Als führende Klimaforscher der Welt im Jahr 2007 ihre besten Schätzungen veröffentlichten, wie schnell die Meeresspiegel auf Grund der globalen Erwärmung steigen werden, ernteten sie einen Sturm der Empörung. Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) prognostizierte damals, dass der Anstieg bis zum Ende des Jahrhunderts zwischen 18 und 59 Zentimeter betragen werde – diese obere Grenze erschien einigen Wissenschaftlern viel zu niedrig unter anderem angesichts der Geschwindigkeit, mit der grönländisches Eis dahinschmolz. "Wir wurden heftigst kritisiert, unsere Schätzungen seien zu konservativ", erzählt Jerry Meehl vom US National Center for Atmospheric Research in Boulder und einer der Autoren des IPCC-Berichts von 2007 [1].

Das IPCC hatte zuvor einen deutlich größeren Anstieg vorhergesagt, musste dann jedoch in dem Bericht von 2007 einräumen, dass man nicht das gesamte Problem erfassen könne: Die Prognosen berücksichtigten daher nicht, was geschehen würde, wenn sich die Eisbedeckung von Grönland und der Antarktis womöglich rasch änderten. Denn die Autoren waren zu dem Schluss gekommen, solche Veränderungen seien mit dem damals verfügbaren Wissen und Modellen nicht vorherzusagen. Doch bereits 2009 zeigte sich, dass der Meeresspiegelanstieg die Prognosen von 2007 übertreffen würde [2].

Im Vorfeld des Ende September erscheinenden neuen IPCC-Berichs sagen Forscher nun, dass sie das Problem inzwischen besser fassen können. So prognostizierte ein im Juni durchgesickerter Entwurf einen deutlich höheren Anstieg – von womöglich bis zu knapp einem Meter bis zum Jahr 2100. Immer noch herrscht jedoch große Unsicherheit, wie schnell die Meeresspiegel steigen werden, wie sich das Muster der Anstiege global verteilt und wie hoch letztlich der Höchststand sein wird.

Wie schnell wird es gehen?

Stefan Rahmstorf vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung ist höchst unzufrieden mit den Standardverfahren, die den Meeresspiegelanstieg vorhersagen: prozessorientierte Modelle, die versuchen, das physikalische Verhalten jedes einzelnen beitragenden Faktors abzubilden. Ein Grund für seine Unzufriedenheit zeigte sich schon 2007: Als die Wissenschaftler alle bekannten Einzelprozesse zusammenfassten, konnten sie damit nur 60 Prozent des von 1961 bis 2003 tatsächlich beobachteten Anstiegs erklären. "Das Ganze war größer als die Summe seiner Teile", sagt John Church, Mitautor des Kapitels über den Meeresspiegelanstieg im kommenden IPCC-Bericht und Ozeanograf bei der Australian Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation in Hobart. Die beiden größten Einflussfaktoren – die Ausdehnung des sich erwärmenden Wassers und die Wasserzufuhr von abschmelzenden Gletschern – waren jeweils für etwa ein Viertel des gesamten Anstiegs verantwortlich. Ein kleines Plus lieferten noch die Eisschilde von Grönland und der Antarktis. Damit klaffte aber noch immer eine riesige Lücke.

Daher entschloss sich Rahmstorf, gänzlich andere Modelle zu entwickeln. Er sah sich den jährlichen Anstieg der Meeresspiegel seit den 1880er Jahren an und verknüpfte sie mit Daten zur Lufttemperatur der entsprechenden Zeiten. Dabei entdeckte er einen einfachen Zusammenhang: Je wärmer es wurde, desto schneller stiegen die Meeresspiegel. Im Jahr 2007, zu spät, um noch vom IPCC berücksichtigt zu werden, sagte sein Modell einen Anstieg der Meere um bis zu 1,4 Meter bis zum Jahr 2100 voraus – mehr als das Doppelte der IPCC-Schätzung.

"Semiempirische" Modelle wie dieses haben ihre Vorteile: Definitionsgemäß zeichnen sie den bisher beobachteten Anstieg genau nach, und es ist nicht notwendig, die dabei ablaufenden Prozesse bis ins Detail verstanden zu haben. Niemand weiß jedoch, wie lange die Korrelation, auf der die Modelle beruhen, wirklich bestehen bleibt, insbesondere wenn schmelzende Eismassen einen größeren Einfluss bekommen. Die Modelle "können für 50 Jahre taugen oder für 100. Wir wissen es nicht", so Rahmstorf.

Bei Vorhersagen ist die Wahl des Modells entscheidend. Prozessmodelle sagen eher einen Anstieg von weniger als einem Meter bis 2100 voraus, während die semiempirischen Modelle auf Werte von ein bis zwei Metern kommen – der höhere würde ausreichen, um 187 Millionen Menschen ihrer Häuser zu berauben. Diese oberen, semiempirischen Schätzungen werden höchst kontrovers diskutiert, und das IPCC bringt ihnen nur wenig Vertrauen entgegen. "Der einzige Vorteil dieser Modelle ist, dass sie leicht zu handhaben sind", meint Philippe Huybrechts von der Freien Universität in Brüssel: "Ich glaube, sie sind falsch."

Immer neue Modelle

Prozessmodelle haben seit 2007 große Fortschritte gemacht: dank neuer Erkenntnisse, wie viel Wärme beispielsweise in die Ozeane gelangt – wodurch sich das Wasser ausdehnt – und wie viel Grundwasser dorthin strömt als Folge des unstillbaren Durstes der Menschheit nach Trinkwasser, das aus dem Untergrund gepumpt wird. Modellierer können daher inzwischen den gesamten beobachteten Meeresspiegelanstieg erklären, insbesondere das Geschehen der letzten Jahrzehnte.

Das mündet jedoch nicht zwangsläufig in korrekte Vorhersagen. Jedermann räumt ein, dass es noch immer große Unsicherheiten bei prozessbasierten Prognosen gibt – insbesondere ist es immer noch weitestgehend unklar, wie sich die großen Eisschilde von Grönland und der Antarktis verhalten werden und ob sie schmelzen und katastrophenartig in die Ozeane strömen werden. Zusammengenommen würde ihr Schmelzwasser den Meeresspiegel im Extremfall auf lange Sicht um mehr als 65 Meter ansteigen lassen. Zum Vergleich: Die restlichen Gletscher und Eiskappen der Erde würden bei vollständigem Abschmelzen einen Anstieg von 0,4 Metern auslösen.

Trotz dieser Probleme hat das IPCC entschieden, Forscher hätten nun ausreichend gute Methoden, das Verhalten des Eises in Grönland und – mit etwas größerer Unsicherheit – in der Antarktis vorherzusagen, zumindest provisorisch, erklärt Don Chambers von der University of Texas in Austin. Die letzten Schätzungen addieren zwischen 3 und 21 Zentimeter zum prognostizierten Meeresspiegelanstieg bis 2100. Es seien jedoch auch zig Zentimeter mehr möglich, gemäß eines Entwurfs des letzten IPCC-Berichts.

Letztendlich wird es auf eine deutlich höhere Prognose hinauslaufen als 2007. Direkte Vergleiche sind schwierig, da der neueste Bericht auf anderen Zeiträumen und Emissionsszenarien beruht, doch der durchgesickerte Entwurf spricht von Schätzwerten zwischen 28 und 97 Zentimetern bis 2100. Damit liegt man immer noch unter den Prognosen der semiempirischen Modelle, doch auch die prozessbasierten Ergebnisse weisen stärker nach oben – und die Differenz wird geringer. "Ich betrachte das als eine Art Rehabilitation", sagt Rahmstorf.

Wie stark wird der Anstieg variieren?

Als Jeff Freymueller, Geophysiker an der University of Alaska Fairbanks vor mehr als einem Jahrzehnt die Bucht von Graves Harbor in Alaska besuchte, zeigten seine Meereskarten drei isolierte kleine Inseln; stattdessen fand er jedoch drei grasbewachsene Halbinseln mit Verbindung zum Festland. Ursache dafür ist, dass die Wasserspiegel in manchen Gegenden von Alaska sinken – um bis zu drei Zentimeter pro Jahr.

Denn der Boden dort hebt sich: eine langsame Ausgleichsbewegung, die mit dem Rückzug der Gletscher zum Ende der Eiszeit vor 10 000 Jahren einsetzte. Die schweren Eismassen hatten den Untergrund zuvor in den Erdmantel gedrückt. Und auch die Gravitation ist in den Ozeanen am Werk: Mit dem Rückzug lokaler Gletscher und dem Abschmelzen des grönländischen Eisschildes reduziert sich deren Massenanziehungskraft, weshalb mehr Wasser in Richtung Süden strömen kann.

Die lokalen Trends der Meeresspiegel können sich so erheblich vom globalen Durchschnitt – etwa 3,2 Millimeter pro Jahr – unterscheiden. "An manchen Orten steigt der Meeresspiegel zehnmal so schnell wie der Mittelwert", erklärt Jerry Mitrovica von der Harvard University.

Auf der einen Seite der Bilanz steht die Bewegung der Landmassen. Die kanadische Hudson Bay beispielsweise war einst unter einer drei Kilometer dicken Eisdecke begraben. Von dieser Last befreit, steigt das Land nun um etwa einen Zentimeter jährlich auf. Und während sich diese Region Nordamerikas hebt, geschieht im Süden das Gegenteil: Die US-amerikanische Ostküste sinkt pro Jahr um einige Millimeter.

Bodensenkungen führen andernorts zu noch weit stärkeren Abwärtsbewegungen: Das Verdichten von Flusssedimenten und Grundwasserentnahme sorgen dafür, dass sich das Delta des Gelben Flusses in China an manchen Stellen um bis zu 25 Zentimeter pro Jahr senkt [4].

Dazu kommt, dass die Ozeanpegel nicht überall auf der Welt gleichmäßig steigen. Luftdruck, Wind und Meeresströmungen können Wassermassen innerhalb eines Meeresbeckens in eine Richtung schieben: So beobachtet man beispielsweise an einem 1000 Kilometer breiten Streifen nördlich von Cape Hatteras in North Carolina an der US-amerikanischen Atlantikküste seit 1950 einen drei- bis vierfachen Anstieg der Meeresspiegel verglichen mit dem globalen Durchschnitt [5]. Zu einem großen Teil lässt sich dies auf eine Abschwächung des Golfstroms und des nordatlantischen Stroms zurückführen, die normalerweise dort Wasser von der Küste wegschaffen.

Und schließlich werden Wassermassen in der Nähe von großen Landflächen und Eis auf Grund der Massenanziehung regelrecht ans Ufer gezogen. Mit dem Schmelzen der Eisdecken schwindet auch diese Anziehung und verändert sich der Meeresspiegel. Beispiel Grönland: Wenn dort so viel Eis abschmelzen würde, dass der globale Meeresspiegel im Schnitt um einen Meter stiege, dann würden gleichzeitig die Wasserspiegel in der Nähe von Grönland auf Grund der geringeren Massenanziehung um 2,5 Meter sinken – und dafür andernorts um 1,3 Meter zunehmen.

Was bedeutet dies konkret für Küstenstädte?

Wissenschaftler und Ingenieure sind gerade erst dabei, all diese Einflussfaktoren in lokale Prognosen zu integrieren. Im Juni hatte das New York City Panel on Climate Change seine Schätzung für den Meeresspiegelanstieg nach Berücksichtigung dieser Massenanziehungseffekte angepasst [6]. Die Mitglieder des Panels kamen zu dem Schluss, dass sie bis 2050 einen Anstieg von 30 bis 60 Zentimeter erwarten. Sie benötigten sechs Monate, um die richtigen Daten aufzuspüren und einzubinden; ihre Erfahrungen sollten anderen Städten das Vorgehen erleichtern, meint Cynthia Rosenzweig vom NASA Goddard Institute for Space Studies in New York City.

Aimée Slangen, inzwischen Mitglied in der Arbeitsgruppe von John Church bei der Australian Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, hatte im vergangenen Jahr eine der ersten globalen Karten der regionalen Meeresspiegelanstiege erstellt, die all die genannten Faktoren einbezogen. Allerdings hatte sie noch eine sehr geringe Auflösung, mit Pixeln von mehr als 100 Kilometern Kantenlänge [7]. Wissenschaftler würden gern Vorhersagen auf Stadtniveau treffen, doch erschweren Schwankungen von Windmustern und Meeresströmungen im Verlauf von Jahrzehnten die Prognosen erheblich. Derartige Schwankungen vorherzusagen, sei "sehr problematisch", sagt Chambers.

Solche regionalen Zahlen sind aber nicht nur für jene wichtig, die lokale Vorhersagen machen wollen. Auch Wissenschaftler, die globale Effekte modellieren, sind daran interessiert. Für Letztere bedeuten die Zahlen ein paar gute Neuigkeiten: Veränderungen in der Massenanziehung auf Grund der Eisschmelze in der Antarktis könnten den befürchteten katastrophalen Kollaps des westantarktischen Eisschildes verhindern. Denn verliert die Antarktis Teile ihrer Eisdecke, werden die Meeresspiegel sinken – mit dem Effekt, dass einige der derzeit schwimmenden Eismassen auf dann trockenfallendem Untergrund zur Ruhe kämen. Solch fest aufliegendes Eis ist weniger anfällig für Schmelzprozesse als schwimmendes. "Das würde das Eisschild stabilisieren", meint Mitrovica.

Wie hoch werden die Meeresspiegel steigen?

"Die Meeresspiegel werden auch nach 2100 noch weiter steigen", sagt Church. "Daran denken viele Leute nicht." Aber es gibt keine Zweifel: Die Prognosen schwanken zwischen Zentimetern bis hin zu zig Metern.

In den letzten Jahren ist Maureen Raymo, Meeresgeologin am Lamont-Doherty Earth Observatory in Palisades, New York, durch diverse verlassene südafrikanische Diamantminen geklettert, hat australische Steinbrüche besucht und an der Ostküste von Nordamerika tiefe Hangeinschnitte entlang von Straßen inspiziert, immer auf der Suche nach Muscheln und anderen Überresten der einstigen Strände, die sich dort vor drei Millionen Jahren befanden. Sie versucht, die Meeresspiegel des Pliozäns zu rekonstruieren, denn damals lagen die Kohlendioxidkonzentrationen bei ähnlichen Werten wie heute: etwa 400 parts per million (ppm). Das sollte im Umkehrschluss einen Blick in die Zukunft ermöglichen: wie unsere Welt in einigen tausend Jahren aussehen könnte, wenn der Planet vollständig auf die heutigen Emissionen reagiert hat.

Derzeitige Schätzungen, um wie viel der Meeresspiegel im Pliozän höher lag, reichen von gering bis 40 Meter, erklärt Raymo. "Das ist wenig hilfreich", fügt sie hinzu. Die Differenz zwischen dem niedrigen und dem hohen Wert geht zurück auf die Frage, inwieweit das große ostantarktische Eisschild gefroren oder geschmolzen war. Das wiederum ist für Modellierer wichtig, die herauszufinden versuchen, ob und wie schnell Eisdecken in den nächsten Jahrhunderten kollabieren könnten.

Um das zu klären, reicht es allerdings nicht, die pliozänen Strände nur aufzuspüren: Es muss auch herausgefiltert werden, um wie viel sich die Landoberfläche seit dem bewegt hat – resultierend aus der Ausgleichsbewegung seit Ende der Eiszeit als auch auf Grund der ständigen Bewegungen des Erdmantels unter den Kontinenten. Um den Effekt dieser Prozesse über die Jahrmillionen abzuschätzen, greifen Forscher auf Modellvorstellungen zurück, welche Ausmaße die Eisbedeckung einst hatte und wie zäh der Erdmantel ist – Faktoren, die heftig diskutiert werden. "Heutige Modelle nehmen alle einen Viskositätswert an, der nicht zu überprüfen und höchst kontrovers ist und sich zudem zwischen einzelnen Gruppen unterscheidet", erklärt Raymo.

Die Bewegung im Erdmantel wirkt sich entscheidend auf die Rekonstruktion vergangener Ereignisse aus. Frühere Studien auf Bermuda und den Bahamas erbrachten beispielsweise für eine Warmzeit vor 400 000 Jahren eine um 20 Meter höhere Uferlinie als heute. Im Jahr 2012 jedoch berechneten Raymo und Mitrovica, wie sich der Untergrund dort bewegt hatte – und schlossen aus ihren Ergebnissen, dass die Hälfte des offensichtlichen Meeresspiegelanstiegs nicht auf mehr Wassermassen, sondern auf eine Senkung der Landoberfläche zurückging. Damit halbierte sich die Schätzung für den tatsächlichen Anstieg des Wasserspiegels.

Angesichts der großen Fehlerbalken besteht der einzige Weg zur Rekonstruktion pliozäner Meeresspiegel darin, möglichst viele Daten von möglichst vielen Orten zusammenzutragen und in die Berechnung einfließen zu lassen. Das Team um Raymo hat inzwischen tausende Kilometer Küste untersucht und so Hinweise von dutzenden Stränden erfasst. Acht weitere Orte und vielleicht weitere fünf Jahre brauche sie noch, um ihr Ziel zu erreichen, meint sie.

Doch was auch immer sie herausfinde: Das Ergebnis sei kein Worst-Case-Szenario, denn die Treibhausgaskonzentrationen haben längst die Werte aus Zeiten des Pliozäns überschritten. "Das eigentliche Worst-Case-Szenario ist, dass wir unsere Emissionen nicht einschränken", sagt sie. "Denn dann heißt es: 'Hallo Eozän'" – zurück in Verhältnisse ähnlich einer Warmzeit vor 55 Millionen Jahren, in der es womöglich nur Spuren von Eis an den Polen gab.

Ein Meeresspiegelanstieg von beinahe 70 Metern würde Florida und weite Teile Brasiliens überschwemmen und die Freiheitsstatue bis zum Bauch umspülen. Es könnte noch Jahrtausende dauern bis dahin – und damit der Menschheit genug Zeit einräumen, sich daran anzupassen. Selbst wenn das bedeutet, dem Meer weite Teile des Festlandes zu überlassen.

Der Artikel erschien unter dem Titel "Climate Science: Rising Tide" in Nature 501, S. 300-302, 2013.