Ricarda Winkelmann studierte Mathematik und Physik in Göttingen und Kalifornien, promovierte in Physik am PIK und leitet inzwischen mehrere große Projekte zur Erforschung von Klimadynamiken unter anderem zur Antarktis und den sogenannten Kippelementen im Erdsystem. Seit 2015 ist sie Juniorprofessorin für Klimasystemanalyse an der Universität Potsdam. Eine Sache fasziniert die 34-jährige Forscherin an den Polarregionen besonders: „Sie sind ein einzigartiges Klimaarchiv. Mit Eisbohrkernen können wir einen Blick in die Vergangenheit werfen, über Hunderttausende von Jahren zurück.“ Diese Faszination und ihr umfassendes Wissen über die Polarregionen vermittelt die junge Forscherin anschaulich in Bildern und Vergleichen. So ließen sich mit den Proben aus dem Eis die Altersschichten wie bei Baumringen hinunterzählen. Gleichzeitig verbergen die Lufteinschlüsse im Eis einen kostbaren Schatz: Jahrtausende alte Luft, die etwas über frühere Klimabedingungen verrät – und die Rückschlüsse auf aktuelle Veränderungen zulässt. „Die Polarregionen sind daher auch eine Art Frühwarnsystem für den Klimawandel.“
Kilometerdicke Eisschichten bedecken die Antarktis
Sowohl Grönland als auch die Antarktis sind von einer kilometerdicken Eisschicht bedeckt – damit sind es die größten permanent vereisten Flächen der Welt. Beide Regionen verlieren derzeit an Masse und tragen so zum weltweiten Meeresspiegelanstieg bei. Die dafür verantwortlichen Prozesse seien jedoch sehr unterschiedlich, erklärt Winkelmann. „In Grönland schmilzt das Eis durch die vergleichsweise wärmeren Temperaturen zunehmend an der Oberfläche. In der Antarktis hingegen sind es eher die Wechselwirkungen zwischen Eis und Ozean, die zum Masseverlust führen.“ Die Antarktis ist rundherum von schwimmenden Eisschelfen umgeben, einige von ihnen sind größer als Deutschland. Die Schelfe haben eine Art Pufferwirkung, da sie den Eisfluss vom Inland ins Meer bremsen. Schmelzen die Schelfe zunehmend durch den fortschreitenden Klimawandel, so wird dieser Puffer geschwächt – mehr Eis fließt in den Ozean, der Meeresspiegel steigt. Diese Prozesse untersucht Winkelmann mit dem Parallel Ice Sheet Model (PISM), das ihre Gruppe am PIK gemeinsam mit der University of Alaska, Fairbanks (UAF) entwickelt.
Doch könnte wärmere Luft, die mehr Feuchtigkeit halten kann, nicht auch mehr Schneefälle mit sich bringen und auf diese Weise die Eisschicht stärken? Dieser Frage ist Ricarda Winkelmann in ihrer Dissertation am PIK nachgegangen. „Lange Zeit wurde angenommen, dass mehr Niederschläge durch eine Erwärmung in der Antarktis paradoxerweise dem Meeresspiegelanstieg entgegenwirken können. Unsere Studie hat jedoch gezeigt, dass dieser Effekt zu einem großen Teil durch eine Beschleunigung der Eismassen kompensiert wird.“ Weil zusätzlicher Schnee das Eis, das auf dem Boden aufliegt, stärker erhöht als die schwimmenden Eisschelfe am Rande des Kontinents, fließt es schneller in Richtung Küste – und trägt dadurch zum Anstieg des Meeresspiegels bei.
Dominoeffekte im Erdsystem
Sollte das antarktische Eis komplett verschwinden, würde das den Meeresspiegel weltweit um 58 Meter anheben. Ein Abschmelzen Grönlands würde weitere sieben Meter Meeresspiegelanstieg bedeuten. Das hätte weltweit fatale Folgen und langfristig wären auch die Küstenregionen in Deutschland vom Anstieg des Meeresspiegels betroffen. In der Zukunft könnte es zudem vermehrt zu Sturmfluten kommen und das Grundwasser möglicherweise versalzen. Auch für den globalen Ozean hätte ein verstärktes Abschmelzen Grönlands Konsequenzen: Das Golfstromsystem beispielsweise, das warme Luft zu uns nach Europa bringt, wird von Dichteunterschieden zwischen den Polarregionen und dem Äquator angetrieben. Das zusätzliche Süßwasser des schmelzenden Eisschildes kann diese Strömung verlangsamen – und dadurch könnte es auf dem europäischen Kontinent kälter werden.
Winkelmann interessiert sich besonders für sogenannte Dominoeffekte im Erdsystem. Seit drei Jahren leitet die Juniorprofessorin das gleichnamige Projekt, das gemeinsam vom PIK und vom Leibniz-Institut für Sozialwissenschaften GESIS durchgeführt wird. „Im Erdsystem gibt es einige interagierende Kippelemente. Sie sind vergleichbar mit einem Kajak: Kippt man damit im Wasser um, braucht es viel Kraft, um das Boot wieder umzudrehen.“ Denn ist ein Kipppunkt erst einmal überschritten, entwickelt sich eine Eigendynamik, die ohne weitere äußere Einflüsse fortschreitet – also etwa auch dann, wenn es gelänge, von heute auf morgen keine Treibhausgase mehr auszustoßen. Die Antarktis und Grönland zählen zu diesen Kippelementen, die die Forscher im Visier haben, aber auch der Amazonas-Regenwald, die globalen Ozeanströme und die Korallenriffe. Ihr Kippen hätte weitreichende Umweltauswirkungen, die die Lebensgrundlage vieler Millionen Menschen betreffen. Die globalen Zusammenhänge solcher Kippelemente untersucht Winkelmann im PIK-FutureLab „Earth Resilience in the Anthropocene“, dessen Ko-Leiterin sie seit 2019 ist.
Forschen bei eisigen Temperaturen
Bei ihren Expeditionen mit dem deutschen Forschungseisbrecher „Polarstern“ in die Antarktis, geleitet vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI), war die Wissenschaftlerin in teils noch unbekanntem Terrain unterwegs: „Vor etwa 100 Jahren brachen erstmals Forscher dorthin auf – ins ewige Eis, wie man im Deutschen gerne sagt. Auch wenn dieser schöne Ausdruck eigentlich nicht zutreffend ist, wie wir aufgrund der aktuellen Beobachtungen leider feststellen müssen.“ Die Arbeit an Bord begann oft schon um vier Uhr morgens mit dem morgendlichen Blick aufs Eis. „Vom Eisbrecher aus haben wir die Schneebedeckung, die Eisdicke und die Eiskonzentration erfasst. Diese Daten bilden nur einen kleinen Teil der sehr umfangreichen Datensätze, die über die letzten Jahrzehnte zusammengetragen wurden.“ Mit diesen vor Ort erfassten Informationen können unter anderem Satellitenaufnahmen besser kalibriert werden.
Mit ihren Kollegen untersuchte Winkelmann weitere Eigenschaften des Meereises mit sogenannten Salz- und Lichtharfen, die am Max-Planck Institut für Meteorologie in Hamburg entwickelt wurden. Die Harfen, die statt Saiten Drahtpaare besitzen, messen Salzgehalt, Temperatur und Lichteinfall über die gesamte Tiefe der Scholle. „Wir können so das Wachsen und Schmelzen einer Scholle über das Jahr hinweg aufzeichnen. Die Harfen werden ins Eis eingesetzt, eingefroren und senden dann per Satellit regelmäßig neue Messdaten.“ Ziel dieser Messungen ist es herauszufinden, wie sich das Meereis in der Antarktis verändert. „Für mich als Mathematikerin, die sonst mit dem Computer oder Papier und Bleistift arbeitet, ist es eine unglaubliche Erfahrung, auf einer Expedition das Eis einmal direkt zu untersuchen.“ Und das teils bei gefühlten Temperaturen von bis zu 55 Grad unter null. „Bei solchen Temperaturen muss man sich jede kleinste Bewegung überlegen. Zumal man immer dicke Handschuhe trägt – da kann schon das Festziehen einer Schraube schwierig werden.“
Klimawandel und Klimaziele
Neben ihrer Forschung ist Winkelmann seit vier Jahren Mitglied der Jungen Akademie an der Berlin- Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften und der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina sowie seit Kurzem auch im Präsidium der Jungen Akademie tätig. „Wir feiern 2020 das 20-jährige Jubiläum der Jungen Akademie. Um ein möglichst großes Publikum zu erreichen, starten wir neben Angeboten wie unseren öffentlichen KlimaLectures einen Online-Wettbewerb zum Thema Nachhaltigkeit und auch eine Veranstaltungsreihe zu wissenschaftlichen Themen in Kinos, Museen oder Kneipen.“ Doch genauso wichtig wie Forschung und deren Vermittlung ist der Juniorprofessorin die Lehre. „In meinen Seminaren und Vorlesungen an der Universität Potsdam finde ich es besonders wichtig, aktuelle Forschungsthemen einzubinden.“ Sie entwickelt mit den Studierenden auch neue Lehrformate, wie etwa ein Wiki zur Klimaphysik oder SmartMovies zu Kippelementen.
Für die nächsten Jahre hat sich die Forscherin viel vorgenommen. Unter anderem als Mitglied der neu ins Leben gerufenen Earth Commission, einer Vereinigung führender Erdsystemforscherinnen und -forscher, die von PIK-Direktor Professor Johan Rockström mit geleitet wird. Ziel ist es, über das Pariser Klimaabkommen hinaus die wissenschaftliche Grundlage für weitere Nachhaltigkeitsziele zu erarbeiten: zum Beispiel für den Schutz des Amazonas- Regenwaldes, den Erhalt der Biodiversität und für eine umweltverträgliche Landnutzung. „Die Arbeit beginnt jetzt und wird mich die kommenden drei Jahre beschäftigen. Ich freue mich sehr darauf.“
Auch wenn sie mit ihrer Forschung ständig auf globale Gefahren hinweist – Ricarda Winkelmann ist eine sture Optimistin, wie sie selbst sagt. „Alexander von Humboldt hat einmal sehr treffend gesagt, dass gute Ideen nur dann nützen, wenn sie in vielen Köpfen lebendig werden. Im Moment habe ich den Eindruck, dass der Klimawandel international im Bewusstsein der Menschen angekommen ist.“ Und das müsse er auch. „Wenn wir das in Paris vereinbarte UN-Klimaziel, den globalen Anstieg der Temperaturen auf deutlich unter zwei Grad Celsius zu begrenzen, einhalten wollen, müssen wir jetzt die Kehrtwende schaffen.“
Die Wissenschaftlerin
Prof. Dr. Ricarda Winkelmann studierte Physik und Mathematik an der Georg-August-Universität Göttingen sowie an der University of California, Santa Barbara. Seit 2015 ist sie Juniorprofessorin für Klimasystemanalyse an der Universität Potsdam und am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung.
E-Mail: ricarda.winkelmannuuni-potsdampde
Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal Wissen - Eins 2020 „Energie“ (PDF).