Das Original in Englisch finden Sie hier: https://www.pnas.org/content/115/33/8252

Dieser Open Access Artikel hat die Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives License 4.0 (CC BY-NC-ND).

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Autoren: Will Steffen, Johan Rockström, Katherine Richardson, Timothy M. Lenton, Carl Folke, Diana Liverman, Colin P. Summerhayes, Anthony D. Barnosky, Sarah E. Cornell, Michel Kruzifix, Jonathan F. Donges, Ingo Fetzer, Steven J. Lade, Marten Scheffer, Ricarda Winkelmann und Hans Joachim Schellnhuber
PNAS 14. August 2018 115 (33) 8252-8259; erstmals veröffentlicht am 6. August 2018 https://doi.org/10.1073/pnas.1810141115

Copyright © 2018 the Author(s). Published by PNAS. (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)

Herausgegeben von William C. Clark, Harvard University, Cambridge, MA, und genehmigt am 6. Juli 2018 (erhalten zur Überprüfung am 19. Juni 2018)

Wir erforschen das Risiko, dass selbstverstärkende Rückkopplungen das Erdsystem in Richtung einer planetarischen Schwelle drücken könnten, deren Überschreitung eine Stabilisierung des Klimas bei mittleren Temperaturanstiegen verhindern und eine fortgesetzte Erwärmung auf einem “Treibhaus-Erd"-Pfad verursachen könnte, selbst wenn die menschlichen Emissionen reduziert werden. Das Überschreiten der Schwelle würde zu einer viel höheren globalen Durchschnittstemperatur führen als jede Zwischeneiszeit in den letzten 1,2 Millionen Jahren und zu einem Meeresspiegel, der deutlich höher ist, als zu jeder Zeit im Holozän. Wir untersuchen die Beweise, dass und wo eine solche Schwelle existieren könnte. Wird die Schwelle überschritten, würde die daraus resultierende Entwicklung wahrscheinlich zu ernsthaften Störungen von Ökosystemen, Gesellschaft und Wirtschaft führen. Kollektives menschliches Handeln ist erforderlich, um das Erdsystem von einer möglichen Schwelle weg zu lenken und es in einem bewohnbaren, der Zwischeneiszeit ähnlichen Zustand zu stabilisieren. Dies beinhaltet die Verantwortung für das gesamte Erdsystem – Biosphäre, Klima und Gesellschaften – und könnte die Dekarbonisierung der Weltwirtschaft, die Verbesserung der biosphärischen Kohlenstoffsenken, Verhaltensänderungen, technologische Innovationen, neue Regierungsformen und veränderte gesellschaftliche Werte umfassen.

Das Anthropozän ist eine vorgeschlagene neue geologische Epoche (1), die auf der Beobachtung beruht, dass die menschlichen Einflüsse auf wesentliche planetarische Prozesse so tiefgreifend geworden sind (2), dass sie die Erde aus der Epoche des Holozäns, in der sich Landwirtschaft, sesshafte Gemeinschaften und schließlich sozial und technologisch komplexe menschliche Gesellschaften entwickelt haben, verdrängt haben. Die Formalisierung des Anthropozäns als neue geologische Epoche wird von der stratigraphischen Gemeinschaft erwogen (3), aber unabhängig vom Ergebnis dieses Prozesses wird deutlich, dass die Bedingungen des Anthropozäns die Bedingungen des Holozäns in mehrfacher Hinsicht übertreffen (2). Das Wissen, dass menschliche Aktivitäten heute mit den geologischen Kräften bei der Beeinflussung der Entwicklung des Erdsystems konkurrieren, hat wichtige Implikationen sowohl für die Erdsystemwissenschaft als auch für die gesellschaftliche Entscheidungsfindung. Zwar wird anerkannt, dass die verschiedenen Gesellschaften auf der Welt unterschiedlich und ungleichmäßig zu den Belastungen des Erdsystems beigetragen haben und unterschiedliche Fähigkeiten zur Veränderung künftiger Entwicklungen haben werden (4), doch muss die Summe der menschlichen Einflüsse auf das System bei der Analyse künftiger Entwicklungen des Erdsystems berücksichtigt werden.

Hier erforschen wir mögliche zukünftige Entwicklungen des Erdsystems, indem wir uns mit den folgenden Fragen beschäftigen:

Gibt es eine planetarische Schwelle in der Entwicklung des Erdsystems, deren Überschreitung eine Stabilisierung in einem Bereich zwischenzeitlicher Temperaturanstiege verhindern könnte?

Wo könnte eine solche Schwelle angesichts unseres Verständnisses der geophysikalischen und biosphärischen Rückkopplungen, die dem Erdsystem innewohnen, liegen?

Wenn eine Schwelle überschritten wird, was sind die Auswirkungen, insbesondere auf das Wohlbefinden der menschlichen Gesellschaften?

Welche menschlichen Handlungen könnten einen Weg schaffen, der das Erdsystem von der potentiellen Schwelle weg und hin zur Aufrechterhaltung zwischeneiszeitlicher Bedingungen lenkt?

Die Behandlung dieser Fragen erfordert eine tiefe Integration von Erkenntnissen aus der biogeophysikalischen Erdsystemwissenschaft mit dem Wissen aus den Sozial- und Geisteswissenschaften über die Entwicklung und das Funktionieren menschlicher Gesellschaften (5). Die Integration des erforderlichen Wissens kann sich als schwierig erweisen, vor allem angesichts der beträchtlichen Bandbreite der Zeitskala, die damit verbunden ist. Zunehmend bieten Konzepte aus der komplexen Systemanalyse einen Rahmen, der die verschiedenen für das Anthropozän relevanten Forschungsfelder vereint (6). Die Dynamik von Erdsystemen kann in Form von Entwicklungen zwischen wechselnden Zuständen, die durch Schwellenwerte getrennt sind, beschrieben, untersucht und verstanden werden, die durch nichtlineare Prozesse, Wechselwirkungen und Rückkopplungen gesteuert werden. Auf der Grundlage dieses Rahmens argumentieren wir, dass gesellschaftliche und technologische Trends und Entscheidungen, die in den nächsten ein bis zwei Jahrzehnten auftreten, die Entwicklung des Erdsystems für Zehn- bis Hunderttausende von Jahren erheblich beeinflussen und möglicherweise zu Bedingungen führen könnten, die planetarischen Zuständen ähneln, die zuletzt vor mehreren Millionen Jahren gesehen wurden, Bedingungen, die für die heutigen menschlichen Gesellschaften und viele andere zeitgenössische Arten unwirtlich wären.

Risiko eines Treibhauseffektes

Limit-Zyklen und Planetenschwellenwerte.

Die Entwicklung des Erdsystems durch das späte Quartär, insbesondere das Holozän, bietet den Kontext für die Erforschung der vom Menschen verursachten Veränderungen des Anthropozän und der zukünftigen Entwicklungen des Systems (der Anhang SI Appendix enthält weitere Einzelheiten). Abb. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung der komplexen Erdsystemdynamik, bei der das physikalische Klimasystem den Auswirkungen langsamer Veränderungen der Erdumlaufbahn und der Neigung der Erde ausgesetzt ist. Während des späten Quartärs (vergangene 1,2 Millionen Jahre) blieb das System zwischen glazialen und interglazialen Extremen eingegrenzt. Nicht jeder glazial-interglaziale Zyklus der letzten Millionen Jahre folgt genau der gleichen Bahn (7) , aber die Zyklen folgen dem gleichen Gesamtpfad (ein Begriff, den wir verwenden, um eine Familie von weitgehend ähnlichen Bahnen zu bezeichnen). Die vollen glazialen und interglazialen Zustände und die ca. 100.000 Jahre lange Schwingungen zwischen ihnen im Spätquartal stellen lose Grenzzyklen dar (technisch gesehen lässt sich die asymptotische Dynamik der Eiszeiten am besten als Pullback-Attraktoren in einem nicht autonomen dynamischen System modellieren). Dieser Grenzzyklus ist in Abb. 1, unten links schematisch in blau dargestellt, wobei Temperatur und Meeresspiegel als Achsen verwendet werden. Das Holozän wird durch die Spitze der Grenzzyklus-Schleife nahe der Bezeichnung A dargestellt.

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Die aktuelle Position des Erdsystems im Anthropozän ist in Abb. 1, oben rechts durch die kleine Kugel auf dem Weg, der vom glazial-interglazialen Grenzzyklus wegführt, dargestellt. In Abb. 2, einer Stabilitätslandschaft, wird die aktuelle Position des Erdsystems durch die Kugel am Ende des massiven Pfeils im sich vertiefenden anthropozänen Anziehungsbecken dargestellt.

Das Anthropozän stellt den Beginn einer sehr schnellen, vom Menschen getriebenen Entwicklung des Erdsystems weg vom glazial-interglazialen Grenzzyklus hin zu neuen, heißeren klimatischen Bedingungen und einer tiefgreifend veränderten Biosphäre dar (2, 8, 9) (SI Appendix). Die aktuelle Position nähert sich mit über 1 °C über einer vorindustriellen Basislinie (10), der oberen Hülle der interglazialen Bedingungen der letzten 1,2 Millionen Jahre (SI Appendix, Table S1). Noch wichtiger ist, dass die rasche Entwicklung des Klimasystems in den letzten 50 Jahren zusammen mit dem technologischen Lock-in und der sozioökonomischen Trägheit in menschlichen Systemen das Klimasystem auf Bedingungen jenseits der Hülle der vergangenen Interglaziale festlegt. Wir vermuten daher, dass das Erdsystem bereits eine “Weggabelung" potenzieller Pfade passiert haben könnte, eine Gabelung (bei A in Abb. 1), die das Erdsystem aus dem nächsten Eiszeitzyklus herausführt (11).

In der Zukunft könnte das Erdsystem potenziell vielen Entwicklungspfaden folgen (12, 13), die oft durch die große Bandbreite der von den Klimamodellen simulierten globalen Temperaturanstiege dargestellt werden, (14). In den meisten Analysen werden diese Entwicklungen weitgehend von der Menge an Treibhausgasen bestimmt, die durch menschliche Aktivitäten bereits emittiert wurden und im Laufe dieses Jahrhunderts und darüber hinaus weiter in die Atmosphäre gelangen werden – mit einer vermuteten quasilinearen Beziehung zwischen den kumulierten Kohlendioxidemissionen und dem globalen Temperaturanstieg (14). Wir schlagen hier jedoch vor, dass biogeophysikalische Rückkopplungsprozesse innerhalb des Erdsystems in Verbindung mit der direkten Degradierung der Biosphäre durch den Menschen eine wichtigere Rolle spielen könnten als normalerweise angenommen, wodurch die Bandbreite möglicher zukünftiger Entwicklungen begrenzt und die Möglichkeit der Zwischenentwicklungen möglicherweise eliminiert wird. Wir argumentieren, dass ein erhebliches Risiko besteht, dass diese interne Dynamik, insbesondere starke Nichtlinearitäten in Rückkopplungsprozessen, zu einem wichtigen oder vielleicht sogar dominanten Faktor bei der Steuerung der Entwicklung werden könnte, der das Erdsystem in den kommenden Jahrhunderten tatsächlich folgt.

Dieses Risiko wird in Abb. 1 und 2 durch eine planetarische Schwelle dargestellt (horizontale gestrichelte Linie in Abb. 1 auf dem Treibhaus-Erdpfad um 2 °C über der vorindustriellen Temperatur). Jenseits dieser Schwelle sind die intrinsischen biogeophysikalischen Rückkopplungen im Erdsystem (Biogeophysical Feedbacks) könnten die dominierenden Prozesse werden, die die Flugbahn des Systems steuern. Wo genau eine potenzielle planetarische Schwelle liegen könnte, ist ungewiss (15, 16). Wir schlagen 2 °C vor, da die Gefahr besteht, dass eine Erwärmung um 2 °C wichtige Kippelemente aktiviert (12, 17) und die Temperatur weiter ansteigt, um weitere Kippelemente in einer dominanten Kaskade zu aktivieren, die das Erdsystem auf noch höhere Temperaturen bringen könnte (Tipping Cascades). Solche Kaskaden umfassen im Wesentlichen den dynamischen Prozess, der in komplexen Systemen zu Schwellenwerten führt (section 4.2 in ref. 18).

Diese Analyse impliziert, dass selbst wenn das Ziel der Pariser Vereinbarung von 1,5 °C bis 2,0 °C Temperaturanstieg erreicht wird, die Gefahr nicht ausgeschlossen werden kann, dass eine Kaskade von Rückkopplungen das Erdsystem irreversibel auf einen “Treibhaus-Erd"-Pfad drängt. Die Herausforderung, vor der die Menschheit steht, ist die Schaffung eines “Stabilisierte Erde"-Pfades, der das Erdsystem von seiner derzeitigen Entwicklung weg in Richtung der Schwelle lenkt, jenseits derer sich das Treibhaus Erde befindet (Abb. 2). Der vom Menschen geschaffene Pfad der stabilisierten Erde führt zu einem Anziehungsbecken, das in der Stabilitätslandschaft des Erdsystems wahrscheinlich nicht existieren wird, ohne dass der Mensch es schafft und aufrechterhält. Die Schaffung eines solchen Anziehungspfades und -beckens erfordert eine grundlegende Veränderung der Rolle des Menschen auf dem Planeten. Diese Verwalterrolle erfordert bewusstes und nachhaltiges Handeln, um ein integraler, anpassungsfähiger Teil der Dynamik des Erdsystems zu werden und Rückkopplungen zu schaffen, die das System auf einem stabilisierten Erdpfad halten. (Alternative Stabilized Earth Pathway).

Dieser kritischen Frage gehen wir nun näher nach, indem wir die relevanten biogeophysikalischen Rückkopplungen (Biogeophysical Feedbacks) und das Risiko von Kippkaskaden berücksichtigen. (Tipping Cascades).

Biogeophysikalische Rückkopplungen.

Die Entwicklung des Erdsystems wird durch biogeophysikalische Rückkopplungen innerhalb des Systems beeinflusst, die es in einem bestimmten Zustand halten können (negative Rückkopplungen) und solche, die eine Störung verstärken und einen Übergang in einen anderen Zustand bewirken können (positive Rückkopplungen). Einige der wichtigsten negativen Rückkopplungen, die das Erdsystem in holozänähnlichen Zuständen halten könnten – insbesondere die Kohlenstoffaufnahme durch Land- und Ozeansysteme – sind im Vergleich zu menschlichem Zwang geschwächt (19),was das Risiko erhöht, dass positive Rückkopplungen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Flugbahn des Erdsystems spielen könnten. Tabelle 1 fasst die Rückkopplungen des Kohlenstoffkreislaufs zusammen, die die Erwärmung beschleunigen könnten, während Tabelle S2 im SI Appendix im Detail eine vollständigere Reihe biogeophysikalischer Rückkopplungen beschreibt, die durch ein Antriebsniveau ausgelöst werden können, das wahrscheinlich im Laufe des restlichen Jahrhunderts erreicht wird.

Tabelle 1.

Rückkopplungen des Kohlenstoffkreislaufs im Erdsystem, die die globale Erwärmung beschleunigen könnten

• Die Stärke der Rückmeldung wird bei einer Erwärmung von ∼2 °C auf 2100 geschätzt.
• ↵* Der zusätzliche Temperaturanstieg (Grad Celsius) bis 2100, der sich aus der Rückmeldung ergibt.

Die meisten Rückkopplungen können sowohl kontinuierliche Reaktionen als auch ein Kipppunktverhalten zeigen, bei dem sich der Rückkopplungsprozess nach Überschreiten einer kritischen Schwelle selbstständig fortsetzt; Subsysteme, die dieses Verhalten zeigen, werden oft als “Kippelemente" bezeichnet (17). Die Art des Verhaltens – kontinuierliche Reaktion oder Kipppunkt/abrupte Änderung – kann von der Größe oder der Geschwindigkeit der Erzwingung oder von beidem abhängen. Viele Rückmeldungen zeigen eine allmähliche Veränderung, bevor der Kipppunkt erreicht ist.

Einige wenige der mit den Rückkopplungen verbundenen Veränderungen sind in kurzen Zeiträumen von 50-100 Jahren reversibel (z.B. Veränderung der arktischen Meereisausdehnung mit einer Erwärmung oder Abkühlung des Klimas; das antarktische Meereis mag aufgrund der Wärmestauung im Südlichen Ozean weniger reversibel sein), aber die meisten Veränderungen sind in Zeiträumen, die für heutige Gesellschaften von Bedeutung sind, weitgehend irreversibel (z.B. Verlust von Permafrostkohlenstoff). Einige wenige der Rückkopplungen haben keine offensichtlichen Schwellenwerte (z.B. Veränderung der physiologischen Kohlenstoffsenken an Land und im Ozean, wie z.B. zunehmende Kohlenstoffaufnahme durch den CO2-Düngungseffekt oder abnehmende Aufnahme durch eine Abnahme der Niederschläge). Für einige der Kippelemente könnte das Überschreiten des Kipppunktes eine abrupte, nichtlineare Reaktion auslösen (z.B. Umwandlung großer Flächen des Amazonas-Regenwaldes in eine Savanne oder saisonalen Trockenwald), während für andere das Überschreiten des Kipppunktes zu einer eher graduellen, aber sich selbst verstärkenden Reaktion führen würde (großflächiger Verlust von Permafrost). Auch nach dem Überschreiten einer Schwelle könnte es erhebliche Verzögerungen geben, insbesondere bei den Kippelementen, die das Schmelzen großer Eismassen mit sich bringen. Allerdings kann der Eisverlust bei massiven Eisbergausbrüchen (z.B. Heinrich Events) zum Teil sehr schnell erfolgen.

Bei einigen Rückkopplungsprozessen hängt das Ausmaß – und sogar die Richtung – von der Geschwindigkeit des Klimawandels ab. Wenn die Rate der Klimaänderung gering ist, kann die Verschiebung der Biome die Änderung der Temperatur/Feuchtigkeit verfolgen, und die Biome können sich allmählich verschieben und möglicherweise mit der Erwärmung des Klimas und der Zunahme der atmosphärischen CO2-Konzentration Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnehmen. Ist die Rate der Klimaänderung jedoch zu groß oder zu schnell, kann ein Kipppunkt überschritten werden, und eine schnelle Biome-Verschiebung kann durch umfangreiche Störungen (z.B. Waldbrände, Insektenbefall, Dürre) erfolgen, die ein vorhandenes Biom abrupt entfernen können. In einigen terrestrischen Fällen, wie z.B. bei großflächigen Waldbränden, könnte ein Puls von Kohlenstoff in die Atmosphäre gelangen, der, wenn er groß genug ist, die Flugbahn des Erdsystems beeinflussen könnte. (29).

Unterschiedliche Reaktionsraten auf ein sich änderndes Klima könnten zu einer komplexen Biosphärendynamik mit Auswirkungen auf Rückkopplungsprozesse führen. Beispielsweise würden Verzögerungen beim Auftauen des Permafrosts höchstwahrscheinlich die prognostizierte Nordwanderung der borealen Wälder verzögern. (30), während die Erwärmung der südlichen Bereiche dieser Wälder zu ihrer Umwandlung in Steppengrasland mit deutlich geringerer Kohlenstoffspeicherkapazität führen könnte. Das Gesamtergebnis wäre eine positive Rückkopplung auf das Klimasystem.

Die so genannte “Begrünung" des Planeten, verursacht durch verstärktes Pflanzenwachstum aufgrund steigender atmosphärischer CO2-Konzentration (31), hat die Kohlenstoffsenke an Land in den letzten Jahrzehnten erhöht (32). Allerdings erhöht sich mit zunehmendem atmosphärischen CO2 die Temperatur und heißere Blätter lassen sich weniger gut fotosynthetisieren. Andere Rückkopplungen sind ebenfalls beteiligt, z.B. erhöht die Erwärmung des Bodens die mikrobielle Atmung, wodurch CO2 wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Unsere Analyse konzentriert sich auf die Stärke des Feedbacks bis zum Jahr 2100. Einige der Rückkopplungen, die bis 2100 vernachlässigbare oder sehr geringe Ausmaße aufweisen, könnten jedoch schon lange vorher ausgelöst werden und schließlich über längere Zeiträume – Jahrhunderte und sogar Jahrtausende – eine signifikante Rückkopplungsstärke erzeugen und damit die langfristige Flugbahn des Erdsystems beeinflussen. Zu diesen Rückkopplungsprozessen gehören das Auftauen von Permafrost, die Zersetzung von Methanhydraten im Ozean, die verstärkte Atmung von Meeresbakterien und der Verlust der polaren Eisschilde, begleitet von einem Anstieg des Meeresspiegels und einer möglichen Verstärkung des Temperaturanstiegs durch Veränderungen der Ozeanzirkulation. (33).

Kippkaskaden.

Fig. 3 zeigt eine globale Karte einiger potenzieller Kippkaskaden. Die Kippelemente fallen aufgrund ihrer geschätzten Schwellentemperatur in drei Cluster (12, 17, 39). Kaskaden könnten sich bilden, wenn ein globaler Temperaturanstieg das Niveau des Tieftemperatur-Clusters erreicht und Kippelemente, wie den Verlust des Grönlandeises oder des arktischen Meereises, aktiviert. Diese Kippelemente, zusammen mit einigen der Rückkopplungen der nicht kippenden Elemente (z.B. allmähliche Schwächung der physiologischen Kohlenstoffsenken an Land und im Ozean), könnten die globale Durchschnittstemperatur noch weiter in die Höhe treiben und ein Kippen in Clustern mit mittlerer und höherer Temperatur induzieren. Beispielsweise könnte das Abkippen (der Verlust) des Grönlandeisschildes einen kritischen Übergang in der atlantischen meridionalen Ozeanzirkulation (AMOC) auslösen, der zusammen durch den Anstieg des Meeresspiegels und die Wärmespeicherung im Südlichen Ozean den Eisverlust vom ostantarktischen Eisschild beschleunigen könnte, (32, 40) in Zeitskalen von Jahrhunderten (41).

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Abb. 3.

Beobachtungen des Verhaltens in der Vergangenheit unterstützen einen wichtigen Beitrag von Veränderungen der Ozeanzirkulation zu solchen Rückkopplungskaskaden. Während früherer Vergletscherungen flackerte das Klimasystem zwischen zwei Zuständen, die Veränderungen der konvektiven Aktivität in den nordischen Meeren und Veränderungen der Aktivität des AMOC widerzuspiegeln scheinen. Diese Variationen verursachten typische Temperaturreaktionsmuster, die als “bipolare Wippe" bezeichnet werden (42⇓–44). Während der extremen Kälte im Norden akkumulierte sich die Wärme im Südlichen Ozean und die Antarktis erwärmte sich. Schließlich machte sich die Wärme auf den Weg nach Norden und erzeugte eine unterirdische Erwärmung, die möglicherweise zur Destabilisierung der Ränder der Eisschilde der nördlichen Hemisphäre beitrug (45).

Sollten Grönland und der westantarktische Eisschild in Zukunft schmelzen, wird die Auffrischung und Abkühlung des nahe gelegenen Oberflächenwassers erhebliche Auswirkungen auf die Ozeanzirkulation haben. Während die Wahrscheinlichkeit signifikanter Zirkulationsänderungen schwer zu quantifizieren ist, deuten Klimamodellsimulationen darauf hin, dass Süßwassereinträge, die mit den derzeitigen Schmelzraten in Grönland kompatibel sind, ausreichen, um messbare Auswirkungen auf die Meerestemperatur und die Zirkulation zu haben (46, 47). Eine anhaltende Erwärmung der nördlichen hohen Breiten als Folge dieses Prozesses könnte Rückkopplungen beschleunigen oder Kippelemente in dieser Region aktivieren, wie z.B. Permafrostdegradation, Verlust von arktischem Meereis und das Absterben von borealen Wäldern.

Dies scheint zwar ein Extremszenario zu sein, zeigt aber, dass eine Erwärmung in den Bereich auch des Tieftemperatur-Clusters (d.h. der Pariser Zielvorgaben) über Kaskadeneffekte zu einem Kippen in den Mittel- und Hochtemperatur-Clustern führen könnte. Basierend auf dieser Analyse der Kippkaskaden und unter Berücksichtigung eines risikoaversen Ansatzes schlagen wir vor, dass eine potenzielle planetarische Schwelle bereits bei einem Temperaturanstieg von ∼2.0 °C über vorindustriellem Niveau auftreten könnte. (Fig. 1).

Alternativer stabilisierter Erdpfad

Wenn die Gesellschaften der Welt es vermeiden wollen, eine potenzielle Schwelle zu überschreiten, die das Erdsystem in den Treibhaus-Erdpfad einschließt, dann ist es entscheidend, dass sie bewusste Entscheidungen treffen, um dieses Risiko zu vermeiden und das Erdsystem unter holozänähnlichen Bedingungen zu erhalten. Dieser vom Menschen geschaffene Pfad wird in Abb. 1 und 2 durch die so genannte stabilisierte Erde (kleine Schleife unten in Abb. 1, oben rechts) dargestellt, in der das Erdsystem in einem Zustand gehalten wird, in dem die Temperatur um nicht mehr als 2 °C gegenüber dem vorindustriellen Zustand ansteigt (ein “Super-Holozän"-Zustand) (11). Eine stabilisierte Erde würde eine tiefe Senkung der Treibhausgasemissionen, den Schutz und die Verbesserung der biosphärischen Kohlenstoffsenken, Anstrengungen zur Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre, möglicherweise ein Sonnenstrahlungsmanagement und eine Anpassung an unvermeidbare Auswirkungen der bereits stattfindenden Erwärmung erfordern (48). Die kurze gestrichelte rote Linie jenseits der stabilisierten Erde in Abb. 1, oben rechts, stellt eine mögliche Rückkehr zu interglazialähnlichen Bedingungen auf längere Sicht dar.

Im Wesentlichen könnte der Pfad der stabilisierten Erde als ein Regime des Erdsystems konzipiert werden, in dem die Menschheit eine aktive Rolle als planetarische Verwalterin spielt, indem sie einen Zustand zwischen dem glazial-interglazialen Grenzzyklus des späten Quartärs und einem Treibhaus Erde aufrechterhält (Abb. 2). Wir betonen, dass die stabilisierte Erde kein intrinsischer Zustand des Erdsystems ist, sondern vielmehr ein Zustand, in dem die Menschheit sich zu einem kontinuierlichen Management ihrer Beziehung zum restlichen Erdsystem verpflichtet.

Ein kritischer Punkt ist, dass, wenn eine planetarische Schwelle in Richtung des Hothouse Earth Pfades überschritten wird, der Zugang zum Pfad der stabilisierten Erde sehr schwierig werden würde, egal welche Maßnahmen die menschlichen Gesellschaften ergreifen würden. Jenseits der Schwelle könnten positive (verstärkende) Rückkopplungen innerhalb des Erdsystems – außerhalb des menschlichen Einflusses oder der Kontrolle – zum dominierenden Treiber des Systemweges werden, da einzelne Kippelemente im Laufe der Zeit und bei steigender Temperatur miteinander verbundene Kaskaden erzeugen (Abb. 3). Mit anderen Worten, nachdem das Erdsystem auf den Pfad der Treibhauserde festgelegt wurde, würde der alternative Pfad der stabilisierten Erde sehr wahrscheinlich unzugänglich werden, wie in Abb. 2 dargestellt.

Was steht auf dem Spiel?

Das Treibhaus-Erde ist wahrscheinlich unkontrollierbar und gefährlich für viele, insbesondere wenn wir in nur ein oder zwei Jahrhunderten in sie übergehen und es birgt schwerwiegende Risiken für die Gesundheit, die Wirtschaft, die politische Stabilität (12, 39, 49, 50) (insbesondere für die am meisten klimaanfälligen Menschen) und letztlich die Bewohnbarkeit des Planeten für den Menschen.

Insights
into the risks posed by the rapid climatic changes emerging in the
Anthropocene can be obtained not only from contemporary observations (51⇓⇓⇓–55)
but also, from interactions in the past between human societies and
regional and seasonal hydroclimate variability. This variability was
often much more pronounced than global, longer-term Holocene variability
(SI Appendix).
Agricultural production and water supplies are especially vulnerable to
changes in the hydroclimate, leading to hot/dry or cool/wet extremes.
Societal declines, collapses, migrations/resettlements, reorganizations,
and cultural changes were often associated with severe regional
droughts and with the global megadrought at 4.2–3.9 thousand years
before present, all occurring within the relative stability of the
narrow global Holocene temperature range of approximately ±1 °C (56).

SI Appendix, Table S4 fasst Biome und regionale biosphärenphysikalische Klimasubsysteme zusammen, die für das menschliche Wohlbefinden und die daraus resultierenden Risiken kritisch sind, wenn das Erdsystem einem “Hothouse Earth"-Pfad folgt. Während die meisten dieser Biome oder regionalen Systeme in einem stabilisierten Erdpfad erhalten bleiben können, würden die meisten oder alle von ihnen in einem Treibhaus-Erdpfad wahrscheinlich wesentlich verändert oder degradiert werden, mit ernsthaften Herausforderungen für die Lebensfähigkeit der menschlichen Gesellschaften.

Beispielsweise sind landwirtschaftliche Systeme besonders verwundbar, weil sie räumlich um die relativ stabilen holozänen Muster der terrestrischen Primärproduktivität organisiert sind, die von einer gut etablierten und vorhersehbaren räumlichen Verteilung von Temperatur und Niederschlag in Bezug auf die Lage fruchtbarer Böden sowie von einer bestimmten atmosphärischen CO2-Konzentration abhängen. Die derzeitigen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass ein stabilisierter Erdpfad zwar zu einem ungefähren Gleichgewicht zwischen Zu- und Abnahmen der regionalen Produktion im Zuge der Anpassung der menschlichen Systeme führen könnte, dass aber ein “Hothouse Earth"-Pfad wahrscheinlich die Grenzen der Anpassung überschreitet und zu einem erheblichen Gesamtrückgang der landwirtschaftlichen Produktion, steigenden Preisen und noch größeren Unterschieden zwischen reichen und armen Ländern führen wird. (57).

Die Küstengebiete der Welt, insbesondere die tief gelegenen Deltas und die angrenzenden Küstenmeere und Ökosysteme, sind für das menschliche Wohlbefinden besonders wichtig. In diesen Gebieten leben ein Großteil der Weltbevölkerung, die meisten aufstrebenden Megastädte und ein erheblicher Teil der Infrastruktur, die sowohl für die Volkswirtschaften als auch für den internationalen Handel lebenswichtig ist. Ein “Hothouse Earth"-Pfad würde mit ziemlicher Sicherheit bis zum Ende dieses Jahrhunderts oder früher deltaische Umgebungen überfluten, das Risiko von Schäden durch Küstenstürme erhöhen und Korallenriffe (und alle Vorteile, die sie für die Gesellschaft bieten) beseitigen (58).

Menschliche Rückkopplungen im Erdsystem.

In der vorherrschenden Klimawandelerzählung ist der Mensch eine externe Kraft, die die Veränderung des Erdsystems auf eine weitgehend lineare, deterministische Weise vorantreibt; je höher der Zwang in Bezug auf die anthropogenen Treibhausgasemissionen, desto höher ist die globale Durchschnittstemperatur. Unsere Analyse argumentiert jedoch, dass menschliche Gesellschaften und unsere Aktivitäten als integraler, interagierender Bestandteil eines komplexen, anpassungsfähigen Erdsystems neu gestaltet werden müssen. Dabei liegt der Schwerpunkt nicht nur auf der menschlichen Systemdynamik, die die Treibhausgasemissionen reduziert, sondern auch auf denjenigen, die negative Rückkopplungen erzeugen oder verstärken, die das Risiko verringern, dass das Erdsystem eine planetarische Schwelle überschreitet und sich in einen Treibhaus-Erdpfad verfängt.

Die Herausforderung für die Menschheit besteht dann darin, die dynamischen Eigenschaften des Erdsystems so zu beeinflussen, dass die entstehenden instabilen Zustände in der Zone zwischen dem Holozän und einem sehr heißen Zustand zu einem de facto stabilen Zwischenzustand (stabilisierte Erde) werden (Fig. 2). Dies erfordert, dass der Mensch durch bewusste, integrale und adaptive Schritte gefährliche Auswirkungen auf das Erdsystem reduziert, indem er das Verhalten effektiv überwacht und verändert, um Rückkopplungsschleifen zu bilden, die diesen Zwischenzustand stabilisieren.

Es gibt viele Unsicherheiten und Debatten darüber, wie dies getan werden kann – technisch, ethisch, gerecht und ökonomisch – und es besteht kein Zweifel, dass die normativen, politischen und institutionellen Aspekte sehr anspruchsvoll sind. Allerdings könnten Gesellschaften eine Vielzahl von Maßnahmen ergreifen, die negative Rückkopplungen darstellen, die im SI Appendix, Table S5 zusammengefasst sind, um das Erdsystem in Richtung einer stabilisierten Erde zu lenken. Einige dieser Maßnahmen verändern bereits die Emissionsbahnen. Die Aktionen mit negativer Rückkopplung lassen sich in drei große Kategorien einteilen: (i) Verringerung der Treibhausgasemissionen, (ii) Verbesserung oder Schaffung von Kohlenstoffsenken (z.B. Schutz und Verbesserung der biosphärischen Kohlenstoffsenken und Schaffung neuer Arten von Senken) (59),und (iii) Änderung der Energiebilanz der Erde (z.B. durch Sonneneinstrahlungsmanagement, obwohl diese besondere Rückkopplung sehr große Risiken der Destabilisierung oder Verschlechterung mehrerer Schlüsselprozesse im Erdsystem mit sich bringt) (60, 61). Während die Verringerung der Emissionen eine Priorität ist, könnte viel mehr getan werden, um den direkten Druck des Menschen auf kritische Biome zu verringern, die durch Kohlenstoffsenken und Feuchtigkeitsrückkopplungen zur Regulierung des Zustands des Erdsystems beitragen, wie z.B. der Amazonas und die borealen Wälder (Table 1), und um eine viel effektivere Verwaltung der marinen und terrestrischen Biosphäre im Allgemeinen aufzubauen.

Das derzeit dominierende sozioökonomische System basiert jedoch auf einem kohlenstoffreichen Wirtschaftswachstum und einer ausbeuterischen Ressourcennutzung (9). Versuche, dieses System zu modifizieren, haben lokal einen gewissen Erfolg erzielt, aber global wenig Erfolg bei der Reduzierung der Treibhausgasemissionen oder beim Aufbau einer effektiveren Verwaltung der Biosphäre. Inkrementelle lineare Veränderungen des gegenwärtigen sozioökonomischen Systems reichen nicht aus, um das Erdsystem zu stabilisieren. Wahrscheinlich werden weitreichende, schnelle und grundlegende Veränderungen erforderlich sein, um das Risiko zu verringern, die Schwelle zu überschreiten und den “Hothouse Earth"-Pfad zu blockieren; dazu gehören Veränderungen im Verhalten, in der Technologie und Innovation, in der Regierungsführung und in den Werten (48, 62, 63).

Zu den internationalen Bemühungen, die Auswirkungen des Menschen auf das Erdsystem zu verringern und gleichzeitig das Wohlbefinden zu verbessern, gehören die Ziele der Vereinten Nationen für eine nachhaltige Entwicklung und die im Pariser Übereinkommen eingegangene Verpflichtung, die Erwärmung unter 2 °C zu halten. Diesen internationalen Governance-Initiativen stehen Verpflichtungen zur Kohlenstoffreduzierung durch Länder, Städte, Unternehmen und Einzelpersonen gegenüber(64⇓–66), die jedoch noch nicht ausreichen, um das Ziel von Paris zu erreichen. Um diese Veränderungen zu unterstützen, bedarf es neuer gemeinsamer Werte, Grundsätze und Rahmenbedingungen sowie einer entsprechenden Ausbildung (67, 68). Im Wesentlichen ist eine effektive Verwaltung des Erdsystems eine wesentliche Voraussetzung für die wohlhabende Entwicklung menschlicher Gesellschaften auf einem Weg zur Stabilisierung der Erde (69, 70).

Neben institutionellen und sozialen Innovationen auf der Ebene der Global Governance sind Veränderungen in den Bereichen Demographie, Konsum, Verhalten, Einstellungen, Bildung, Institutionen und sozial eingebettete Technologien wichtig, um die Chancen auf einen Pfad der Stabilisierung der Erde zu maximieren (71). Viele der notwendigen Veränderungen können Jahrzehnte dauern, bis sie sich global aggregiert auswirken (SI Appendix, Table S5), aber es gibt Anzeichen dafür, dass die Gesellschaft einige wichtige gesellschaftliche Wendepunkte erreichen könnte. Beispielsweise gab es relativ rasche Fortschritte bei der Verlangsamung oder Umkehrung des Bevölkerungswachstums durch die sinkende Fruchtbarkeit aufgrund des Empowerment von Frauen, den Zugang zu Technologien zur Geburtenkontrolle, die Ausweitung der Bildungsmöglichkeiten und das steigende Einkommensniveau (72, 73). Diese demographischen Veränderungen müssen durch nachhaltige Pro-Kopf-Konsummuster ergänzt werden, insbesondere bei den höheren Pro-Kopf-Konsumenten. Es wurden einige Veränderungen im Konsumverhalten beobachtet (74, 75) und es können sich Chancen für einen daraus resultierenden großen Wandel der sozialen Normen auf breiter Ebene ergeben (76). Technologische Innovationen tragen zu einer schnelleren Dekarbonisierung und zur Möglichkeit der Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre bei (48).

Letztlich erfordern die zur Erreichung des Pfades zur Stabilisierung der Erde notwendigen Transformationen eine grundlegende Neuausrichtung und Umstrukturierung der nationalen und internationalen Institutionen hin zu einer effektiveren Governance auf der Ebene des Erdsystems (77), mit einer viel stärkeren Betonung der planetarischen Belange bei der wirtschaftlichen Governance, dem Welthandel, den Investitionen und Finanzen sowie der technologischen Entwicklung (78).

Aufbau von Resilienz in einem sich schnell verändernden Erdsystem.

Selbst wenn ein stabilisierter Erdpfad erreicht wird, wird die Menschheit auf dem Weg dorthin auf einen turbulenten Weg mit schnellen und tiefgreifenden Veränderungen und Unsicherheiten stoßen – politisch, sozial und ökologisch -, die die Widerstandsfähigkeit der menschlichen Gesellschaften herausfordern (79⇓⇓–82). Die stabilisierte Erde wird wahrscheinlich wärmer sein als irgendeine andere Zeit in den letzten 800.000 Jahren (83) (d.h. wärmer als zu irgendeiner anderen Zeit, in der es völlig moderne Menschen gegeben hat).

Darüber hinaus wird die stabilisierte Erdkurve fast sicher durch die Aktivierung einiger Kippelemente (Tipping Cascades and Fig. 3) und durch nichtlineare Dynamiken und abrupte Verschiebungen auf der Ebene der kritischen Biome, die die Menschheit unterstützen, gekennzeichnet sein (SI Appendix, Table S4). Die aktuellen Änderungsraten wichtiger Merkmale des Erdsystems entsprechen bereits denen abrupter geophysikalischer Ereignisse in der Vergangenheit oder übertreffen diese (SI Appendix). Da sich diese Trends zumindest für die nächsten Jahrzehnte fortsetzen dürften, wird die gegenwärtige Art und Weise, die Entwicklung auf Theorien, Instrumente und Überzeugungen eines allmählichen oder inkrementellen Wandels mit Schwerpunkt auf der Sparsamkeit zu lenken, wahrscheinlich nicht ausreichen, um diese Entwicklung zu bewältigen. Daher wird neben der Anpassung die Erhöhung der Widerstandsfähigkeit zu einer Schlüsselstrategie für das Navigieren in der Zukunft werden.

Generische Strategien zum Aufbau von Resilienz umfassen die Entwicklung von Versicherungen, Puffern, Redundanz, Diversität und anderen Merkmalen der Resilienz, die für die Transformation menschlicher Systeme angesichts der Erwärmung und möglicher Überraschungen im Zusammenhang mit Wendepunkten entscheidend sind. (84). Zu den Merkmalen einer solchen Strategie gehören (i) die Erhaltung von Diversität, Modularität und Redundanz; (ii) das Management von Konnektivität, Offenheit, langsamen Variablen und Rückkopplungen; (iii) das Verständnis sozial-ökologischer Systeme als komplexe adaptive Systeme, insbesondere auf der Ebene des Erdsystems als Ganzes (85);(iv) Ermutigung zum Lernen und Experimentieren; und v) Erweiterung der Beteiligung und Vertrauensbildung zur Förderung polyzentraler Governance-Systeme (86, 87).

Schlußfolgerungen:

Unser Systemansatz, der sich auf Rückkopplungen, Kipppunkte und nichtlineare Dynamik konzentriert, hat sich mit den vier in der Einleitung gestellten Fragen beschäftigt.

Unsere Analyse deutet darauf hin, dass sich das Erdsystem möglicherweise einer planetarischen Schwelle nähert, die einen anhaltend schnellen Pfad zu viel heißeren Bedingungen einschließen könnte – die heiße Erde. Dieser Pfad würde durch starke, intrinsische, biogeophysikalische Rückkopplungen angetrieben, die durch menschliche Aktionen nur schwer zu beeinflussen sind, ein Pfad, der nicht umkehrbar, steuerbar oder wesentlich verlangsamt werden könnte.

Wo eine solche Schwelle liegen könnte, ist ungewiss, aber sie könnte bei einem Temperaturanstieg von ∼2.0 °C über vorindustriellem Niveau nur Jahrzehnte in der Zukunft liegen und damit im Bereich der Temperaturziele der Pariser Vereinbarung.

Die Auswirkungen eines “Hothouse Earth"-Pfads auf die menschliche Gesellschaft wären wahrscheinlich massiv, manchmal abrupt und zweifellos zerstörerisch.

Die Umgehung dieser Schwelle durch die Schaffung eines stabilisierten Erdpfades kann nur durch eine koordinierte, bewusste Anstrengung der menschlichen Gesellschaften erreicht und aufrechterhalten werden, um unsere Beziehung mit dem restlichen Erdsystem zu managen, in der Erkenntnis, dass die Menschheit ein integraler, interagierender Bestandteil des Systems ist. Die Menschheit steht nun vor der Notwendigkeit kritischer Entscheidungen und Handlungen, die unsere Zukunft für Jahrhunderte, wenn nicht gar Jahrtausende beeinflussen könnten. (88).

Wie glaubwürdig ist diese Analyse? Es gibt aus verschiedenen Quellen deutliche Hinweise darauf, dass das Risiko einer planetarischen Schwelle und damit die Notwendigkeit, einen abweichenden Pfad zu schaffen, ernst genommen werden sollte:

Erstens ist das komplexe Systemverhalten des Erdsystems im späten Quartär gut dokumentiert und verstanden. Die beiden Grenzzustände des Systems – Glazial und Interglazial – sind recht gut definiert, die ca. 100.000 Jahre Periodizität des Grenzzyklusses ist etabliert, und die internen (Kohlenstoffkreislauf und Eis-Albedo-Rückkopplungen) und externen (Änderungen der Sonneneinstrahlung durch Änderung der Bahnparameter der Erde) treibenden Prozesse sind allgemein bekannt. Darüber hinaus wissen wir mit hoher Sicherheit, dass der fortschreitende Zerfall der Eisschilde und die Überschreitung anderer Kippelemente nach Erreichen kritischer Erwärmungswerte nur schwer rückgängig zu machen sind.

Zweitens legen Erkenntnisse aus der jüngeren geologischen Vergangenheit der Erde (SI Appendix) nahe, dass Bedingungen, die mit dem “Hothouse Earth"-Pfad konsistent sind, bei bereits realisierten oder für dieses Jahrhundert projizierten Werten der atmosphärischen CO2-Konzentration und des Temperaturanstiegs zugänglich sind. (SI Appendix, Table S1).

Drittens sind die Kippelemente und Rückkopplungsprozesse, die über die quartären glazial-interglazialen Zyklen ablaufen, die gleichen, wie mehrere derer, die als kritisch für die zukünftige Entwicklung des Erdsystems vorgeschlagen werden. (Biogeophysical Feedbacks, Tipping Cascades, Fig. 3, Table 1, and SI Appendix, Table S2).

Viertens deuten zeitgenössische Beobachtungen (29, 38) (SI Appendix) des Kippelementverhaltens bei einer beobachteten Temperaturanomalie von etwa 1 °C über der vorindustriellen Temperatur darauf hin, dass einige dieser Elemente innerhalb eines Anstiegs der globalen Temperatur von nur 1 °C bis 3 °C kippgefährdet sind, wobei viel mehr von ihnen bei höheren Temperaturen anfällig sind (Biogeophysical Feedbacks and Tipping Cascades) (12, 17, 39). Dies deutet darauf hin, dass das Risiko von Kippkaskaden bei einem Temperaturanstieg von 2 °C erheblich sein und darüber hinaus stark ansteigen könnte. Wir argumentieren, dass eine planetarische Schwelle im Erdsystem bereits bei einem Temperaturanstieg von 2 °C über vorindustriellem Niveau existieren könnte.

Die stabilisierte Erdumlaufbahn erfordert ein bewusstes Management der Beziehung der Menschheit mit dem restlichen Erdsystem, wenn die Welt das Überschreiten einer planetarischen Schwelle vermeiden will. Wir schlagen vor, dass eine tiefgreifende Transformation erforderlich ist, die auf einer grundlegenden Neuausrichtung der menschlichen Werte, der Gleichheit, des Verhaltens, der Institutionen, der Wirtschaft und der Technologien beruht. Dennoch wird der Weg zu einer stabilisierten Erde erhebliche Veränderungen in der Struktur und Funktionsweise des Erdsystems mit sich bringen, was nahe legt, dass Strategien zur Stärkung der Widerstandsfähigkeit bei der Entscheidungsfindung eine viel höhere Priorität als bisher eingeräumt werden sollte. Es gibt Anzeichen dafür, dass die Gesellschaften einige der notwendigen Transformationen einleiten. Diese Transformationen befinden sich jedoch noch im Anfangsstadium, und die gesellschaftlich-politischen Wendepunkte, die den derzeitigen Kurs definitiv von der Treibhauserde wegführen, sind noch nicht überschritten worden, während sich die Tür zum Pfad der Stabilisierten Erde möglicherweise rasch schließt.

Unsere erste Analyse muss durch eine eingehendere, quantitative Erdsystemanalyse und Modellierungsstudien untermauert werden, um drei kritische Fragen zu klären. (i) Ist die Menschheit in Gefahr, das System über eine planetarische Schwelle zu stoßen und irreversibel auf den Pfad der Treibhauserde zu geraten? (ii) Welche anderen Pfade könnten in der komplexen Stabilitätslandschaft des Erdsystems möglich sein und welche Risiken könnten sie mit sich bringen? (iii) Welche Strategien der planetarischen Steuerung sind erforderlich, um das Erdsystem in einem beherrschbaren stabilisierten Erdzustand zu erhalten?

Danksagungen

Wir danken den drei Gutachtern für ihre Kommentare zur ersten Fassung des Manuskripts und zwei der Gutachter für weitere Kommentare zu einer überarbeiteten Fassung des Manuskripts. Diese Kommentare waren bei den Überarbeitungen sehr hilfreich. Wir danken einem Mitglied der PNAS-Redaktion für eine umfassende und sehr hilfreiche Überprüfung. W.S. und C.P.S. sind Mitglieder der Anthropocene Working Group. W.S., J.R., K.R., S.E.C., J.F.D., I.F., S.J.L., R.W. und H.J.S. sind Mitglieder des Planetary Boundaries Research Network PB.net und des Earth League’s EarthDoc Programms, das von der Stordalen Foundation unterstützt wird. T.M.L. wurde durch einen Royal Society Wolfson Research Merit Award und das 7. Rahmenprogramm der Europäischen Union Projekt HELIX unterstützt. C.F. wurde von der Erling-Persson Family Foundation unterstützt. Die Teilnahme von D.L. wurde durch das Haury-Programm für Umwelt und soziale Gerechtigkeit und die National Science Foundation (USA) Decadal and Regional Climate Prediction using Earth System Models Grant 1243125 unterstützt. S.E.C. wurde zum Teil durch den Swedish Research Council Formas Grant 2012-742 unterstützt. J.F.D. und R.W. wurden durch das Leibniz-Gemeinschaftsprojekt DOMINOES unterstützt. S.J.L. erhält eine Förderung durch das Formas Grant 2014-589. Dieses Papier ist ein Beitrag zum European Research Council Advanced Grant 2016, Earth Resilience in the Anthropocene Project 743080.

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