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Forschung und Maßnahmen zum Klimawandel müssen über das Jahr 2100 hinausgehen

Publiziert: 24. September, 2021
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Kurzfassung

Anthropogene Aktivitäten verändern das Klima und die Ökosysteme der Erde in einer Weise, die für den Menschen potenziell gefährlich und störend ist. Die Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre steigen weiter an und sorgen dafür, dass diese Veränderungen noch Jahrhunderte nach dem Jahr 2100, dem derzeitigen Referenzwert für Projektionen, zu spüren sein werden. Die Auswirkungen vergangener, aktueller und potenzieller künftiger Emissionen nur bis zum Jahr 2100 abzuschätzen, ist daher kurzsichtig. Kritische Probleme für die Nahrungsmittelproduktion und die klimabedingte Migration von Menschen werden voraussichtlich weit vor 2100 auftreten und Fragen zur Bewohnbarkeit einiger Regionen der Erde nach der Jahrhundertwende aufwerfen. Um zu verdeutlichen, dass eine weitergehende Betrachtung des Horizonts notwendig ist, modellieren wir den Klimawandel bis zum Jahr 2500 unter einer Reihe von Emissionsszenarien und quantifizieren die damit verbundenen Projektionen für die Lebensfähigkeit von Nutzpflanzen und Hitzestress. Unsere Projektionen zeigen, dass die globalen Klimaauswirkungen nach 2100 ohne rasche Abhilfemaßnahmen erheblich zunehmen werden. Infolgedessen argumentieren wir, dass Projektionen des Klimas und seiner Auswirkungen auf das menschliche Wohlergehen und die damit verbundene Verwaltung und Politik über das Jahr 2100 hinaus reichen müssen.

EINLEITUNG

Als in den 1980er- und 1990er-Jahren erstmals Klimamodelle verwendet wurden, galt das Jahr 2100 als angemessen weit entfernter Horizont für Klimaprojektionen. Dieses Jahr ist jedoch nur noch eine menschliche Lebensspanne entfernt, und die Möglichkeiten, die Emissionen im Einklang mit dem Pariser Abkommen zu reduzieren, schwinden (IPCC, 2018). Anthropogene Aktivitäten verändern die atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen bereits mit einer Geschwindigkeit, die im Allgemeinen die aus den Erdarchiven bekannten Werte übersteigt (Burke et al., 2018; Kemp et al., 2015; Zeebe et al., 2016), und führen zu Veränderungen, die für Menschen und Ökosysteme schädlich sind (Ford et al., 2019; IPBES, 2019; Pascale et al., 2020). Die Gewinnung von Erkenntnissen über die anthropogenen Auswirkungen auf das Erdsystem, das die menschliche Existenz unterstützt, ist daher von entscheidender Bedeutung für die Gestaltung von Governance- und Politikstrukturen, die diese Auswirkungen abmildern können, die voraussichtlich weit über das Jahr 2100 hinaus anhalten werden (Riahi et al., 2017).

Seit 1990 haben die drei Arbeitsgruppen des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) regelmäßig Sachstandsberichte erstellt, von denen der sechste 2021-2022 veröffentlicht werden soll. Von zentraler Bedeutung für künftige Klimaprojektionen sind sozioökonomische Szenarien, einschließlich Schätzungen des künftigen Verbrauchs fossiler Brennstoffe, Landnutzungsänderungen, industrieller Aktivitäten und der damit verbundenen Emissionen von Treibhausgasen und kurzlebigen Schadstoffen (Riahi et al., 2017).

Die für den Fünften Sachstandsbericht des IPCC (AR5) erstellten Kernszenarien wurden als repräsentative Konzentrationspfade (Representative Concentration Pathways, RCPs) bezeichnet und umfassten vier Emissionspfade. Die RCPs reichten von einer globalen Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und dem Erreichen eines Netto-negativen CO2-Ausstoßes noch in diesem Jahrhundert (RCP 2.6) bis hin zu einem Szenario mit hohen Emissionen, das erhebliche neue Investitionen in fossile Brennstoffe und einen Mangel an globaler Klimapolitik und Governance beinhaltete (RCP8.5) (van Vuuren et al., 2011). Die neueren Shared Socio-Economic Pathways (SSPs) umfassen fünf Entwicklungs-“Storylines”, die Emissionsszenarien erfassen und sie mit sozioökonomischen Szenarien verbinden (O’Neill et al., 2020; Pedde et al., 2020; Riahi et al., 2017). Der primäre Zeithorizont sowohl für RCP- als auch für SSP-Szenarien ist das Jahr 2100.

Inzwischen ist jedoch klar, dass der Klimawandel ohne eine tiefgreifende und rasche Verringerung der Treibhausgasemissionen noch Jahrhunderte in der Zukunft anhalten wird. Es gibt zwar Bemühungen, die Projektionen über das Jahr 2100 hinaus zu verlängern, doch sind diese begrenzt. So werden beispielsweise für jedes RCP-Szenario im CMIP5 Emissions- und Treibhausgaskonzentrationsprojektionen bis zum Jahr 2300 erstellt, die von Meinhausen et al. (2011) bis zum Jahr 2500 verlängert wurden. Ähnliche langfristige Projektionen bis 2500 gibt es für Shared Socioeconomic Pathways (SSPs) in CMIP6 (Meinshausen et al., 2020). Allerdings sind keine komplexen Klimamodellergebnisse von CMIP5 oder CMIP6 über das Jahr 2300 hinaus verfügbar. Obwohl mehrere CMIP5-Modelle Projektionen bis zum Jahr 2300 durchgeführt haben, haben dies derzeit nur sehr wenige CMIP6-Modelle getan, so dass der Sechste Sachstandsbericht des IPCC längerfristige Projektionen hauptsächlich auf einfachere Modelle stützt (Lee et al., 2021). Tatsächlich haben viele Studien, die sich auf Zeithorizonte nach 2100 konzentrieren, Erdsystemmodelle mit reduzierter Komplexität oder mittlerer Komplexität verwendet (Goodwin et al., 2018; Palmer et al., 2020; Zickfeld et al., 2013), was zum einen an den zusätzlichen Rechenkosten für Modelle nach 2100 und zum anderen an der geringen Anzahl von Erdsystemmodellen liegt, die diese Experimente durchgeführt haben. Vielleicht noch kritischer ist, dass sich die Modellierung nach 2100 derzeit nicht auf die Projektion von Aspekten der Ökosystemleistungen konzentriert, die für das menschliche Wohlergehen von Bedeutung sind, wie z. B. nutzbares Land, das nicht durch den Anstieg des Meeresspiegels überflutet wird (Clark et al., 2016), bewohnbare Temperaturen (Schwingshackl et al., 2021), Veränderungen in der Landwirtschaft (Müller et al., 2021) und die Verfügbarkeit von Süßwasser (John et al., 2021).

Kurz gesagt, obwohl seit den ersten Klimaprojektionen 50 Jahre vergangen sind (Forster, 2017), liegt unser Zeithorizont für gekoppelte Klimaprojektionen nach wie vor hauptsächlich bei 2100 (siehe jedoch z. B. Goodwin et al., 2018; Palmer et al., 2020; Zickfeld et al., 2013). Wir argumentieren daher, dass Klima- und Sozialprojektionen über das Jahr 2100 hinaus mehr zur Routine werden müssen (Pearson, 2020; van Renssen, 2019). Um unsere Argumente darzulegen, präsentieren wir Klimaprojektionen, die bis zum Jahr 2500 unter drei Emissionsszenarien modelliert wurden, die eine starke, moderate und schwache globale Klimapolitik darstellen (RCP2.6, RCP4.5 und RCP6.0). Wir untersuchen die Lebensfähigkeit von Nutzpflanzen und den Hitzestress nach 2100, um die Notwendigkeit einer sozioökonomischen Planung auf Zeitskalen jenseits der nächsten 80 Jahre zu verdeutlichen, und schlagen einen sozialpolitischen Ansatz vor, der die längerfristige Klimadynamik berücksichtigt. Unsere Modellierungsübungen bieten einen ersten Rahmen und eine Grundlage für die Bewertung der längerfristigen anthropogenen Auswirkungen auf das Klima und die Erdsysteme und zeigen den Bedarf an weiteren Arbeiten in diesem Bereich auf.

KLIMAPROJEKTIONEN UND VEGETATION NACH 2100

Die Ergebnisse unserer vorläufigen Klimaprojektionen (SI Methoden) auf der Grundlage des gekoppelten HadCM3-Klimamodells für Atmosphäre und Ozean (Gordon et al., 2000) in Kombination mit dem dynamischen Landoberflächenmodell TRIFFID (Cox, 2001) zeigen deutlich, dass die Auswirkungen des Klimawandels nach 2100 quantifiziert werden müssen. So steigt die globale Mitteltemperatur nach 2100 bei allen Szenarien mit Ausnahme des emissionsarmen RCP2.6-Szenarios weiter an. Beim Szenario mit mäßig hohen RCP6.0-Emissionen (ein realistisches Szenario mit geringen Minderungsmaßnahmen; Hausfather & Peters, 2020) liegt die globale Mitteltemperatur bis 2100 um 2,2 °C über dem heutigen Niveau (Abbildung 1, Abbildung S1), steigt aber bis 2200 auf 3,6 °C und bis 2500 auf 4,6 °C an. Die Erwärmung ist ungleichmäßig verteilt, mit einer stärkeren Erwärmung über der Landoberfläche und in den Polarregionen (Abbildung 1).

ABBILDUNG 1
Oberes Feld: Anomalien der globalen mittleren bodennahen Lufttemperatur (durchgezogene Linien) und des thermostatischen Meeresspiegelanstiegs (gepunktete Linien) im Vergleich zum Mittelwert 2000-2019 für die Szenarien RCP6.0, RCP4.5 und RCP2.6. Die schattierten Regionen markieren die interessierenden Zeithorizonte und ihre nominalen Referenzjahre: 2020 (Mittelwert von 2000-19, repräsentativ für das heutige Klima); 2100 (2080-99); 2200 (2180-99); und 2500 (2480-2499). Die Kreuze zeigen die Erwärmungsprojektionen der CMIP5-Modelle für 2280-2299 im Vergleich zu 2000-19. Unteres Feld: Räumliche Anomalien relativ zum Mittelwert 2000-2019 für die Klimazonen 2100, 2200 und 2500 unter den drei RCPs

Unsere Projektionen stimmen gut mit früheren Bewertungen der Erwärmung nach 2100 überein. Die RCP-Projektionen liegen innerhalb des Bereichs der Projektionen der verfügbaren CMIP5-Modelle bis 2300 (Kreuze in Abbildung 1). Der jüngste Sechste IPCC-Bewertungsbericht, der sich hauptsächlich auf das Klimamodell MAGICC7 mit reduzierter Komplexität stützt, schätzt die wahrscheinliche Erwärmung im Jahr 2300 auf 1,3 bis 3,6°C über 2000-2019 unter SSP2-4.5 (ein ähnliches Szenario wie RCP4.5) und 0,0 bis 1,2°C über 2000-19 unter SSP1-2.6 (ein ähnliches Szenario wie RCP2.6), was unsere Projektionen problemlos einschließt (Lee et al., 2021). Es ist zu beachten, dass die Projektionen des Sechsten Sachstandsberichts des IPCC aus Tabelle 4.9 in Lee et al. (2021) stammen, die sich auf den Zeitraum 1850-1900 beziehen, und dass von diesen Werten 1,0°C abgezogen wird, um die Erwärmung von 1850-1900 bis 2000-2019 darzustellen (Gulev et al., 2021).

Die höheren Emissionsszenarien (RCP4.5 und 6.0) führen zu einer umfassenden Umstrukturierung der weltweiten Biome bis zum Jahr 2500. HadCM3 prognostiziert beispielsweise ein starkes Absterben des Amazonas-Regenwaldes unter RCP6.0 und RCP4.5 bis zum Jahr 2500 (Abbildung 2), was mit früheren Untersuchungen übereinstimmt, die dasselbe Modell unter einem Szenario mit hohen Emissionen verwendeten (Huntingford et al., 2008). Im Gegensatz dazu erreicht das Szenario mit niedrigen Emissionen (RCP2.6) den Höhepunkt der Erwärmung in diesem Jahrhundert (Abbildung 1) mit einer Stabilisierung der globalen Mitteltemperatur von nur 0,5 °C über dem Mittelwert von 2000-2019 und begrenzten langfristigen Verschiebungen in der globalen Vegetation (Abbildung S2). Der Meeresspiegel steigt jedoch selbst im RCP2.6-Szenario noch lange nach der Stabilisierung der Erwärmung weiter an (Palmer et al., 2018, 2020), was auf die langsame fortgesetzte Durchmischung der Wärme in die Tiefsee zurückzuführen ist (Oppenheimer et al., 2019) (Abbildung 1; Tabelle 1). Die langfristigen Auswirkungen der Emissionen des 21. Jahrhunderts werden daher wahrscheinlich noch jahrhundertelang zu spüren sein, auch nachdem die Treibhausgaskonzentrationen ein Gleichgewicht erreicht haben (2150 für RCP4.5 und RCP6.0).

ABBILDUNG 2
Klimatische Indizes für die drei Fallstudienregionen unter dem RCP6.0-Szenario in HadCM3. Monatliche Mitteltemperaturen (°C; linke Achse) und Niederschlag (mm/Tag; rechte Achse) in (a) dem Mittleren Westen der USA, (b) dem Amazonas und (c) dem indischen Subkontinent. Landbedeckungsanteile aus dem dynamischen TRIFFID-Vegetationsmodell in (d) dem Mittleren Westen der USA, (e) Amazonien und (f) dem indischen Subkontinent

TABELLE 1. Berechneter Beitrag zum Meeresspiegelanstieg (Meter) durch die Durchmischung der Wärme in der Tiefsee im Jahr 2100, 2200 und 2500 unter drei RCP-Szenarien

HITZESTRESS UND MENSCHLICHES WOHLBEFINDEN NACH 2100

Hitzestress kann für den Menschen tödlich sein, wenn die Feuchtkugeltemperatur sechs oder mehr Stunden lang 35 °C übersteigt (Buzan & Huber, 2020; Sherwood & Huber, 2010). Physiologisch fitte Menschen können höhere Trockenlufttemperaturen tolerieren, aber solche Temperaturen können dennoch zu hohen Sterblichkeitsraten führen (Diniz et al., 2020; Varghese et al., 2020). Diese Bedingungen verursachen auch Schäden an kritischen Infrastrukturen, auf die die Menschen angewiesen sind, wie Elektrizität (Burillo et al., 2019), Transport (Villalba Sanchis et al., 2020) und Landwirtschaft (Anderson et al., 2020; Mehrabi, 2020). Es gibt zwar mehrere Prognosen (Schwingshackl et al., 2021) für regionalen Hitzestress (Im et al., 2017; Li et al., 2020; Pal & Eltahir, 2016), aber nur wenige Studien prognostizieren globale Muster (Buzan & Huber, 2020; Mora et al., 2017; Schwingshackl et al., 2021), und keine davon geht über das Jahr 2100 hinaus.

Wir schätzen die Veränderungen der Hitzebelastung bis zum Jahr 2500 anhand des Universellen Thermischen Klimaindex (UTCI) (Błażejczyk et al., 2013; Jendritzky et al., 2012). Der UTCI ist ein Maß für Hitzestress, das sowohl tödliche als auch physiologisch belastende Temperaturen auf einer °C-Skala umfasst und die Auswirkungen der klimatischen Bedingungen auf das physiologische Wohlbefinden des Menschen unter Berücksichtigung von Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Sonnen- und Wärmestrahlung sowie Windgeschwindigkeit angibt.

Unser UTCI-Maß liefert eine Schätzung der Hitzestresswerte, die für tägliche Werte nahe dem Maximum repräsentativ sind (SI Methoden; Abbildung S3). Die Regionen, in denen heute sehr starke Hitzeperioden auftreten, sind in der Regel Wüsten, aber auch der indische Subkontinent und der Südosten der USA sind während eines Teils des Jahres betroffen (Abbildung 3). Unter den Szenarien RCP4.5 und RCP6.0 werden in Zukunft größere Teile der Erde von starkem Hitzestress betroffen sein, wobei sich die betroffenen Gebiete bis zum Ende des Jahrhunderts auf gemäßigtere Zonen wie den Mittelmeerraum ausweiten werden.

ABBILDUNG 3
Mittlere Anzahl von Monaten pro Jahr, in denen der UTCI, ein Maß für Hitzestress, ein “sehr starkes” Niveau (38°C auf der UTCI-Skala) im heutigen (2020) und zukünftigen Klima in drei RCP-Szenarien überschreitet

Bis zum Jahr 2500 beträgt der Anteil des Jahres mit sehr starker Hitzebelastung unter RCP6.0 in weiten Teilen Afrikas, im Amazonasgebiet, auf der Arabischen Halbinsel, in Südostasien, auf dem maritimen Kontinent und in Nordaustralien mehr als 50 %. Im Gegensatz dazu erleben diese Regionen heute dieses Ausmaß an Hitzestress zwischen 0 % (maritimer Kontinent) und 25 % (arabische Halbinsel) des Jahres. Viele dieser Regionen sind im RCP4.5 in diesem Zeitrahmen nur geringfügig weniger betroffen. Im Gegensatz dazu verschlechtern sich die Hitzestressprognosen nach 2100 im RCP2.6 nicht wesentlich, was die langfristigen Vorteile des Klimaschutzes zeigt (Abbildung 3).

HERAUSFORDERUNGEN FÜR DIE LANDWIRTSCHAFT NACH 2100

Die Auswirkungen des Klimas auf die Landwirtschaft sind ein wichtiger Forschungsbereich, der die Anpassung von Nutzpflanzen, Migration und Nahrungsmittelproduktion umfasst (Anderson et al., 2020; Mehrabi, 2020; Stringer et al., 2020). Klimabedingte Migration von Nutzpflanzen und Ertragsminderungen wurden bereits beobachtet (Moore, 2020; Sloat et al., 2020; Zhang et al., 2017) und für die Zukunft prognostiziert (Ceglar et al., 2019; King et al., 2018), werden aber in der Regel nicht über das Jahr 2100 hinaus untersucht (Tigchelaar et al., 2018). Unter Verwendung unserer Klimaprojektionen und der Crop Ecological Requirements Database (Ecocrop) der FAO (Food and Agriculture Organization (FAO), 2016) modellieren wir, wie sich der Klimawandel über das Jahr 2100 hinaus auf die globale Ausdehnung und Lage geeigneter Flächen für das Wachstum von 10 wichtigen Nahrungspflanzen (Food and Agriculture Organization, 2016) auswirken könnte: Maniok, Mais, Kartoffel, Reis, Sorghum, Sojabohnen, Süßkartoffel, Taro, Weizen und Yam (SI Methoden). Unsere Untersuchungen berücksichtigen nur die Auswirkungen von Niederschlag und Temperatur auf die Lebensfähigkeit von Nutzpflanzen und bieten ein Grundgerüst für die Integration anspruchsvollerer Maßnahmen zum Wachstum von Nutzpflanzen im Rahmen von Projektionen für längerfristige Klimabedingungen (z. B. durch einen Ensemble-Modellierungsansatz, siehe https://www.isimip.org). Wir haben zum Beispiel nicht berücksichtigt, wie technologische und pflanzliche Innovationen und veränderte Landnutzungsnormen die Lebensfähigkeitsmuster verändern können, noch haben wir Faktoren wie Bodentiefe, Bodentextur, organische Bodensubstanz, pH-Wert des Bodens, Nährstoffverfügbarkeit, biotische Symbionten, Tierhaltung, Bestäuber, Schädlinge und Krankheiten berücksichtigt – alles Faktoren, die die Modellprojektionen sicherlich verbessern würden. Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Landwirtschaft werden auch ohne Berücksichtigung der mit dem Klimawandel einhergehenden Veränderungen in der Hydrologie prognostiziert; die Lebensfähigkeit der Kulturen wird durch Bewässerungssysteme und das Eindringen von Meerwasser in Küstenregionen beeinträchtigt.

Unsere Analysen deuten darauf hin, dass mit dem Klimawandel die Zahl der geeigneten Wachstumsregionen abnimmt und sich die Anbauflächen für Nutzpflanzen weltweit verschieben (Abbildung 4). Bis zum Jahr 2100 prognostizieren wir unter RCP6.0 einen Rückgang der für das Pflanzenwachstum geeigneten Landfläche um 2,3 % (±6,1 %) für tropische Grundnahrungsmittel (Maniok, Reis, Süßkartoffel, Sorghum, Taro und Yam) und um 10,9 % (±24,2 %) für stabile Pflanzen der gemäßigten Zonen (Kartoffel, Sojabohne, Weizen und Mais), gemittelt über die Kalibrierungen der Pflanzenwachstumslängen (Abbildung 4; Tabelle S1, siehe auch Abbildungen S4-S12 für weitere RCP-Szenarien). Bis zum Jahr 2500 wird ein Rückgang der für das Pflanzenwachstum geeigneten Regionen auf 14,9 % (±16,5 %) bzw. 18,3 % (±35,4 %) für tropische und gemäßigte Kulturen prognostiziert (Abbildung 4; Tabelle S2). Diese Veränderungen bedeuten einen zusätzlichen sechsfachen Rückgang bei den gemäßigten Kulturen und fast eine Verdoppelung des Rückgangs bei den tropischen Kulturen zwischen 2100 und 2500. Im Gegensatz dazu wird bei Annahme einer Abschwächung des Klimawandels unter RCP2.6 bis zum Jahr 2500 ein Rückgang von nur 2,9 % (±13,5 %) für gemäßigte Kulturen und ein Anstieg von 2,9 % (±3,8 %) für tropische Kulturen prognostiziert.

ABBILDUNG 4
Projektionen für die Pflanzeneignung bis 2100 und 2500 unter dem moderat-hohen RCP6.0-Emissionsszenario. Die Modellierung basierte auf Temperatur- und Niederschlagsanforderungen, die von der FAO (Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation (FAO), 2016) abgeleitet wurden, wobei die Länge des Pflanzenwachstums an die Karten kalibriert wurde (Monfreda et al., 2008) (siehe SI-Methoden). (a) Geeignete Regionen für ausgewählte Kulturpflanzen, projiziert bis 2100 und 2500. (b) Projizierte Veränderungen der für das Pflanzenwachstum geeigneten Fläche weltweit im Vergleich zur vorindustriellen Zeit (1851-1899). (c) Projizierte Veränderungen der Breitengrade, auf denen Nutzpflanzen in der nördlichen Hemisphäre angebaut werden können, im Vergleich zur vorindustriellen Zeit (1851-1899). Die Analysen stützen sich auf den Breitenschwerpunkt der geeigneten Anbauregionen. Cass. = Cassava und Sorg. = Sorghum

Rückgänge in den für das Pflanzenwachstum geeigneten Regionen sind das vorherrschende Muster, das unter den zukünftigen Emissionsszenarien projiziert wird, aber bei den kulturspezifischen Reaktionen gibt es erhebliche Unterschiede (siehe die hohen Standardabweichungen oben und Abbildung 4). Weizen, Kartoffeln und Maniok werden den Projektionen zufolge bis zum Jahr 2500 (Abbildung 4; Tabelle S2) unter RCP6.0 bei allen Kalibrierungen des Pflanzenwachstums die größte Fläche für das Pflanzenwachstum verlieren. Umgekehrt sind Sojabohnen und Mais die einzigen Nutzpflanzen, für die unter RCP6.0 bis zum Jahr 2500 über alle Kalibrierungen des Pflanzenwachstums hinweg durchgängig eine Beibehaltung oder Vergrößerung der geeigneten Fläche projiziert wird (Abbildung 4; Tabelle S2).

Signifikante Veränderungen werden auch bei den Standorten für das Wachstum von Grundnahrungsmitteln prognostiziert. Für beide Hemisphären wird eine Verschiebung geeigneter Regionen in Richtung der Pole projiziert, wobei für die nördliche Hemisphäre größere Verschiebungen prognostiziert werden (Abbildung 4; Datensatz S1).

Diese Breitengradverschiebungen und die Verringerung der für den Anbau von Nutzpflanzen geeigneten Flächen in den Jahrhunderten nach 2100 werden in den bestehenden Modellen zur Vorhersage der Nahrungsmittelproduktion für künftige Generationen nicht berücksichtigt. Die Auswirkungen dieser potenziellen Veränderungen können durch Veränderungen in der menschlichen Bevölkerung noch verstärkt werden. Derzeitige Bevölkerungsprognosen deuten darauf hin, dass die Zahl der Menschen bis zum Jahr 2100 zwischen 7 und 16 Milliarden liegen könnte (Crist et al., 2017; Kc & Lutz, 2017), was die Modelle, die von einer zunehmenden Verknappung der Nahrungsmittelressourcen ausgehen, zusätzlich belastet und die Dringlichkeit der Auseinandersetzung mit Fragen der Bevölkerung und der Ernährungssicherheit unterstreicht (Aguiar et al., 2020; Bodirsky et al., 2015; Mehrabi et al., 2018; Mosby et al., 2020).

REGIONALE FALLSTUDIEN

Die von uns projizierten Veränderungen werden wahrscheinlich tiefgreifende Auswirkungen auf die natürliche Vegetation und die menschliche Gesellschaft haben, indem sie die Verteilung der tolerierbaren Umgebungen und die Durchführbarkeit der Landwirtschaft verändern. Um die potenziellen Auswirkungen dieser Veränderungen auf das menschliche Wohlergehen zu erforschen, heben wir standortspezifische Projektionen für drei Regionen (Abbildung S13) von globaler Bedeutung unter RCP6.0 hervor: die nordamerikanische “Kornkammer”, die Kohlenstoffsenke Amazonasbecken und der dicht besiedelte indische Subkontinent. Wir nutzen unsere Ergebnisse für künstlerische Interpretationen dieser Regionen, um die tiefgreifenden Veränderungen hervorzuheben, denen sie unter einem plausiblen Szenario mit mittleren bis hohen Emissionen (RCP6.0) (Hausfather & Peters, 2020) nach 2100 ausgesetzt sein könnten (Kasten 1). Die Ergebnisse für weitere RCP-Szenarien sind in den Abbildungen S14 und S15 dargestellt.

KASTEN 1: Künstlerischer Vergleich der potenziellen Veränderungen regionaler Landschaften und menschlicher Aktivitäten zwischen 2020 und 2500 unter RCP6.0. Drei Bildpaare veranschaulichen das potenzielle Ausmaß der regionalen Veränderungen unter RCP6.0 (Abbildung 2). Obwohl die Technologie im Jahr 2500 im Wesentlichen unbekannt ist, haben wir den technologischen Fortschritt für die Zwecke des Vergleichs zwischen 2020 und 2500 begrenzt.

Kornkammer des Mittleren Westens der USA (a) 2020 und (b) 2500 unter dem Szenario RCP6.0. Charakterisierung des “Brotkorb”-Gebiets im Mittleren Westen der USA heute und im Jahr 2500. Im Jahr 2500 könnte monokulturelles Getreide durch eine subtropische Agroforstwirtschaft mit fiktiven Pflanzen (auf der Grundlage von Ölpalmen und Sukkulenten der ariden Zone) ersetzt werden. Zwischen den Pflanzen sind mögliche zukünftige Wasserauffang- und Bewässerungssysteme zu erkennen, die die Auswirkungen der extremen Sommerhitze ausgleichen.

Amazonas (c) 2020 und (d) 2500 unter dem Szenario RCP6.0. Eine Charakterisierung des Amazonas heute und im Jahr 2500. Im Jahr 2500 könnte die Waldbedeckung weitgehend verschwunden sein, und der Wasserstand an der Oberfläche könnte sinken. Die Anwesenheit des Menschen und die Infrastruktur könnten angesichts der hohen Temperaturen und des Wasserstresses minimal sein, sich verschlechtern oder ganz fehlen.

Indischer Subkontinent (e) 2020 und (f) 2500 unter dem Szenario RCP6.0. Eine Charakterisierung Indiens in der Gegenwart und im Jahr 2500. Wir veranschaulichen eine konservative Sichtweise potenzieller menschlicher Anpassungen auf der Grundlage ähnlicher Technologien von heute und aus der Science-Fiction (Elson, 2016; Smith, 2008). Extreme Hitze könnte bei Aktivitäten im Freien persönliche Schutzkleidung erfordern – in diesem hypothetischen Fall einen abgedichteten Helm und einen Anzug, der Wasser und Kühlmittel um den Körper leitet. Die Freilandlandwirtschaft im Jahr 2500 könnte durch automatisierte Drohnenmaschinen gesteuert werden.


Nordamerikanischer Mittlerer Westen

Die inneren Ebenen des amerikanischen “Mittleren Westens” sind eine globale Kornkammer. Heute ist der Mittlere Westen von kalten Wintern und warmen Sommern geprägt (Angel et al., 2018). Unter RCP6.0 steigen die mittleren Sommertemperaturen von heute 28°C auf 33°C bis 2100 und 36°C bis 2500 (Abbildung 2). Der Hitzestress (gemessen mit dem UTCI) steigt im Einklang mit der Umgebungstemperatur: 34,8°C im wärmsten Monat heute, 39,8°C im Jahr 2100, 42,9°C im Jahr 2200 und 44,9°C im Jahr 2500. Mit einer Definition von “sehr starkem Hitzestress” bei UTCI >38°C (Błażejczyk et al., 2013) nähert sich ein solches saisonales Klima Werten, die für Menschen und viele andere Arten physisch belastend sind.

Amazonasbecken

Das Amazonasbecken beherbergt ein Drittel der bekannten Arten der Erde (Heckenberger et al., 2007) und dient derzeit als Kohlenstoffsenke für etwa 7 % der anthropogenen CO2-Emissionen (Brienen et al., 2015; Friedlingstein et al., 2019) (Abbildung S13). Die Region ist auch kulturell und sprachlich vielfältig und beherbergt mehr als 350 indigene Sprachen (Aikhenvald, 2015). Unsere Modellierung deutet darauf hin, dass steigende Temperaturen und gestörte Niederschlagsmuster das Amazonasbecken bis zum Jahr 2500 für tropische Regenwälder ungeeignet machen werden (Abbildung 2, Kasten 1), was Folgen für den globalen Kohlenstoffkreislauf, die Biodiversität und die kulturelle Vielfalt haben wird. Der anfängliche Rückgang der Waldbedeckung in dem Modell führt zu einer positiven Rückkopplung aus verringerter Transpiration, weiter verringerten Niederschlägen und weiterem Rückzug der Wälder. Das HadCM3-Klimamodell zeigt diese Rückkopplung stärker als die meisten Klimamodelle, insbesondere im Amazonasbecken (Poulter et al., 2010; Sitch et al., 2008), hat aber dennoch eine plausible Empfindlichkeit (Cowling et al., 2004). Das Modell HadCM3 projiziert einen begrenzten Rückzug des Amazonas-Regenwaldes bis 2100, aber in den folgenden Jahrhunderten verstärken Rückkopplungen zum Waldsterben den Waldverlust, und hohe Temperaturen und geringe Niederschläge (Abbildung S16) führen in den meisten Teilen des Amazonasbeckens zu einer kahlen Umwelt (Boulton et al., 2017). Die Waldbedeckung im Amazonasbecken sinkt von 71 % in der Gegenwart auf 63 % im Jahr 2100, 42 % im Jahr 2200 und 15 % im Jahr 2500. Das neuere HadGEM2-ES-Modell zeigt ebenfalls ein Absterben des Amazonas (wenn auch weniger stark), mit sich frei entwickelnder Vegetation, wenn es bis 2300 n. Chr. unter einem Szenario mit hohen Emissionen läuft (Drijfhout et al., 2015).

Indischer Subkontinent

Der indische Subkontinent ist eine der bevölkerungsreichsten Regionen der Erde (Abbildung S13). In der Region herrschen bereits extreme klimatische Bedingungen, und allein zwischen 2013 und 2015 wurden Tausende von hitzestressbedingten Todesfällen verzeichnet (Mazdiyasni et al., 2017). Unsere Modellierung deutet darauf hin, dass die monatlichen Durchschnittstemperaturen im Sommer bis zum Jahr 2100 um 2 °C und bis zum Jahr 2500 um 4 °C ansteigen könnten, was darauf hindeutet, dass der indische Subkontinent noch stärkerem Hitzestress ausgesetzt sein wird als für das Jahr 2100 prognostiziert (Im et al., 2017) (Abbildung 2; Kasten 1). Das dynamische Landvegetationsmodell projiziert eine Ausdehnung der Tropenwälder auf dem indischen Subkontinent bis zum Jahr 2500. Die Monsunregenfälle werden den Projektionen zufolge in Zukunft erheblich zunehmen und unter RCP6.0 bis zum Jahr 2500 das Doppelte der heutigen Niederschlagsmenge erreichen. Umgekehrt sind die Klima- und Hitzestressprognosen für das Jahr 2500 unter dem RCP2.6-Minderungsszenario ähnlich wie heute, was die Auswirkungen einer frühzeitigen Reduzierung der Treibhausgasemissionen zeigt.

VORSCHLÄGE FÜR DIE GOVERNANCE BEI LANGEN ZEITHORIZONTEN

Menschliche Aktivitäten haben bereits eine Erwärmung von ~1 °C über den durchschnittlichen globalen vorindustriellen Werten verursacht (IPCC, 2018). Die globalen Durchschnittstemperaturen werden weiter ansteigen, bis der Punkt erreicht ist, an dem die CO2-Emissionen netto null sind (Allen et al., 2009; Matthews et al., 2009; Rogelj et al., 2019). Eine Rückkehr zu einem vorindustriellen Klima ist nicht möglich, ohne entweder überschüssige Treibhausgase aus der Atmosphäre zu entfernen oder ein nachhaltiges Geo-Engineering-Programm durchzuführen (Carton et al., 2020). Angesichts des Versagens der Governance im Bereich der Technologien für negative Emissionen erscheinen solche Bemühungen unwahrscheinlich (Carton et al., 2020; McLaren & Markusson, 2020; Stevenson, 2021). Daher argumentieren wir, dass eine längerfristige Perspektive nach 2100 entscheidend ist, um das Ausmaß des Klimawandels auf die Erdsysteme und das menschliche Wohlbefinden zu beurteilen (van der Geest & Warner, 2020).

Unsere Projektionen zu Klima, Hitzestress und Landwirtschaft decken sich mit Arbeiten, die darauf hindeuten, dass das Klima zunehmend die globale und regionale Ausbreitung des Menschen vorantreibt (Burke et al., 2021; Chen & Caldeira, 2020), insbesondere aus den hitzegestressten Tropen, wo die Bewohnbarkeit und die Anbaueignung eingeschränkt sein könnten. Das Ausmaß der Veränderungen, die wir für die kommenden Jahrhunderte prognostizieren, insbesondere unter den RCPs 4.5 und 6.0, wird daher kooperativere und kollaborativere Ansätze für die globale Mobilität erforderlich machen, um eine beträchtliche menschliche Bewegung aus weniger bewohnbaren Regionen zu ermöglichen (Adger et al., 2020). Die Bewältigung dieser Herausforderung wird eine umfassende Entwicklung der internationalen Beziehungen weg von nationaler Sicherheit und Wettbewerb hin zu Kooperation und Integration erfordern (Beardsworth, 2020).

Unsere Projektionen für die Lebensfähigkeit von Nutzpflanzen deuten auch auf einen Rückgang der Ökosystemleistungen nach 2100 hin. Selbst vor dem Jahr 2100 deuten die Projektionen des Klimawandels darauf hin, dass einkommensschwache (oft tropische) Länder durch eine geringere Eignung für den Anbau von Kulturpflanzen gefährdet sind, und einkommensstarke Länder stehen vor dem Problem der Abwanderung und der Umwandlung von klimatisch geeigneten Flächen in landwirtschaftliche Flächen (Chaplin-Kramer et al., 2019; Poeplau et al., 2019; Zabel et al., 2014). Solche Verschiebungen bergen auch die Gefahr der Freisetzung von Bodenkohlenstoff, des Eindringens in Biodiversitäts-Hotspots und der Gefährdung der Wassersicherheit (Hannah et al., 2020; Poeplau et al., 2019). Langfristig könnten vorgeschlagene Strategien für die Ernährungssicherheit, selbst solche, die als transformativ gelten, wie fleischlose Ernährung und urbane Landwirtschaft (Fraser & Campbell, 2019; Stringer et al., 2020), unzureichend sein, wenn die derzeitigen landwirtschaftlichen Flächen aus der Produktion fallen und sich technologische Fortschritte oder Landschaftsmanagement (z. B. Agrarökologie) in großem Maßstab als nicht praktikabel erweisen. Die Struktur und Funktion des globalen Nahrungsmittelsystems muss neu konzipiert werden, möglicherweise durch Änderungen der Eigentumsrechte, der Nutzung und des Besitzes (Healy et al., 2020), die die Veränderungen des Produktionsklimas, der Landschaften, der Bevölkerungen und der Technologien widerspiegeln (Aguiar et al., 2020; Stringer et al., 2020).

Das Ausmaß der hier untersuchten projizierten künftigen Veränderungen wird wahrscheinlich eine langfristige und anpassungsfähige Integration verschiedener Kultur-, Wissens- und Governance-Strukturen erfordern, die in Umfang und Ansatz global sind (Caniglia et al., 2020; Fazey et al., 2020). So könnten beispielsweise neue Bemühungen um eine Synthese von Wissen und Handeln (Marien, 2007; Pedde et al., 2020) Governance-Institutionen informieren. Bei diesen Zentren könnte es sich um neue Organisationen handeln, wie z. B. langfristige Foresight-Gruppen (Burrows et al., 2018) oder “Ministerien für die Zukunft” (Robinson, 2020), die von bestehenden Governance-Institutionen (z. B. den Vereinten Nationen) und Netzwerken lokaler Regierungen (z. B. 100 Resilient Cities; Papin, 2019) unabhängig oder mit ihnen verbunden sind.

Diese kultur- und länderübergreifenden Organisationen müssen sich weiterentwickeln, um den beobachteten und erwarteten menschlichen Wanderungsbewegungen, der Nahrungsmittelproduktion, Katastrophen und anderen klimatischen und ökologischen Herausforderungen voraus zu sein (Cleaver & Whaley, 2018; Schultz et al., 2015). In der Praxis kann dies bedeuten, dass ein Rolling-Baseline- und Russian-Doll-Ansatz für Szenarien und Entscheidungsfindung verwendet wird, der subjektiv kurzfristige (0-50 Jahre) lokale oder regionale Bewertungen und Maßnahmen in mittel- (50-100 Jahre) und längerfristige globale Perspektiven (>100 Jahre) einbettet, die auf beobachteten und modellierten Auswirkungen und Schwellenwerten basieren (O’Neill et al., 2020). Die mittel- und langfristigen Ansätze zielen darauf ab, Strukturen und Technologien für die Steuerung des Erdsystems zu antizipieren, zu entwickeln und zu implementieren, die einen gerechten Zugang zu und eine gerechte Zuteilung von Ressourcen für die Weltbevölkerung unter verschiedenen Auswirkungstrajektorien ermöglichen (Biermann & Kim, 2020; Kalfagianni & Meisch, 2020). Dieser verschachtelte antizipatorische Ansatz (Boyd et al., 2015; Muiderman et al., 2020) für eine anpassungsfähige Governance würde schnelle Ereignisse wie Überschwemmungen und Dürren mit langsamer verlaufenden Veränderungen der Temperatur, des Meeresspiegels, der Ernten und der biologischen Vielfalt in Einklang bringen. Projektionen von Klima- und Erdsystemveränderungen über das Jahr 2100 hinaus liefern Informationen für diese längerfristigen Ansätze und tragen dazu bei, dass die Veränderungen der Ökosysteme und ihrer Ressourcen angemessen verwaltet werden, um das Überleben der Menschen zu sichern (Bennett, 2017; Burke et al., 2021).

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Das Jahr 2100 ist nur noch eine menschliche Lebensspanne entfernt, und das Zeitfenster, in dem die Emissionen im Einklang mit dem Pariser Abkommen gesenkt werden können, schließt sich rasch (Leach et al., 2018). Unsere Projektionen für die Zeit nach 2100 zeigen, dass sich ohne eine rasche und deutliche Verringerung der Treibhausgasemissionen große Gebiete der Erde so verändern werden, dass sie nicht mehr in großem Umfang von Menschen bewohnt werden können. Die langfristigen Auswirkungen der Erwärmung im 21. Jahrhundert werden noch Jahrhunderte lang zu spüren sein, selbst wenn die Emissionen in Zukunft begrenzt werden (Abbildung 1). Die Bemühungen um eine Eindämmung (Kyoto; Pariser Abkommen; UNFCCC, 2015) haben zwar das Wachstum der Treibhausgase in der Atmosphäre verlangsamt, aber die Verpflichtungen bleiben immer noch massiv hinter dem Ziel von 1,5-2,0 °C zurück (Roelfsema et al., 2020). Selbst wenn die Verpflichtungen eingehalten werden, zeigen die Prognosen, dass wir mit Hitzewellen und anderen Extremereignissen von beispielloser Intensität und Häufigkeit zu kämpfen haben (Dosio et al., 2018; Schleussner et al., 2016). Daher müssen wir diese Veränderungen über die nächsten 80 Jahre hinaus verstehen und modellieren. Diese längerfristigen Projektionen sind entscheidend, um den Weg für eine friedliche und bewohnbare Erde in den kommenden Jahrzehnten und Jahrhunderten zu bereiten.

Unsere Projektionen und die damit verbundenen Ansätze zur Anpassungssteuerung stellen einen ersten Versuch dar und sind angesichts ihres langen Zeithorizonts mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Diese Bemühungen sollen den Bedarf an anspruchsvolleren Klima- und Erdsystemmodellen für die Zeit nach 2100 verdeutlichen, einschließlich einer Konzentration auf Aspekte von Ökosystemgütern und -dienstleistungen, die hier nicht berücksichtigt wurden. Unsere Arbeit bietet somit einen Rahmen und eine Grundlage für die Bewertung der längerfristigen anthropogenen Auswirkungen auf das Klima und die Erdsysteme und verdeutlicht den dringenden Bedarf an weiteren Arbeiten in diesem Bereich.

DANKSAGUNGEN

Die Klimamodellierung wurde auf ARC3, einem Teil der Hochleistungsrechenanlagen der Universität Leeds, Großbritannien, durchgeführt. Die Autoren danken Deborah Sporton, Tom J. Webb, Claudia Di Napoli, David R. Williams und dem Past Global Environments (PAGES) Netzwerk für ihr Feedback und ihre Unterstützung in verschiedenen Phasen dieser Arbeit. Wir danken zwei anonymen Gutachtern für ihre Hilfe bei der Verbesserung unseres Beitrags.

INTERESSENKONFLIKT

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.

BEITRÄGE DER AUTOREN

Die Forschung wurde von C.L., E.E.S., T.A., A.P.B., A.B., A.M.D., D.J.H., R.M., L.C.S., P.O. konzipiert. Die Klima- und Vegetationsmodellierung wurde von D.J.H. und C.S. durchgeführt. C.L., A.B., J.M., L.C.S., R.M. und P.O. bewerteten die menschlichen Auswirkungen der Modellierungsergebnisse. J.M. steuerte die künstlerischen Visualisierungen bei. C.L., E.E.S. und T.A. verfassten den ersten Entwurf des Papiers, und alle Autoren trugen zur Überarbeitung bei.

Quellen/Original/Links:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.15871

Übersetzung:
https://www.deepl.com/de/translator

Umweltsozialwissenschaftler
Christopher Lyon

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Promotion im Bereich soziale Anpassung, Transformation und Resilienz. Akademischer Nomade. Persönliches Konto. Kommentare/Retweets können je nach Tag meine Ansichten widerspiegeln oder auch nicht. Dr. Christopher Lyon ist Umweltsozialwissenschaftler und Research Fellow an der Universität von Leeds im Vereinigten Königreich.  In seiner Forschung untersucht er die sozialen Dimensionen von Resilienz, Anpassung und Transformation als Reaktion auf… Weiterlesen »Christopher Lyon

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Ich bin Dozent für Paläobiologie an der School of Earth and Environment der Universität Leeds. Mein Forschungsschwerpunkt liegt auf großräumigen makroevolutionären und makroökologischen Prozessen in der Tiefe der Zeit, mit besonderem Augenmerk auf Massenaussterben im späten Paläozoikum und frühen Mesozoikum sowie auf der Genauigkeit von Biodiversitätsdaten aus dem Fossilbericht. Ich bin Mitglied des Earth Surface… Weiterlesen »Alex Dunhill

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