121). In ähnlicher Weise könnten eine erhöhte Netto-Primärproduktion, die Zusammensetzung der Gefäßpflanzenarten und der Bodenwassergehalt die Methanogenese (die mikrobielle Basis der Methanproduktion in Feuchtgebieten) und damit die CH4-Emissionen erhöhen (122). Eine der größten Unsicherheiten bei CH4-Schätzungen für Feuchtgebiete ist die Frage, wie sich die Ausdehnung der Feuchtgebiete oder die gesamte überflutete Fläche mit der künftigen Erwärmung verändern wird (123). Eine kürzlich durchgeführte Studie weist darauf hin, dass bei unveränderten Emissionen die Gesamtfläche der Feuchtgebiete um 13% zunimmt und sich die globalen CH4-Emissionen im Vergleich zu den derzeitigen Werten fast verdoppeln (124). Für Feuchtgebiete in den hohen Breiten wird erwartet, dass höhere Temperaturen, winterliches Auftauen und ein daraus resultierender Anstieg des Bodenfeuchtegehalts die Hauptursachen für erhöhte Emissionen sein werden (124, 125).

Die Emissionsszenarien umfassen Veränderungen zwischen einem bescheidenen Anstieg von 10 Tg CH4 Jahr-1 bis zu mehr als 50 Tg CH4 Jahr-1 für weit nördlich gelegene natürliche terrestrische Methanemissionen bis zum Jahr 2080 bei einem globalen Temperaturanstieg von 2°C (126, 127). Obwohl Zunahmen der Methanemissionen von mehr als 50 Tg CH4 Jahr-1 extreme Szenarien darstellen, berücksichtigen diese Projektionen nicht mögliche abrupte Veränderungen oder sich beschleunigende Trends mit der zukünftigen Erwärmung. Angesichts des Potenzials für die Zersetzung großer Bestände an organischem Bodenkohlenstoff könnten diese Veränderungen ein wichtiger Faktor für die Zukunft sein. Zusätzlich zu diesen Unsicherheiten werden viele Prozesse, die in den derzeitigen Modellen nicht gut dargestellt sind, darunter Hydrologie, Seendynamik und Permafrostdynamik, wahrscheinlich zukünftige arktische Methanemissionen beeinflussen und verdienen daher eine stärkere Beachtung (128).

Wie wird sich die anhaltende arktische Erwärmung auf die Primärproduktivität der Tundra auswirken?

Eine verbesserte Konzentration auf das Verständnis der Heterogenität und der Triebkräfte der Produktivität der Tundra-Vegetation und der Reaktionen auf die erwartete Erwärmung wird entscheidend für die Lösung der Fragen der Netto-Ökosystem-Kohlenstoffspeicherung und -freisetzung bei der Erwärmung der Arktis sein (129). Während frühe, grobkörnige Satellitenbeweise auf eine weit verbreitete Begrünung der Tundra schließen ließen (130), wurden in jüngster Zeit Unterschiede zwischen positiven und negativen Trends in der Tundra-Produktivität an arktischen Standorten festgestellt (131). Obwohl die Produktivitätsreaktionen von Laubgehölzen auf die Erwärmung an feuchten und warmen arktischen Standorten am stärksten waren (132, 133), fällt der jüngste allmähliche Verlust des Temperatursignals bei der fernerkundlichen Produktivität auf der panarktischen Ebene (134) und in standortbasierten Parzellen (135) mit einer Verlangsamung der anfänglichen Begrünungstrends zusammen (131). Trotzdem ist die Fläche der Tundra, die während des Satellitenzeitalters begrünt wurde, 20-mal größer als die Fläche, die braun geworden ist (136). Da die standortbasierte terrestrische Arktisforschung räumlich gebündelt ist, machen einige wenige Schlüsselstandorte einen unverhältnismäßig hohen Anteil an lokaler Evidenz aus, was die Untersuchung der Mechanismen hinter den Trends der arktischen Vegetation verzerrt (137, 138). Wir raten daher zur Einbeziehung von Informationen von einer größeren Vielfalt von Standorten in der Arktis.

Die Untersuchung anderer Faktoren als der Temperatur der Tundra-Vegetationsdynamik wurde vor kurzem neu belebt. Die jüngste Erwärmung hat begonnen, die starke thermische Begrenzung der terrestrischen Primärproduktivität in der Arktis zu lockern und ihre Kontrolle auf zusätzliche Faktoren wie die Begrenzung der Feuchtigkeit oder der Nährstoffe zu verlagern (139, 140). In jüngster Zeit hat sich die Aufmerksamkeit auch auf die Kontrolle der kalten Jahreszeit, Extremereignisse (141), Schneehöhe (142) und den indirekten Einfluss des Meereisrückgangs durch lokales und regionales Wetter und Klima verlagert (24, 25). Die kombinierten lokalen/regionalen Auswirkungen vieler solcher abiotischer Faktoren werden wahrscheinlich weiterhin zur Entstehung von Bräunungssignalen führen (143). Das Verständnis der Produktivitätsreaktionen der Tundra auf den künftigen Klimawandel sollte verbessert werden durch die Beibehaltung langfristiger ökologischer Beobachtungs- und Manipulationsstandorte, die Ausweitung standortbasierter Studien auf ein möglichst breites Spektrum von Lebensräumen innerhalb der Arktis und die Erhöhung der räumlichen, zeitlichen und spektralen Auflösungen in der Fernerkundung [z.B. (144)], wobei der Schwerpunkt auf der Behebung von Sensordiskrepanzen durch skalenübergreifende Kalibrierung/Bodenwahrheit liegen sollte (145, 146).

Skalenüberlegungen werden in ähnlicher Weise Vorhersagen verbessern und helfen, scheinbar widersprüchliche Reaktionen auf die Erwärmung zwischen Tundraproduktivität und Pflanzenphänologie aufzulösen. Während Daten auf Skalenebene auf eine grössere phänologische Empfindlichkeit gegenüber der Erwärmung an Standorten in höheren Breitengraden hindeuten (79, 82), zeigen Satelliten- und Skalenmessungen der Aufgrünung wenig bis gar keine Fortschritte in der sich schneller erwärmenden hohen Arktis (132, 147). Inwieweit es sich bei diesen Widersprüchen um skalenabhängige ökologische Muster oder um Artefakte von Diskrepanzen in Methodik und Präzision handelt, bleibt unklar (136). Neue Datenquellen – vom Boden (148), von Drohnen (149) und satellitengestützten Sensoren – bieten Möglichkeiten, diesen Unsicherheiten zu begegnen. Das Forschungspotential dieser neu entstehenden Ansätze wird durch eine sorgfältige Integration mit bestehenden Überwachungsstrategien maximiert, anstatt sie zu ersetzen.

Vorwegnahme kurzfristiger Veränderungen: Die Bedeutung internationaler Vereinbarungen und Zusammenarbeit

Laufende und mögliche zukünftige Veränderungen der Atmosphäre, der Kryosphäre und der Biosphäre, wie sie hier als Reaktion auf die erwartete Erwärmung in den Polarregionen untersucht werden, können von einer einzelnen Nation allein nicht wirksam angegangen werden. Ebenso können die Herausforderungen, die sich unweigerlich aus dem zunehmenden Zugang zu den Polarregionen und dem globalen Druck um Ressourcen ergeben werden, nicht einseitig bewältigt werden. Bestehende Überwachungsprogramme, wie das U.S. Arctic Observing Network und der British Antarctic Survey, sind in den Polarregionen vergleichsweise gut entwickelt. Die Aufrechterhaltung und Ausweitung dieser Bemühungen wird bei der Szenarioplanung und der Politikentwicklung im Vorgriff auf den fortschreitenden Klimawandel und die damit verbundenen Auswirkungen von erheblichem Wert sein (150). Trotz der Unsicherheiten bezüglich der genauen Mechanismen, die großräumige abiotische und ökologische Dynamiken, z.B. in der Arktis, miteinander verknüpfen, sind bereits Forderungen nach multinationaler Zusammenarbeit und politischen Veränderungen in Erwartung weiterer Veränderungen laut geworden (25, 48, 151). Bestehende multinationale Abkommen bieten ermutigende Beispiele für die Art des Engagements und der Zusammenarbeit, die wahrscheinlich für die Abschwächung und Anpassung notwendig sind, wenn sich die Erde der Erwärmung um 2°C nähert.

Der Antarktis-Vertrag zum Beispiel wurde im Anschluss an das dritte IPY von 12 Nationen ausgearbeitet, die sich an der Forschung in der Region beteiligten, und seine Unterzeichner sind inzwischen auf 53 Nationen angewachsen. Zum Zeitpunkt seiner Formalisierung 1961 war der Vertrag ein Markenzeichen für geopolitische Friedensabkommen und wissenschaftliche Weitsicht, Offenheit und Zusammenarbeit. Die zunehmende Gefahr des Eindringens privater Schiffe und der Druck zur Ausbeutung der antarktischen Fischereien und Bodenschätze haben jedoch zu Forderungen nach Änderungen der Prozesse geführt, durch die der Vertrag geändert werden könnte (152). Obwohl eine kürzlich durchgeführte Analyse ergab, dass die meisten Themen, die während der jährlichen Konsultativtagungen des Antarktisvertrags (ATCM) zwischen 1998 und 2011 diskutiert wurden, sich auf Schutzgebiete, Umweltfragen und Tourismus konzentrierten, stellte sie auch fest, dass eine kleine Untergruppe der Unterzeichner des Vertrags den größten Einfluss auf die ATCM-Agenda ausübt (153).

Die Arktis erlebt eine Zunahme des Schiffsverkehrs, des Tourismus und der Gewinnung natürlicher Ressourcen, die durch den leichteren Zugang erleichtert und durch die globale Nachfrage vorangetrieben wird (48, 154). Das Interesse an kürzeren Routen und kürzeren Transitzeiten in den nächsten Jahrzehnten (151) hat zu Investitionen in die Infrastruktur und internationale Partnerschaften geführt (154). Diese Entwicklungen haben Überprüfungen bestehender Abkommen und Forschungspartnerschaften in der Arktis veranlasst, um deren Angemessenheit im Lichte der sich ändernden Bedingungen zu beurteilen. Kein umfassendes Abkommen wie der Antarktisvertrag deckt die Arktis ab. Es gibt jedoch mehrere einschlägige Verträge, Vereinbarungen und Kooperationen. Drei jüngste Beispiele für eine verstärkte internationale Zusammenarbeit sind (i) die Ministertreffen der arktischen Wissenschaftsminister in Washington, D.C. (im Jahr 2016) und in Berlin, Deutschland (im Jahr 2018), bei denen 26 Nationen und die Europäische Union ihre Anstrengungen bündeln, um Ressourcen und Kapazitäten für die arktische Wissenschaft zu bündeln; (ii) das Abkommen zur Verbesserung der internationalen wissenschaftlichen Zusammenarbeit in der Arktis, das unter der Schirmherrschaft des Arktischen Rates ausgehandelt wurde und 2018 in Kraft tritt; und (iii) das Abkommen zur Verhinderung unregulierter Hochseefischerei im zentralen Arktischen Ozean (155), ein seltenes Beispiel für die Anwendung des Vorsorgeprinzips. Angesichts der Tatsache, dass über die Meeresressourcen und den Zustand des Ökosystems der Region außerhalb der nationalen Gerichtsbarkeit der arktischen Staaten nur sehr wenig bekannt ist, wäre es unmöglich, eine kommerzielle Fischerei in dieser Region auf einer nachhaltigen Basis zu betreiben. Diese Entwicklungen sind ermutigend und spiegeln ein wachsendes Bewusstsein für die schnelle Veränderungsrate in der Arktis und die dringende Notwendigkeit wider, zu verstehen, wie sich diese Veränderungen auf die Region und die Welt auswirken.

Zum Abschluss des Vierten IPY wurden Synthesen veröffentlicht, in denen zu einer verstärkten internationalen, multidisziplinären Forschungszusammenarbeit aufgerufen wird, um die Aussichten für die Vorhersage und Milderung der Folgen der künftigen Erwärmung in den Polarregionen zu verbessern (118). Obwohl diese und andere Beispiele einige Fortschritte auf dem Weg zu diesem Ziel in den folgenden zehn Jahren zeigen, können die Nationen der Welt noch mehr tun, um gemeinsam eine sinnvolle wissenschaftliche Zusammenarbeit in den Polarregionen voranzutreiben. Wenn in den nächsten zwei bis vier Jahrzehnten keine Anstrengungen zur Eindämmung oder Reduzierung der Kohlenstoffemissionen unternommen werden, wird sich die Erwärmung, insbesondere in den nördlichen hohen Breiten, wahrscheinlich beschleunigen (1). Angesichts der Auswirkungen dieser Erwärmung ist es von wesentlicher Bedeutung, auch die Bemühungen zu beschleunigen, um die ökologischen, ökologischen und gesellschaftlichen Veränderungen, die sich aus der anhaltenden Erwärmung in den hohen Breiten ergeben werden, besser zu verstehen, sich darauf vorzubereiten und in der Lage zu sein, sie anzugehen.

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Acknowledgments: We thank H. Levy, R. Dunbar, and anonymous reviewers for helpful comments and discussion. Funding: Funding was provided by grants from the U.S. National Science Foundation (NSF OPP 1738934 to R.B.A., NSF OPP 1637708 to M.N.G. and R.A.V., and NSF OPP 1748052 and NSF OPP 1836774 to E.P.), the Academy of Finland (decision no. 256991) and JPI Climate (no. 291581) (to B.C.F), the National Geographic Society (CP-061R-17 to J.T.K.), the Natural Environment Research Council (NE/L011859/1 to M.M.-F.), the Swedish Research Council (2017-04515 to J.O.), the U.S. National Aeronautics and Space Administration (NASA grant NNX16AJ92G S03 to J.C.S.), and the Joint Institute for the Study of the Atmosphere and Ocean (JISAO) under the U.S. National Oceanographic and Atmospheric Administration (NOAA cooperative agreement NA15OAR4320063, contribution no. 2018-0181) and the NOAA Pacific Marine Environmental Laboratory (contribution no. 4900) (to M.W.). Author contributions: E.P conceived, outlined, and coordinated the review. All authors contributed to writing, discussion of content changes, and editing of previous drafts. Competing interests: The authors declare that they have no competing interests. Data and materials availability: All data needed to evaluate the conclusions in the paper are present in the paper and/or the Supplementary Materials. Additional data related to this paper may be requested from the authors.

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