mini|hochkant=1.8|Mögliche Kippelemente im Erdsystem, nach Lenton (2008) mini|400px|Kopplung zwischen klimatischen und sozialen Kippelementen

Das Konzept der Kippelemente im Erdklimasystem beschreibt großskalige Änderungen im Erdsystem als Folgen der globalen Erwärmung, die ab einem bestimmten Punkt (Kipppunkt oder engl. Tipping Point) auch durch kleine Störungen abrupt oder allmählich eintreten und durch selbstverstärkende Effekte danach erhalten bleiben können, auch wenn das Hintergrundklima wieder hinter den Schwellenwert zurückfällt. Beispiele für wahrscheinliche Kippelemente sind das Abschmelzen des grönländischen Eisschilds oder die zunehmende Abschwächung der Ozeanzirkulation im Atlantik. Zudem könnte die Gefahr bestehen, dass durch Rückkopplungseffekte beim Überschreiten eines Kipppunkts eine dominoartige Kettenreaktion ausgelöst wird und weitere Kippelemente den Kipppunkt überschreiten.

Im Jahr 2025 wurde festgestellt, dass Warmwasserkorallen mit 99-prozentiger Sicherheit in den nächsten Jahren ihren Kipppunkt überschreiten werden. Schon heute ist ein nie gesehenes Absterben zu beobachten, da deren Kipppunkt bei einer bereits überschrittenen globalen Erwärmung von 1,2 °C liegt.

Schwellenwerte und Rückkopplungseffekte

Über die genauen Schwellwerte vieler Kippelemente besteht Unsicherheit, sie könnten bei anhaltenden Treibhausgasemissionen in diesem Jahrhundert überschritten werden. Die Änderungen können sich in wenigen Jahren vollziehen, für die meisten Kippelemente werden jedoch deutlich längere Änderungszeiträume vermutet. Die Wahrscheinlichkeit abrupter, irreversibler Änderungen und die Folgen solcher Änderungen nehmen mit fortschreitender Erderwärmung zu. Bereits bei Überschreitung des 1,5-Grad-Ziels gibt es ein hohes Risiko, dass Kippelemente ausgelöst werden. Das Auslösen von Kippelementen kann eine zusätzliche signifikante Erderwärmung nach sich ziehen. Es gibt Befürchtungen, dass das Kippen einzelner Elemente Rückkopplungen in Gang setzen könnte, die Änderungen in anderen Subsystemen des Systems Erde hervorrufen und so Kaskadeneffekte auslösen. Hypothesen über Kaskaden, die mit einer Erderwärmung von mehr als zwei Grad innerhalb dieses und nächsten Jahrhunderts verbunden sind, bedürfen einer weiteren Substanziierung und sind nach dem gegenwärtigen Stand der Wissenschaft unwahrscheinlich.

Geschichte Das Konzept der Kippelemente wurde von Hans Joachim Schellnhuber um das Jahr 2000 in die Klima-Forschungsgemeinschaft eingebracht. Aufbauend auf seinen Arbeiten zur nichtlinearen Dynamik wies er – als einer der koordinierenden Leitautoren der Arbeitsgruppe II – im dritten Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (2001) auf die bis dahin vernachlässigte Möglichkeit diskontinuierlicher, irreversibler und extremer Ereignisse im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung hin. Bis dahin war vorwiegend von linearen, allmählich stattfindenden Veränderungen ausgegangen worden.

Der im Februar 2008 publizierte Fachartikel „Tipping elements in the Earth’s climate system“ gehörte in den Jahren 2008 und 2009 zu den am häufigsten zitierten Arbeiten im Bereich der Geowissenschaften und weist gegenwärtig (Stand: April 2019) über 2.500 Zitationen in der Fachliteratur auf. Die Forschungsarbeit zu dem Artikel hatte im Oktober 2005 begonnen. Bei einem Workshop in der Britischen Botschaft in Berlin hatten 36 britische und deutsche Klimaforscher das Konzept und mögliche Kippelemente im Erdsystem diskutiert. Im Jahr darauf wurden 52 weitere internationale Experten befragt sowie die gesamte relevante wissenschaftliche Literatur zu dem Thema ausgewertet. Als Ergebnis wurden neun potentielle Kippelemente benannt, bei denen der Kipp-Punkt vor dem Jahr 2100 erreicht werden könnte. Inzwischen wurden weitere mögliche Kippelemente angegeben.

Ging der IPCC 2001 noch davon aus, dass das Erreichen von Kipppunkten erst bei einer Erwärmung von mehr als 5 Grad wahrscheinlich sei, kam er in den jüngeren Sonderberichten aus den Jahren 2018 und 2019 zu dem Ergebnis, dass Kipppunkte bereits bei einer Erwärmung zwischen 1 und 2 Grad überschritten werden könnten.

Weitere Forschung ist entscheidend, um der Gesellschaft Kosten, Nutzen und Grenzen von Klimaschutz und -anpassung verstehen zu helfen. Angesichts der Relevanz des Themas für die Klimapolitik gibt es Rufe nach einem IPCC-Sonderbericht zu Kippelementen. Thomas Stocker vertritt die Position, die Klimawissenschaft wisse noch zu wenig über Kipp-Punkte, sowohl was die Theorie betrifft als auch die Modelle und die Beobachtungen; während er zwar bestätigt, dass „wir sehr genau wissen, dass Kipppunkte grundsätzlich existieren“, betont er aber, dass es noch große Unsicherheiten gibt vorherzusagen, welche Kipppunkte wann erreicht werden und welche Konsequenzen dies haben wird; darum setzt er sich seit 2020 für einen IPCC-Sonderbericht dazu ein.

Bisher identifizierte mögliche Kippelemente mini|Eine Statistik zu der Forschung über Klimakippelemente Die Arbeitsgruppe um Schellnhuber benannte im Jahr 2008 die folgenden neun potenziellen Kippelemente:

Abschmelzen des sommerlichen arktischen Meereises Abschmelzen des Grönländischen Eisschildes Abschmelzen des Westantarktischen Eisschildes Erlahmen der atlantischen thermohalinen Zirkulation mit damit verknüpftem Kollaps des Nordatlantikstroms Veränderung der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) Zusammenbruch des indischen Sommermonsuns Veränderungen im Westafrikanischen Monsunsystem mit Auswirkungen auf Sahara und Sahelzone (mit möglicherweise Ergrünen der Sahara als positivem Kippelement) Entwaldung des tropischen Regenwaldes Rückgang borealer Wälder

Von diesen neun Kippelementen stellen nach Einschätzung der befragten Experten derzeit das Abschmelzen des arktischen Meereises und des grönländischen Eisschilds die größte Bedrohung dar.

Später wurden noch weitere potenzielle Kippelemente identifiziert:

Schmelzen von Teilen des ostantarktischen Eisschilds, am Wilkes-Becken Schwinden der tibetischen Gletscher Methan-Ausgasung aus den Ozeanen und aus anderen Methanhydrat-Lagerstätten Methan- und Kohlendioxidemissionen aus tauenden Dauerfrostböden Austrocknen des nordamerikanischen Südwestens Abschwächung der marinen Kohlenstoffpumpe Absterben von Korallenriffen; im Jahr 2025 wurde im Global Tipping Point Report festgestellt, dass Warmwasserkorallen mit 99%iger Sicherheit in den nächsten 10 Jahren ihren Kipppunkt überschreiten werden. Destabilisierung des Jetstreams (sowie des Monsuns - siehe oben) erhöht die Wahrscheinlichkeit von heftigen Fluten und Dürren Rückgang der Netto-Produktivität der Biosphäre (NPB), d. h. der Fähigkeit der Biosphäre, das Treibhausgas CO2 zu binden Auflösung niedriger Schichten aus Stratocumuluswolken über dem subtropischen Meer bei CO2-Konzentrationen um 1200 ppm Schmelzen der Eisschild-Grundzone der Antarktis durch eindringendes Meerwasser

Abschmelzen des arktischen Meereises mini|Umfang der arktischen Meereis­be­deckung in den letzten 1450 Jahren Ob das Abschmelzen des arktischen Meereises bereits einen Kipppunkt überschritten hat bzw. ob ein solcher zukünftig eintritt, wird seit einigen Jahren diskutiert. Als Folge der globalen Erwärmung hat sich in den letzten Jahrzehnten – bedingt durch die polare Verstärkung – die Lufttemperatur in der Arktis um das Dreifache des globalen Durchschnitts erhöht. Es wurde dort seit den 1970er Jahren um 2 °C wärmer; die sommerliche Meereisbedeckung ist seitdem durchschnittlich um 40 % zurückgegangen. Zudem wurde die Eisschicht in großen Arealen dünner. Eine vorübergehende Änderung der Arktischen Oszillation und der Pazifischen Dekaden-Oszillation ab 1989 bewirkte außerdem, dass sich größere Anteile der Eisdecke lösten. Der zunehmende Anteil der nicht von Eis bedeckten Wasserfläche führte zu einer größeren Absorption der Sonneneinstrahlung und somit zu einem weiteren Abtauen von Eis, einem Anstieg der Meerestemperatur und einer geringeren Eisbildung in den Wintermonaten. Nach 1988 sei der Einfluss der Eis-Albedo-Rückkopplung größer geworden als externe Einflüsse. Dass dieser Effekt trotz der Normalisierung der Arktischen Oszillation und der Pazifischen Dekaden-Oszillation weiter anhält, weist nach Lindsay und Zhang (2005) auf ausgeprägte nichtlineare Effekte hin. Sie gehen daher davon aus, dass der Kipppunkt für das Abschmelzen der arktischen Meereisbedeckung bereits Ende der 1980er/Anfang der 1990er Jahre überschritten wurde. Holland et al. (2006) dagegen nahmen aufgrund eigener Berechnungen an, dass der Kipppunkt frühestens im Jahr 2015 erreicht werden würde. Berechnungen von Livina und Lenton (2013) zufolge fand im Jahr 2007 eine abrupte und seitdem anhaltende Veränderung in der Amplitude der jahreszeitlichen Schwankungen der arktischen Meereisbedeckung statt, die durch die interne Dynamik des arktischen Klimasystems (und nicht durch externe Einflüsse) begründet zu sein scheint und von den Autoren als Kipppunkt betrachtet wird. Es wird davon ausgegangen, dass es sich um einen reversiblen (umkehrbaren) Kipppunkt handelt.

Abschmelzen des Grönländischen Eisschilds mini|hochkant|Kipppunkte im Klimasystem am Beispiel des Grönländischen Eisschilds (Erklärvideo der tagesschau) Der Kipppunkt für das vollständige Abschmelzen des Grönländischen Eisschilds könnte bereits ab einer globalen Erwärmung von 0,8 bis 3 °C erreicht werden mit einer besten Schätzung von 1,5 °C. Der Grönländische Eisschild besitzt überwiegend eine Mächtigkeit von 3.000 Metern, sodass seine hoch über dem Meeresspiegel liegende Oberfläche sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt ist. Die Lufttemperatur nimmt gemäß barometrischer Höhenformel um etwa 6–7 °C pro 1000 m Höhe ab. Je dünner der Eisschild wird, desto häufiger werden Perioden auftreten, in denen die Oberfläche zu tauen beginnt. Das Abschmelzen beschleunigt sich damit selbst und würde über Jahrtausende zu einem Anstieg des Meeresspiegels von etwa 7 Metern führen. Es wird angenommen, dass unterhalb einer kritischen Eisdicke sich der Schmelzprozess selbst dann fortsetzt, wenn das Klima auf das vorindustrielle Temperaturlevel zurückgehen sollte. Ein Vergleich mit dem letzten Interglazial, der Eem-Warmzeit vor etwa 126.000 bis 115.000 Jahren, vermittelt allerdings aus wissenschaftlicher Sicht ein uneinheitliches Bild. Während manche Studien einen bis zu 15 Meter höheren Meeresspiegel als gegenwärtig postulieren, mit einem Schmelzwasseranteil des Grönländischen Eisschilds von 4,2 bis 5,9 Metern, wird überwiegend davon ausgegangen, dass während des Eem-Interglazials, bei partiell wärmerem Klima als im Holozän, der Meeresspiegel maximal 9 Meter über dem heutigen Niveau lag. Nach diesem Szenario hätte der Eisschild ungefähr 1,5 bis 2,5 Meter zu dieser Erhöhung beigesteuert und demnach nur einen Teil seiner Masse eingebüßt. Eine Studie aus 2025 kommt zu dem Schluss, dass die Eisschilde der Erde bereits bei einer globalen Erwärmung um 1,5  °C nicht bestehen können. Selbst die gegenwärtige Erwärmung von 1,2  °C sei dafür dauerhaft zu hoch und wird wahrscheinlich mehrere Meter Meeresspiegelanstieg über Jahrhunderte erzeugen - einschließlich großer Schäden für Küstenbewohner. Es wird eine näher an oder unter 1  °C liegende globale Erwärmung als notwendiges Ziel zur Bewahrung der Eisschilde vermutet.

Abschmelzen des Westantarktischen Eisschilds mini|Oberflächenneigungen der Antarktis