Vippepunkt (klima)

Ved passering av vippepunkter kan galopperende reduksjon av Grønlandsisen eller sjøisen i Arktis forsterke global oppvarming forårsaket av menneskeskapte klimagasser.

Foto: Reto Stöckli/NASA

Vippepunkter i jordens klimasystem er mekanismer som fører til at klimaet endres fra en stabil tilstand til en annen, om visse terskelverdier overskrides ved global oppvarming. Endringene kan være brå og irreversible, og føre til en klimatilstand som i verste fall kan gi store endringer av jordens klimasystemet, omfattende skader på de fleste økologiske systemer og gi omfattende masseutryddelse av arter. Slike klimaendringer kan også vanskeliggjøre opprettholdelsen av avanserte samfunn. Kunnskapen om disse vippepunktene og deres eventuelle konsekvenser er imidlertid begrenset, men målet om å begrense den globale oppvarmingen til 1,5 °C har blant annet til hensikt å unngå at slike terskelverdier overskrides.

Klimasystemets vippepunkter har direkte sammenheng med positive tilbakekoblingsmekanismer, som er selvforsterkende prosesser som forsterker klimaendringene som i første omgang skyldes klimapådriv. Dette er i forbindelse med global oppvarming økt konsentrasjon av karbondioksid (CO₂) i atmosfæren (økt strålingspådriv). Flere av tilbakekoblingsmekanismene er lineære med CO₂-konsentrasjonen og skjer derfor sakte, mens de som omtales som vippepunkter skjer brått og har en ikke-lineær sammenheng. For eksempel skjer oppvarmingen i Arktis raskere enn klimaforskerne greier å forutsi, noe som tilskrives vippepunkter.

Forskere er bekymret for vippepunkter fordi store endringer kan inntreffe om de passeres, men at grenseverdiene for at dette skal skje er usikre. Spesielt kan konsekvensene bli store om flere vippepunkter utløses etter hverandre. I forbindelse med vippepunkter snakker en også om løpske klimaendringer. Denne hypotesen går ut på at raske akselererende klimaendringene kan føre til potensielt uopprettelig skade på klimasystemet, noe som gjør det umulig å gjøre tilpassinger til klimaendringene. Dette antas å føre til at klimaet raskt endres til det når en ny stabil tilstand svært forskjellig fra den tilstanden som har vært de siste tusener år.

Definisjoner og begrepsavklaring

I IPCCs femte hovedrapport definerer «komponenter eller fenomener i klimasystemet som vil ha potensiale til å krysse kritiske terskelverdier (engelsk: critical thresholds) eller vippepunkter (engelsk: tipping points), der en plutselig eller ikke-lineær overgang til en annen tilstand inntrer».

Slike plutselige klimaendringer er i IPCCs femte hovedrapport definert som «en storskala endring i klimasystemet som tar sted over noen få tiår eller mindre, vedvarer (eller forventes å vedvare) minste noen tiår, og som forårsaker substansielle forstyrrelser i menneskelige- og naturlige systemer».

Klimaendringer kan være irreversible, og også fenomenet dette har forskjellige definisjoner. IPCCs femte hovedrapport definert en endring til å være «irreversible på en gitt tidsskala om tilbakeføringstiden fra denne tilstanden ved naturlige prosesser er signifikant lengre enn tiden det tar for systemet å oppnå den forstyrrede tilstanden».

En irreversibel klimatilstand kan karakteriseres på forskjellige måter. Blant annet ved om den har en eller flere stabile tilstander og om dens syklus kan beskrives ved hysterese. Dette bestemmer igjen om tilstanden er reversibel om klimapådraget ble reversert eller fjernet.

Historie

Begrepet vippepunkter i klimasystemet ble introdusert av den tyske klimaforskeren Hans Joachim Schellnhuber i år 2000. Hensikten med begrepet var at politikere og mediafolk lettere skulle kunne fatte denne mekanismen i klimasystemet. Det bygger på hans arbeid på ikke-lineær dynamikk. Han påpekte eksistensen av slike mekanismer da han var en av de koordinerende forfatterne i arbeidsgruppe II for IPCCs tredje hovedrapport til FNs klimapanel (2001). Fenomenet går ut på at usammenhengende, irreversible og ekstreme hendelser er forbundet med global oppvarming. Inntil da hadde en i hovedsak antatt at klimaendringer vil være lineære.

De farlige konsekvensene av klimaendringer, kan bare diskuteres i forhold til ikke-lineær oppførsel. Hvis global oppvarming bare hadde gradvis påvirkning over tid, og alt endret seg mer eller mindre lineært, så får du litt mindre hveteproduksjon, men du har litt mer ananasproduksjon – hvem bryr seg? Vi kunne lett tilpasse oss det. Men ser vi tilbake på jordens fortidige geologi og de siste klimaendringene, har det oppstått en rekke veldig plutselige og for det meste irreversible forandringer. Ting blir forandret og varer ved i tusenvis av år, og du kan ikke enkelt endre tilbake til det opprinnelige. Det er det jeg kaller 'vippepunkt hendelser'.

Hans Joachim Schellngruber

I februar 2008 ble forskningsartikkel «Tipping elements in the Earth's climate system» (Vippepunkter i jordens klimasystem) publisert, denne ble i årene 2008 og 2009 den mest siterte artikkelen innenfor geofag. Forskningsarbeidet til artikkelen begynte i oktober 2005. På et arbeidsmøte ved den Britiske ambassaden i Berlin hadde 36 britiske og tyske klimaforskere diskutert konseptet, og mulig vippepunkter i jordens klimasystemet ble identifisert. I det følgende året ble 52 andre internasjonale eksperter intervjuet, samt at relevant vitenskapelig litteratur om emnet ble evaluert. Ni mulige vippepunkter ble utpekt hvor terskelverdien kan overstiges innen år 2100. Etter dette har også andre potensielle vippepunkter blitt identifisert.

Arbeidsgruppen som Schellnhuber ledet kom i 2008 opp med følgende ni potensielle vippepunkter:

• smelting av sommeris i Arktis
• smelting av Grønlandsisen
• smelting av den Vest-Antarktiske innlandsisen
• svekkelse av den atlantiske thermohaline sirkulasjonen
• endring i El Niño-sørlig oscillasjon (ENSO)
• sammenbrudd av den indiske sommermonsunen
• endringer i det vestafrikanske monsunsystemet med effekter for Sahara og Sahel (med vegetasjonsvekst i Sahara som et positivt vippepunkt)
• Avskoging av tropisk regnskog
• nedgang i boreale skoger

Ifølge ekspertvurderinger er smeltingen av arktisk sjøis og Grønlandsisen den største trusselen av disse ni vippepunktene.

Senere ble andre vippepunkter identifisert:

• tilbaketrekning av isbreer i Tibet
• utslipp av metan fra havet og fra andre lagre av metanklatrat (metanhydrater)
• utslipp av metan (CH₄) og CO₂ fra permafrost jord som timer
• uttørking av sørvestlige landområder i Nord-Amerika
• svekkelse av havet som karbonsluk
• ødeleggelse av korallrev
• kaostilstand for jetstrømmer.

Tilbakekoblingsmekanismer forsterker opprinnelig påvirkning

Jordens klimasystem består av mange komponenter som virker sammen på komplekse måter, og over tid og rom. På grunn av disse interaksjonene kan ikke oppførselen til systemet forutses ved å se på enkeltkomponenter for seg selv.

Begrepet pådriv er en endring som kan tvinge klimasystemet mot oppvarming eller nedkjøling. Et eksempel på et klimapådriv er økte konsentrasjoner av drivhusgasser. Dette kalles også for et strålingspådriv fordi det har sammenheng med atmosfærens strålingsbalanse. Per definisjon er et pådriv eksternt i forhold til klimasystemet, mens tilbakekoblinger er interne. I hovedsak representerer tilbakekoblinger de interne prosessene i systemet. Noen tilbakekoblinger kan opptre isolert fra resten av klimasystemet, mens andre kan være tett koblet med systemet, derfor kan det være vanskelig å si akkurat hvor mye en bestemt prosess bidrar.

Pådriv og tilbakekoblingsmekanismer

Utdypende artikkel: Klimapådriv

Utdypende artikkel: Tilbakekoblingsmekanisme

En tilbakekoblingssløyfe hvor alle utganger av en prosess er tilgjengelige som årsaksinnganger til den prosessen. Signalet fra utgangen (Outputs) A blir ført tilbake til inngangen (Inputs) B til prosessen (P) og vil enten forsterke eller svekke utgangssignalet.

Tilbakekobling oppstår når utgangen av et system blir sendt tilbake som inngang som en del av en kjede av årsak og virkning som danner en krets eller sløyfe. Systemet kan da sies å være «koblet tilbake» i seg selv slik som illustrasjonen til høyre viser. En snakker om posivite- og negative tilkabekoblinger. Positiv tilbakekobling er en prosess som skjer i en tilbakekoblingssløyfe hvor effekten av en liten forstyrrelse på et system fører til en økning av størrelsen på den opprinnelige forstyrrelsen. Det betyr at A produserer mer av B som igjen produserer mer av A. Et system med negativ tilkabakobling har den motsatte virkningen, der en endring av A produserer mindre av B som igjen produserer mindre av A. Begge konseptene spiller en viktig rolle innen vitenskap og teknologi, ikke minst innenfor klimatologi.

Pådriv, tilbakekoblinger og dynamikken i klimasystemet bestemmer hvor mye og hvor fort klimaet endres. De viktigste positive tilbakekoblingsmekanismen i forbindelse med global oppvarming er at økt varme øker mengden av vanndamp i atmosfæren, som igjen fører til ytterligere oppvarming. Den viktigste negative tilbakemeldingen beskrives av Stefan–Boltzmann lov, som sier at mengden energi i form av varmestråling ut fra jorda til verdensrommet endres med fjerde potensen av temperaturen på jordoverflaten. Det vil si at en liten temperaturøkning gir stort utslag i form av utstråling av energi ut i verdensrommet.

De positive tilbakekoblingsmekanismene kan ha akselererende effekter på jordens klima, og dessuten ha irreversible vippepunkter. Disse innebærer ikke-lineære endringer som ikke er jevne eller mulig å forutsi. Ved et tidspunkt kan en liten endring av det globale klimasystemet, selv om det er nokså stabilt, transformeres til en helt annen klimatilstand.

Karakteristika for vippepunkter

De positive tilbakekoblingen i klimasystemet har potensiale for å akselerere det menneskeskapte klimapådrivet (blant annet klimagasser). Under verst tenkelige konsekvenser kan de også endre jordens klimasystem, helt eller delvis over i nye tilstander som er svært forskjellige fra det kjente klimaet. Noen tilbakekoblingsmekanismer og potensielle tilstandsendringer kan modelleres og kvantifiseres, andre kan modelleres eller identifisert, men ikke kvantifisert. En regner også med at noen sannsynligvis fortsatt er ukjente.

Sannsynligheten for at slike vippepunkter skal passeres og klimaet gå over til nye tilstander er vanskelig å forutsette. På den annen side kan konsekvensene bli store, og være mye mer alvorlige enn klimamodellene forutsier for tiden frem mot år 2100. Årsaker til dette er at klimamodeller ikke tar med alle komponenter i klimasystemet, eller at de er representert forenklet. Dette gjelder for eksempel iskapper eller karbonreserver (for eksempel i permafrost). Dessuten tar ikke modellene med alle interaksjonene mellom slike komponenter som gir selvforsterkende virkninger. En regner derfor med at det kan være muligheter for at klimasystemet kan gjennomgå uventede endringer. Det er konsensus om at desto høyere og desto raskere global oppvarming skjer, jo større er risikoen for overraskende endringer. Et annet karakteristisk trekk med vippepunkter er at selv om overgangen til en tilstand til en annen kan være rask, kan selve overgangen, eller overføringen av klimasystemet over til en ny modus, ta alt fra tiår til flere hundre år, eller til og med tusen år.

Ved hjelp av modellering, undersøkelse av paleoklima (fortidens klima) og ekspertvurderinger har forskerne pekt ut et antall vippepunkter relatert til atmosfære- og havsirkulasjon, kryosfæren (snø og isdekkede områder), karbonsyklusen og økosystemer.

Vippepunkter relatert til kryosfæren

Snøoverflaten ved Dome C Station, Antarktis, er representativ for mesteparten av kontinentets overflate. Bildet ble tatt fra toppen av et tårn, 32 m over overflaten. En overflate som dette reflekterer mye sollys og birdrar til nedkjøing.

Foto: Stephen Hudson

De snø- og isdekkede områdene i Arktis og Antarktis har stor betydning for jordens klimasystem. Årsake til at disse områdene er kalde, og at det meste av nedbøren faller som snø er hovedsakelig solens lave vinkel. I tillegg reflekteres mye av sollyset av den hvite overflaten og går ut i verdensrommet, kjent som albedo. Solstrålene som treffer jordoverflaten her vil i liten grad bidra til oppvarming av regionen. I et system med temperaturforskjeller, som mellom områdene ved ekvator og polene, vil temperaturbalanse alltid tilstrebes. Jordens hav og atmosfæriske sirkulasjoner transporterer store varmemengder mot polene, dette gjør at jorden får utjevnet sine temperaturforskjeller.

Konsekvensene av oppvarming av Arktis og Antarktis er blant annet mulige endringer av: Havstrømmene, jetstrømmene, tining av permafrost og utslipp av klimagasser både fra land og hav, samt økning av havnivået ved smelting av breer og iskapper. Endringer ved polene vil altså kunne få betydning for klimaet på hele jorden. På grunn av vippepunkter kan disse påvirkingen skje hurtigere enn temperaturøkningen alene skulle tilsi.

Reduksjon av den arktiske havisen

Omfanget av Arktisk sjøis i løpet av de siste 1450 årene,

Is og snø reflekterer mye sollys, men når den smelter blir fargen mørkere og mer lys absorberes. Om isen smelter helt avdekkes berggrunnen under eller havet for sjøis, som ofte er mørk. Den mørkere overflaten absorberer mer stråling fra solen, det skjer en oppvarming og dette akselererer i sin tur smeltingen av gjenværende is. Denne mekanismen er kjent som is-albedo-tilbakekoblingen, er et eksempel på en selvforsterkende prosess der et og samme fenomen, altså reduksjon av is fungerer som en driver, samtidig som det er et resultat av temperaturstigning. Men det er også flere andre mekanismer som gjør jordens store ismasser til et vippepunkt.

Under påvirkning av global oppvarmingen har temperaturen i Arktis økt tre ganger mer enn det globale gjennomsnittet. Det har vært en oppvarming på 2 °C siden 1970-årene og havisen om sommeren har blitt redusert med et gjennomsnitt på 40 %. I tillegg er tykkelsen av isen i store områder redusert.

Den økende andelen isfritt vann på havoverflaten har ført til større absorpsjon av solstråling, og dermed en ytterligere oppvarming og smelting av mer is. Dette har gitt en økning av havtemperaturen og redusert isdannelse om vinteren. Etter 1988 har påvirkning på grunn av is-albedo-tilbakekobling vært større enn bidraget fra ytre påvirkninger. At denne tilbakekoblingsmekanismen har fått så stor betydning, tyder på at ikke-lineære effekter gjør seg gjeldende.

På grunn av den store reduksjon av arktisk sjøis om sommeren, har flere studier antydet at isen kan nå et vippepunkt, eller at dette allerede er passert. Det er imidlertid vanskelig å påvise vippepunkter for den arktiske isen på grunn av kort observasjonstid, samt at det er store årlige og tiårige variasjoner.

Modellstudier har vært utført som tyder på at et tap eller oppstykking av den arktiske isen i en varmere verden, ikke vil føre til at den vil forsvinne om verdens klima normaliseres (CO₂-nivået i atmosfæren kommer tilbake til normale verdier). Noen studier kan tyde på at isfrie årlige forhold i Arktis kan oppstå raskt, men om disse er irreversible eller ikke ser ut til å avhenge av modellenes kompleksitet og struktur.

Vitenskapsmenn som samler vannprøver for å undersøke vannets kjemi og observere kolonier av plankton i vannet og på isens overflate. Når isen ved Nordpolen smelter blir den mørke havoverflaten eksponert, dermed absorberes mer sollys og farvannene varmes opp.

Foto: Kathryn Hansen/NASA

I Klimapanelets femte hovedrapport konkluderes det med at hurtig tap av sjøis i Arktis er sannsynlig i overgangen til sesongvise isfrie forhold. Det er få beviser for at det eksisterer vippepunkter for overgangen fra permanent sjøis til et sesongvist isfritt Arktis, der videre tap av sjøis ikke kan stoppes eller er irreversibelt.

Smelting av Grønlandsisen

Smeltevann på Grønlandsisen.

Foto: NASA

Studier av Grønlandsisen i 2010-årene kom frem til at en global temperaturstigning på 2–3 °C vil resultere i en fullstendig nedsmelting av isen. Nyere estimater i 2018 basert på simuleringer med høyere oppløsning, som tar hensyn til albedo og sterkere tilbakekoblinger, antyder enda lavere terskeltemperatur. Slike studier viser at en økning på 0,8–3,2 °C (med 95 % konfidens) er tilstrekkelig, med en global gjennomsnittlig temperaturøkning 1,6 °C over førindustrielle verdier, som beste estimat. Det holdes som sannsynlig at Grønlandsisen vil gå over i en tilstand med irreversible istap selv med et scenario for medium–lave CO₂-utslipp frem til år 2100 (klimapanelets scenario RCP4.5).

Årsaken til reduksjon av både areal og volum av Grønlandsisen er økt smelting på grunn av varmere klima. Denne økte smeltingen blir ikke kompensert av økt snøfall om vinteren, samt at smeltingen forsterkes av positive tilbakekoblinger.

Smeltingen av Grønlandsisen kan være irreversibel, både i forhold til dens utstrekning (areal) og volum. Dette på grunn av en tilbakekoblingmekanisme knyttet til overflatens høyde over havet. Når iskappen smelter reduseres dens høyde over havet, dermed blir en stadig større del av isens overflate liggende i et lavere, og dermed varmere klima. Smeltingen øker og den tilsvarende massebalansen betyr en mindre utbredelse av isen.

Det er forskning som tyder på at Grønlandsisen kan komme til å reduseres til en mindre isbre enn i dag ved passering av et visst vippepunkt, og at den tilstanden da vil være irreversibel. Hvor lenge denne terskeltemperaturen overskrides og hvor mye, tror en kan være avgjørende for om prosessen er irreversibel. Det kan også være flere slike stabile tilstander for en redusert Grønlandsis. En irreversibel reduksjon antas å ha størst mulighet for å skje på en tidsskala av flere hundre år.

En direkte konsekvens av at Grønlandsisen smelter er økt havnivå. Om hele Grønlandsisen smelter vil det gi en havnivåstigning på rundt 7 m. Tiden for dette er estimert til å være mellom flere hundre til tusen år.

Smelting av den Vest-Antarktiske innlandsisen

Gradienter på iskappen over Antarktis

I Øst-Antarktis, som utgjør den største delen av Antarktis, er det ikke forventet noen endringer den første delen av 2000-tallet. Derimot forventes det dyptgripende endringer i Vest-Antarktis. Flere svært store breer på den Vest-Antarktiske innlandsisen ender i havet. Disse ishyllene hviler på berggrunn flere hundre meter under havflaten, der grunnen skråner svakt ut mot havet. Fordi sjøvann har blitt oppvarmet siden slutten av 1900-tallet, har dette ført til økt smelting og at brehyllen enkelte steder har trukket seg tilbake. Eksempler er Pine Island breen eller Thwaites breen. Analyser har vist at vippepunktet for fullstendig smelting av Thwaites-breen sannsynligvis allerede er passert: Det forventes at smeltingen vil skje over en tidsperiode på 200 til 900 år. Bidraget til havnivåøkning vil være 3 m.

Det at ishyller hviler på berggrunn under havnivå og som skråner ut mot havet, gjør at abrupte endringer kan skje. Forholdene er slik ikke bare i Vest-Antarktiske, men også visse deler av Grønland og Øst-Antarktisk. Utglidning av ishyller på grunn av økt temperatur i havet eller i luften, kan også føre til plutselig akselerasjon av isstrøm lengre inn på isbreer. Slike endringer kan være irreversible, ut fra definisjonene nevnt over, på grunn av den svært langt tiden det tar for breer å vokse.

For fremtidige scenarier med store utslipp av klimagasser forventes det ut fra beregninger med klimamodeller, at det vil skje økt overflatesmelting og tap av is over lange tidsskalaer. Det forventes at det kan være tilbakekoblingsmekanismer mellom klima og isdekket over Antarktisk. En forventer endringer i det 21. og 22. århundre der både høyere lufttemperatur, reduksjon av isoverflatens høyde over havet og kalving (ishyller som brekker og farer ut i havet) vil føre til redusert is.

Utslipp av karbon fra områder med permafrost

I permafrost er det lagret karbonekvivalenter tilsvarende 20 ganger det som er i atmosfæren. Fordi tilførselen av karbon er en svært langsom prosess ved høye breddegrader er det lagrede karbonet fra de tidligere geologiske periodene pleistocen og holocen, hvilket vil si at lagrene er mange tusen år gamle. Risikoen med disse nedfrosne karbonlagrene er at områder med permafrost gjennomgår økte temperaturer, slik at jordsmonnet tiner og forråtnelsesprosesser starter. Fordi tidsskalaen for dannelse er så stor og en opptining og utslipp av karbon potensielt kan skje raskt, er dette vurdert til å være en irreversibel prosess. Det er flere studier som antyder at områder med permafrost allerede er utsatt for omfattende oppvarming og at opptining allerede skjer.

Om metan slippes ut ved ting av permafrost slik som det er potensiale for på de frosne torvområdene i Sibir, og gir dette en kraftig positiv tilbakekobling. Dette vil i sin tur forsterke den menneskeskapte globale oppvarmingen. Utslipp av andre gasser kan også finne sted ved global oppvarming, men forskningen på slike virkninger er på et tidlig stadium. Noen av disse gassene, slik som lystgass avgitt fra torv, er også en potent klimagass. Av de 1300–1600 GtC som er lagret i permafrost, er det estinmert at 5–15 % kan komme til å slippe ut til atmosfæren innen år 2100.

Hvordan utslipp av klimagasser fra mark skjer vil kunne være avhengig av hydrologiske forhold. Om smeltingen av permafrosten skjer slik at vanndammer og elver oppstår, vil forråtnelse kunne skje med liten tilgang på oksygen. Dermed frigjøres metan. Om derimot tiningen skjer med rikelig tilgang på oksygen vil nedbryting av organisk materiale frigjøre varme. Dette vil i så fall stimulere til økt ting. Dermed regner en med at responsen på varmere klima vil avhenge av mengden av karbon og is i jordsmonnet, samt de hydrologiske forholdene, for eksempel om effektiv drenering skjer. Under gunstige forhold kan tining føre til rask lokale nedbryting av biologisk materiale i permafrosten slik at CO₂ frigjøres. Kunnskapen om dette er imidlertid ikke stor, og de arktiske områdene regnes for å være kompliserte å beskrive. En regner også med at tining av permafrost tar lang tid, og at den positive tilbakekoblingen virker over hundrevis av år.

Simuleringmodeller for landjordens opptak av karbon projiserer at landjorden i nordområdene vil være et karbonsluk ved stigende temperaturer. Imidlertid tar ingen av modellene med forråtnelse av jordsmonnet i områdene med permafrost. Det er dermed mulig at om denne effekten tas med, vil karbonsyklusen i nordområdene endres fra et sluk til en kilde som respons på økende temperatur. Men de mange studiene som er gjort på dette gir vidt forskjellige svar på størrelsen av CO₂-utslipp som respons på varmere klima. Kilder til usikkerhet for tilbakekoblingen relatert til karbon i permafrost har å gjøre med forråtnelsesgrad, tidsskalaen nedbrytingen skjer langs, mulige tilbakekoblinger på grunn av redusert tilgang på næringsstoffer og andre usikkerheter.

Modellstudier antyder at frem til år 2100 vil ikke utslipp av CH₄ og CO₂ fra denne kilden være større enn fra andre biokjemiske tilbakekoblinger. Klimapanelets femte hovedrapport oppsummerer at forståelse av prosessene som skjer i jordsmonn under og etter at den tiner, er ufullstendig.

Utslipp av metan fra metanklatrat

Metanklatrat er iskrystaller som inneholder metan (CH₄).

Metanklatrat, også kalt metanhydrater, er en form for is som inneholder store mengder metan (CH₄) i sin krystallstruktur. Svært store forekomster av metanklatrat har blitt funnet under sedimenter på havbunnen visse steder, spesielt i områder på høye breddegrader og i Mexicogolfen. Et plutselige utslipp av store mengder naturgass fra lagre av metanklatrat, en såkalt løpsk global oppvarming, er fremsatt som en hypotese som årsak til både fortidige og muligens fremtidige klimaendringer. Frigivelse av disse metanlagrene er noe som potensielt kan gi stor økning av drivhuseffekten. Det er antatt at dette alene kan øke den globale temperaturen med 5 °C, blant annet fordi metan er en mye mer kraftig drivhusgass enn CO₂. Teorien går også ut på at dette vil påvirke tilgjengelig innhold av oksygen i atmosfæren. Denne teorien har blitt foreslått for å forklare de mest alvorlige hendelsene av masseutryddelse på jorden som er kjent som perm-trias-utryddelse, eller paleocen-eocen-termalmaksimumet. I 2008 oppdaget en forskningsekspedisjon fra American Geophysical Union nivåer av metan opp til 100 ganger høyere enn normalt i den Sibirske del av Arktis. Dette var sannsynligvis forårsaket av metanklarater som ble frigitt fra hull i et frosset «lokk» i havbunn med permafrost, rundt utløpet av elven Lena og området mellom Laptevhavet og Øst-Sibir-Havet.

Smeltingen av permafrosten vil også kunne føre til frigivelse av store mengder metan over flere tiår. Samme tendens har også blitt observert i Øst-Sibir. Om metan slippes ut ved ting av permafrost slik som det er potensial for på de frosne torvområdene i Sibir, gir dette en kraftig positiv tilbakekobling. Utslipp av andre gasser kan også finne sted ved global oppvarming, men forskningen på slike virkninger er på et tidlig stadium. Noen av disse gassene, slik som lystgass avgitt fra torv, er også en potent klimagass.

I klimapanelets femte hovedrapport er det fastslått at utslipp av CH₄ fra tining av permafrost og metanklatrat vil kunne bidrag til global oppvarming i løpet av det 21. århundre. Dette på grunn av kraftig økning av utslippene på grunn av rask oppvarming av områder i Arktisk. Derimot er utslipp fra metanklatrat estimert til å spille en liten rolle. Oppløsning av CH₄ fra bunnen og overflaten av innsjøer i Øst-Sibir-havet tyder på et vist utslipp, men det er ikke mulig å si om dette er utslipp som alltid har eksistert eller om det er en ny trend. En annen utslippskilde er utslipp av CH₄ fra råtning av sedimenter i innsjøer i Sibir. Dette kan få betydning i fremtiden. Alle estimater rundt dette er veldig usikre, bortsett fra bidrag fra våtmarksområder. Mye forskning blir for tiden (fra 2000) gjort på dette feltet.

Klimapanelets femte hovedrapport oppsummerer at forskning tyder på at det er svært usannsynlig at slike utslipp kan inntreffe før 2100, dette gjelder både fra land og hav. Derimot kan den positive tilbakekoblingen på grunn av global oppvarming, føre til utslipp av metan over tidsskalaer på flere hundre år. På grunn av den svært lange tiden for dannelse av metanklatrat og den korte tiden for utslipp, er dette en irreversibel mekanisme.

Vippepunkter relatert til sirkulasjonssystemene

I atmosfæren og i havet er det flere markante sirkulasjonssystemer, disse er variable og bestemt av sesongmessigere mønstre. Gjennom jordens historie har det vært flere faser av forstyrrelser og endringer av disse systemene. Det er en viss bekymring for at noen av disse kan gjennomgå nye endringer.

Svekking av den Atlantiske thermohaline sirkulasjonen

Animasjon av den thermohaline sirkulasjonen

Den økende smelting av arktiske hav- og innlandsis fører til et større tilsig av ferskvann, samt til økt hastighet og stabilitet for de sørgående arktiske havstrømmene. Dette kan påvirke den Nord-Atlantiske dyptvannsstrømmen, og til slutt til en reduksjon av den thermohaline sirkulasjon. Et sammenbrudd av denne strømmen, med påfølgende brå klimaendringer, vil trolig være et vippepunkt i en fjern fremtid. Derimot er en nedbremsing av den thermohaline sirkulasjon, som vil være et mindre alvorlig fenomen, noe som har robuste prognoser for å kunne skje innen år 2100. Stans av den thermohaline sirkulasjon er et eksempel på et vippepunkt som ikke bare handler om omfanget av klimaendringer, men der også hastigheten til klimaendringene kan være avgjørende (engelsk: rate dependent tipping point).

Konsekvenser av redusert styrke eller stans av den thermohaline sirkulasjon er havnivåstigning og kjøligere klima i nordøstlige deler av Nord-Amerika og Europa. En annen konsekvens er svekket opptak av CO₂ i havet, noe som vil forsterke global oppvarming.

I klimapanelets femte hovedrapport ble det sakt at det er «veldig sannsynlig» at den atlantiske thermohaline sirkulasjonen vil svekkes i løpet av det 2100 århundre, sett opp mot dens styrke i førindustrielle tid. Det er estimert en mulig halvering for scenario for store klimagassutslipp (RCP8.5) frem mot år 2100, men det er stor usikkerhet knyttet til estimater for hvor mye den kan komme til å svekkes.

Forstyrrelser i Sør-Stillehavets klimapendling og forsterkning av El Niño

Enkelt år er vindsystemene over Stillehavet mindre kraftig enn normalt. Dette gir svakere vinder slik at kaldt vann ikke trekkes opp til havets overflate, som i neste omgang åpner vei for varmt næringsfattige tropiske farvann. Disse endringene i vanntemperatur og klimatiske forhold er kjent som El Nino.

Ulike teorier blir diskutert om hvordan global oppvarming vil kunne påvirke El Niño. En arbeidsgruppe ledet av den tyske klimaforskeren Mojib Latif studerte dette i 1999. Gruppen kom fram til at økt opptak av varme i havet kan gi en vedvarende senking av termoklinen (et vannlag i havdypet) i den østlige delen av det ekvatoriale Stillehavet. Dette kan skje sammen med en større amplitude (utslag) for El Niño–sørlig oscillasjonen og/eller gi hyppigere El Niño-fenomener.

På bakgrunn av paleoklima-studier (undersøkelser av fortidens klima) har noen forskere funnet at den mest sannsynlige utviklingen er en økning i intensiteten av El Niño-fenomenet, med en økning i frekvensen er imidlertid usikkert. På samme måte er eksistensen eller lokalisering av et vippepunkt også usikkert. Av vesentlig betydning og selv under gradvise endringer, er det likevel blitt antatt, at tørke i Australia og Sørøst-Asia kan oppstå og økt nedbør på vestkysten av Amerika, kan bli resultatet. Det er også blitt diskutert om det er en sammenheng mellom El Niño og uvanlig kalde vintre i Europa.

En studie fra 2014 tyder på at ekstreme El Niño-hendelser kan dobles i fremtiden på grunn av klimaendringer. Ved hjelp av 20 klimamodeller for å undersøke mulige endringer av El Niño i løpet av de neste 100 årene, antydet forskerne at ekstreme El Niño-hendelser kan forekomme omtrent hvert tiende år i stedet for hver tjuende. En oppsummering fra 2016 fra peker på at det er store usikkerheter og at forskningen så langt har gitt motstridende resultater. På den annen side antydes det at El Niño-hendelser og global oppvarming kan ha vekselvirkninger som gir svært alvorlige endringer.

Endring av moonsunsirkulasjoner

Visualisering av utbrudd og tilbaketrekning av den sørasiatiske monsunen med påfølgende nedbør gjennom et år.

Monsuner er sesongmessig vind og nedbør, drevet av endring av atmosfærisk sirkulasjonsmønstre og nedbør knyttet til asymmetrisk oppvarming av land og hav.

Studier har vist at den indiske sommermonsunen kan operere i to stabile tilstander: foruten den regntunge sommermonsunen, kan en stabil tilstand preget av lite nedbør over India også inntreffe. Disse studiene antyder at enhver forstyrrelse av strålingsbudsjettet i atmosfæren har en tendens til å svekke trykkgradienten som driver monsunene, som igjen gir mulighet til å drive brå overganger mellom disse to regimene.

Mange studier basert på koblede hav- og atmosfæremodeler har vist at menneskeskapte klimagasser kan han påvirke den indiske monsunen. Det som er påvist er at sommermonsunen ledsages av sterkere nedbør, men samtidig viser noen studier en svekkelse av sirkulasjonen. Klimapådriv på grunn av aerosoler ser også ut til å spille inn i modellene, ved å gi sterkere nedbør før monsunen, men kan også svekke monsunen og gi et nytt regime med tørrere sommermonsun. Klimapanelets femte hovedrapport konkluderer med at selv om aerosoler i atmosfæren øker regionalt, så vil dette motvirkes av økende atmosfærisk CO₂-konsentrasjon. At en plutselig overgang til tørr sommermonsun skal kunne skje før 2100 vurderes derfor som usannsynlig.

Vippepunkter relatert til økosystemene

Klimaendringer kan forandre hele regioners økosystemer med sitt typiske klima, slik at tilpassede plante- og dyrsamfunn endres. Dette kan gi endringer som fører til tining, forråtnelse som gir ytterligere klimagassutslipp, eller etablering av nye planter og trær som representerer et karbonsluk. I varme strøk kan skog komme til å tørke ut og skogbranner bli mer hyppig, noe som gir utslipp av CO₂.

Avskoging av tropiske skoger

Amazonasregnskogen utsettes i dag for hugst og påsatte branner. I fremtiden fryktes det at den kan utsettes for omfattende tørke og påfølgende reduksjon.

Normalt skjer den sterkeste veksten i Amazonasregnskogen i tørkeperioden, når det er sterk varme og akkumulert vann fra grunnen under trekkes opp. Noen studier basert på modellsimuleringer tyder på at lengre tørkesesong i fremtiden kan redusere utbredelsen av regnskogen med 70 %. Dette er prognosert å skje innen år 2100. Samtidig vil det bli en østlig utbredelse av caatinga (en skogtype). I tillegg til dette har noen modeller vist at det finnes flere likeveksttilstander for det tropiske klima-vegetasjonssystemet. Overgangen til nye likeveksttilstander kan skje hurtig om tørkeperiodene blir for lange til at vegetasjonen overlever. Det kan imidlertid heller ikke utelukkes at gjøtslingseffekten av økt CO₂-konsentrasjon i atmosfæren, styrker skogens motstandskraft ved tørke.

Andre mekanismer gjør seg også gjeldende for Amazonas regnskog: Reduksjon av skogen kan få tørkesesongene til å bli lengre, samt at tørkeperioder øker sjansene for skogbranner. Påsatte skogbranner svekker også regnskogens motstandsdyktighet mot klimaendringer. En teori er at med endret klima kan skogbrann virke som en utløser for overgang fra regnskog til en sesongavhengig skogsvegetasjon. Noe som kan føre til gjenvekst av vegetasjonen er mulige refugier.

Mulig påvirkning av klimasystemet ved avskoging av tropiske regnskoger er økte klimagassutslipp. I klimapanelets femte hovedrapport konkluderes det med at kunnskapen om kritiske vippepunkter i forbindelse med klimaendringer for Amazonas regnskog og andre tropiske regnskoger er liten. At kritiske vippepunkter kan overskrides ved endret nedbørsvolum ikke kan utelukkes. Det gjenstår å finne ut om regnskog kan få en overgang til en redusert tilstand, som et resultat av kombinerte påvirkninger av gjøtslingseffekten av CO₂, varmere klima, redusert nedbør og endret arealbruk (menneskelig påvirking).

Endring av vegetasjonsdekket i boreale skoger

Paanajärvi National Park i Karelen I Russland med boreal barskog. Spesielt i de særlige utkantene av områder med denne skogtypen forventes overgang til annen vegetasjon.

Det er utført feltstudier og modelleringer basert på biokjemiske mekanismer som tyder på at boreale skoger kan tippe over til en tilstand med annen vegatasjonstype på grunn av global oppvarming. Usikkerheten rundt dette var veldig høy da klimapanelet utga sin femte hovedrapport. Usikkerheten har å gjøre med manglende kunnskap til disse økosystemene og plantefysiologi, altså hvordan plantene responderer på oppvarming.

En ser for seg en mulig utbredelse av boreale skoger mot nord, samt en overgang fra til en annen skogtype eller vegetasjon dominert av gress. Dette gjelder for sørlige utkantene av landområder med boreale skoger. Den boreale skogen kan bli overtatt av andre planter og urtevekster. Mekanismer for redusert skogsvekst og/eller økt dødelighet for skog, er at områder som normalt har hatt vått skogbunn får tørrere bakke med varmere klima om sommeren. Dermed vil unge stiklinger med grunne røtter dø på grunn av sommertørke i de øverste jordlagene, noe som påvirker skogens reproduksjonsevne.

Andre mekanismer er skader på løvet ved høye temperaturer, flere insekter, planteetere og skogbranner. Usikkerheten om slike mekanismer dreier seg om styrkeforholdet mellom mange forskjellige faktorer som den eksisterende biomassen, type brann og hyppighet, dybde for tining av permafrost, snømengder og jordsmonnets fuktighet. Dermed er både tilstedeværelsen av vippepunkter og hva som eventuelt påvirker dem usikkert, men ikke mulig å utelukke.

En tilbakekoblingsmekanisme relatert til boreale skoger, er at nye skoger som erstatter tundra vil være mørkere enn den opprinnelige vegetasjon. Dermed skjer det en regional oppvarming ved at mer sollys absorberes, som igjen forsterker ekspansjon av ny skogtype. Endringer som kan påvirke klimasystemet er utslipp av klimagasser og endring av albedo.

Ødeleggelse av korallrev

Korallrev er svært følsomme økosystemer som påvirkes av selv små temperaturendringer. Spesielt er korallrev følsomme for havforsuring. Varmere vann er den vanligste årsaken til «bleking av korallrev», som i økende grad har blitt observert de siste årene. Bleking betyr at korallene mister algeorganismene som lever i dem, deretter dør som oftest hele organismen. Selv med en global oppvarming på 2 °C forventes det at de fleste av dagens kjente korallrev vil forsvinne. Når et koralsystem først har kollapset, tar det flere tusen år før det bygges opp om forholdene endres.

Svekking av havets evne til å ta opp karbon

Emiliania huxleyi sett i et elektronmikroskop. Dette planteplanktonet tar opp CO₂ for å produserer organiske molekyler som oppretholder deres livsprosesser. De tar også opp Ca₂- og HCO₃^--ioner for å syntetisere de ytre delen (skjellene) som består av CaCO₃. I prosessen med å lage CaCO₃ produseres også CO₂. Som levende organismer er det usikkert hvorvidt coccolithophorene representerer en nettsluk eller kilde til CO₂, men totalt sett representerer de allikevel en av de største kilden til CO₂-opptak.

Foto: Alison R. Taylor

Det største karbonsluket er havet som tar opp CO₂ via mekanismer som har å gjøre med at sjøvann har evne til å løse opp denne gassen, samt biologiske prosesser der CO₂ inngår. Havet har hatt en økende evne til å ta opp CO₂, slik at den økende mengde av gassen i atmosfæren har ført til økende opptak.

Ifølge Le Chateliers prinsipp vil den kjemisk likevekten for jordens karbonkretsløp endres som en respons på menneskeskapte CO₂-utslipp. Imidlertid er hastigheten som havet vil ta CO₂ opp i fremtiden være mindre sikkert, og vil bli påvirket av en forventet lagdeling forårsaket av oppvarming og eventuelt endringer i havets thermohalin sirkulasjon. Med andre ord vil en svekkelse av havstrømmene påvirke havets kapasitet som karbonsluk, også kalt karbonpumpe.

Når CO₂ løses opp i sjøvann skjer det en kjemisk reaksjon der det i siste instans dannes hydrogenkarbonat (HCO₃^-). Dette uorganiske karbonet blir til ioniske salter, hvorav størstedelen er kalsiumkarbonat (Ca₂CO₃). Ca₂CO₃ er uoppløselig, og blir til bunnfall. Imidlertid er det mange organismer i havet som bruker Ca₂CO₃ som byggesteiner, for eksempel koraller, skalldyr og plankton. Effekten av opptakt av CO₂ er at havets pH-verdi øker og havet blir surt, en prosess kjent som havforsuring.

Desto varmere overflaten av havet blir, desto vanskeligere blir det for vinden å skape turbulens og omrøring som får vann fra dypere lag til overflaten. Havet blir på grunn av dette roligere og lagdeling oppstår. Når tilgangen på friskt karbonatrikt vann reduseres fører dette til CO₂-meting av de øvre lagene av sjøvannet. Effekten av dette er reduserte livsbetingelser for planteplankton, dermed reduseres også CO²-opptaket fra fotosyntesen i planteplankton.

I tillegg til vind som lager turbulens og omrøring i havet, er havstrømmene også med på å føre vann fra havdypet opp til overflaten. Men til forskjell fra vinden, er dette sirkulasjoner som skjer på spesielle geografiske steder. Karbonet som blir med strømmen ned mot havbunnen blir også oppløst, dermed er de store havstrømmene del av den uorganiske karbonpumpen.

Effekten av oppvarming og at havet allerede har tatt opp mye CO₂, forventes å være redusert kapasitet for opptakt av CO₂ i havet. Dette kan gi en positiv tilbakekobling i klimasystemet.

Andre mulige vippepunkter

Den Øst-Antarktiske iskappen inneholder det meste av verdens frosne reservoar av ferskvann. Dette området er stabilt, men det er store områder (fordypninger) som kan ha en topografi som tyder på ustabile forhold for isen. En forskningsartikkel fra 2014 peker på at det er en «relativt liten kork – en kant av is på den Øst-Antarktiske kysten som holder isbreen innenfor på plass». Denne vurderes til å kunne utløse en selvoppholdende prosess med utløp av store ismasser, mye likt prosessen på den Vest-Antarktiske delen.

Jetstrømmer er hurtige sonale luftstrømmer som strekker seg over midtre breddegrader i en høyde av 7–12 kilometer. Disse skiller kalde arktiske luftmasser fra den varmere luften i de tempererte områdene mot ekvator. Luftmassebevegelsen på grunn av jetstrømmer ser ut til å reduseres. Om deres bølgebevegelser kan bli mer stasjonære, kan det gi vedvarende værsystemer som varer i flere uker. Dette kan igjen føre til langevarige ekstreme værforhold, enten det gjelder kuldeperioder, varmebølger, flom eller tørke. Flere ekstreme værforhold oppstod på vinteren i årene 2009–2010 og 2010–2011. Det var uvanlig høye temperaturer i Arktis, noe som sammenfalt med kaldt vær og snøfall i Kina, USA og Europa. Slike ekstreme værforhold oppstår på grunn av den tilfeldige og uforutsigbare oppførsel til værsystemene, og årsakene er derfor vanskelige å spore. Ikke desto mindre kan de store endringene siden år 2000 i Arktis ha bidratt til det ekstreme været. Slike endringer i værmønstre vil ha vidtgående implikasjoner, for eksempel kan de true global matproduksjon.

Sørvestlige deler av Nord-Amerika har vært utsatt for redusert nedbør på grunn av en nordlig utvidelsen av den subtropiske tørre sone. Hav- og atmosfæriske sirkulasjonsmønstre gir nedbør i regionen har likheter med monsunsystemene andre steder på jorden. Dermed kan det eksistere et vippepunkt som en eller annen gang overskrides. Dette kan gjøre at den sørvestlige delen av Nord-Amerika brått går over til et regime med enda mer tørke.

Rundt halvparten av de menneskeskapte CO₂-utslippene tas opp av havet og landjordens vegetasjon. Noen forskere har sett på om landjorden vil fortsette å ta opp store mengder CO₂, altså en påvirkning av karbonsyklusen. Det er gjort undersøkelser for å avdekke om endrede nedbørsmønstre, for eksempel veksling mellom tørke og flom eller langvarig tørke, vil påvirke karbonsyklusen. Endringene er sett i lys av at denne typen vær vil bli mer intenst og hyppigere på grunn av klimaendringer. Spesielt har det vært fokusert på jordfuktighet og hvordan økosystemer vil respondere på blant annet tørke. I en studie er det funnet at jordens opptak av CO₂ vil kunne være to ganger høyere uten vær med hyppig varierende nedbør. En tror at dette kan få stor betydning for reduksjon av jordens evne til å fungere som karbonsluk rundt år 2050 og etter. Det er mulig at landjorden isteden blir en netto kilde til CO₂-utslipp etter denne tiden.

Vekselvirkninger og kaskader

Interaksjoner mellom noen vippepunkter (⊕: øker sannsynligheten for sammenheng ⊖: mindre sannsynlighet, ⊖/⊕: effekt i begge retninger, nettoeffekten er usikker)

Mellom de forskjellige vippepunktene kan det være vekselvirkninger. Utløsning av et vippepunkt kan øke sannsynligheten for videre utvikling for andre vippepunkter. Det motsatte kan også tenkes, altså at muligheten for ytterligere utvikling av andre vippepunkter reduseres. For noen interaksjoner er retningen av påvirkningen, altså høyere eller lavere sannsynlighet for samvirkninger ukjent. Det er også fare for dominoeffekter, ved at det eksisterer gjensidig forsterkende tilbakekoblinger for noen interaksjoner. Denne risikoen taler for en stabiliseringen av klimaet på under 1,5 °C. Dette ut fra en nytte-kostvurdering av optimal klimapolitikk. En svakheten med klimamodeller er at småskala vippepunkter ofte ikke er tatt med, dette til tross for at slike vippepunkter kan utløse storskala endringer.

Mekanismer for kaskaderende virkninger

I 2018 ble det publisert en artikkel i det amerikanske vitenskapstidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), der en forskergruppe hadde gjennomgått relevante studier vedrørende vippepunkter og mulige avhengigheter mellom dem. Tabellen nedenfor viser noen potensielle biofysiske vippepunkter for selvforsterkende tilbakekoblinger i klimasystemet som kan ha kaskaderende virkninger (engelsk: Tipping Cascades). Hver av dem er delt inn i tre kategorier avhengig av estimert temperaturgrense, se tabell. En kaskadering kan inntreffe om den globale temperaturen når det lavere temperaturintervallet rett over henholdsvis den midterste eller nederste kategorien. Disse vippepunktene sammen med noen av de tilbakekoblingsmekanismene som ikke har vippepunkter, som for eksempel gradvis svekkelse av karbonslukene, kan representere et pådriv mot enda høyere globale gjennomsnittstemperaturer. Dette igjen kan aktivere vippepunkter i den midtre og øverste kategorien. For eksempel kan vippepunktet for smelting av Grønlandsisen utløse en svekkelse av den atlantiske omveltningsirkulasjonen, gi havnivåstigning og oppvarming av Sørishavet som igjen øker istapet fra den øst-antarktiske innlandsisen.

Jordsystemets tilbakekoblingsmekanismer som kan akselerere klimaendringer. Temperatur er gjennomsnittlig global økning siden førindustriell tid.

Temperatur	Mulig vippepunkt
1–3 °C	Smelting av iskappen på Grønland, slutt på arktisk sjøis om sommeren, tilbaketrekking av alpine isbreer og smelintg av Vest-Antarktiske innlandsis.
3–5 °C	Reduksjon av boreale skoger, endringer i El Niño–sørlige oscillasjon, svekkelse av den atlantiske thermohaline sirkulasjonen, avskoging i tropisk regnskog, kollaps av den indiske sommermonsunen, påvirkning av jetstrømmer (sonale luftstrømmer).
> 5 °C	Mulig smelting av den øst-antarktiske innlandsisen, og slutt på dannelse av arktisk sjøis om vinteren, områder med permafrost tiner.

Hvis vippepunktene i den første kategorien først utløses, kan dette sammen med temperaturstigning og gradvis biofysiske tilbakekoblinger utløse ytterligere vippepunkter. Dette truer risikoen for en kaskade som fører klimaet ukontrollert og irreversibelt over i et mye varmere klima med forhold som ligner på Miocen (varm periode for 5,3 millioner år siden). Det ville da være umulig å stabilisere jordens klima i et område som ligner det nåværende Holocene. Holocene er forøvrig kjennetegnet av et temperaturområde med endringer rundt ± 1 °C, hvor menneskelige avanserte kulturer har utviklet seg. Selv om målet om en temparaturøkning på 1,5–2 °C oppfylles i henhold til Paris-avtalen fra 2015, ville det være en risiko for at ytterligere kraftig oppvarming vil kunne skje. Et ekstremt tilfelle i så måte er såkalt løpsk drivhuseffekt.

Sosiale systemer kan også respondere på global oppvarming, og forskere mener at det kan tenkes vippepunkter for menneskelig oppførsel relatert til dette. Eksempler er opinionsendiringer og politiske skifter, teknologiske endringer, massemigreringer eller oppbygging av konflikter. En ser for seg at slike sosiale vippepunkter kan gi økonomiske sjokk, og store reduksjoner av et lands muligheter. En tror på den andre siden at slike vippepunkter også kan reduser klimaendringer ved utslippsreduksjoner eller forbedre mulgihetene for tilpasning.

Løpsk drivhuseffekt

Havet på Venus kan ha fordampet på grunn av løpsk drivhuseffekt.

Begrepet løpsk drivhuseffekt har flere betydninger. I det minste ekstreme tilfellet innebærer det at den globale oppvarmingen utløser ukontrollerbare forsterkende tilbakekoblinger, for eksempel smelting av iskapper og utløsning av metan fra klatrater. I sin mest ekstreme betydning forstås forhold som på Venus med all karbon i jordskorpen oppløses i atmosfæren. Under slike forhold vil det oppstå en overflatetemperatur på flere hundre grader. Dette vil i så fall være en irreversibel klimatilstand.

Mellom disse to ekstremene er «fuktig drivhus», som oppstår hvis klimapådrivet er stort nok til å gjøre vanndamp (H₂O) til en vesentlig komponent av atmosfæren. I prinsippet kan en ekstrem fuktig atmosfære føre til ustabilitet slik at vanndamp hindrer utstråling av all absorbert solenergi mot jorden, noe som resulterer i svært høy overflatetemperatur og fordampning av havet. Simuleringer tyder imidlertid på at menneskeskapte klimagasser ikke kan føre til ustabilitet og en løpsk drivhuseffekt.

Hypotetisk mulige nivåer av menneskeskapt klimapådriv kan gi en moderat løpsk drivhuseffekt. Om atmosfærens CO₂-nivå økes 8–16 ganger ville dette øke den globale gjennomsnittstemperaturen med 16–24 °C, med mye større oppvarming ved polene. Det vil smelte all is og muligens også tine metanklatrater og forårsake ytterligere karbonutslipp fra torv og tropiske skoger. En slik oppvarming ville gi et «moderat fuktig drivhus», der vanndampen i atmosfæren øker til rundt 1 % av dens masse. Hvis et slik pådriv helt og holdent skyldes CO₂ fra forbrenning av fossile energikilder, vil naturlige forvitringsprosesser fjerne den ekstra atmosfæriske CO₂-gassen i løpet av 10 000–100 000 år. Dette vil skje i god tid før havet blir betydelig redusert ved at hydrogen lekker ut i verdensrommet. Dermed vil tilstander på jorden som ligner dem på planeten Venus, kreve et stort og langsiktig klimapådriv som er lite sannsynlig. Noe slikt vil dermed ikke kunne skje før solen intensiverer sin utstråling noen titalls prosent, noe som forventes å skje først om to milliarder år.

Så ekstreme forhold som begrepet løpsk drivhuseffekt innebærer er av forskere anslått usannsynlige. Allikevel har klimaforskeren James Hansen antydet at de samlede gjenværende fossile energikilder er store nok til å kunne gjøre det meste av jorden ubeboelig. Hansen skriver «... de store klimaendringene som vil oppstå ved å brenne all fossile energikilder vil true menneskenes biologiske helse og overlevelse, noe som gjør en strategi kun basert på [klima-] tilpasning utilstrekkelig.» Han har også antydet lignende ting i boken Sannheten om den kommende klimakatastrofen og vår siste sjanse til å redde menneskeheten. Andre klimaforskere er tvilende til så alvorlige konsekvenser, spesielt på grunn av uenighet om det finnes tilstrekkelig store fossile energireserver på jorden. Imidlertid mener en at det er mulig at forbrenning av alle tilgjengelige reserver vil gjøre dagens sivilisasjon umulig, eller i alle fall endre de fleste økosystemer og gi omfattende masseutryddelse av arter.

Klimapanelets oppsummering av kunnskapen om vippepunkter

Tabellen nedenfor viser en oppsummering av mulige vippepunkter i klimapanelets femte hovedrapport. Dette var en oppsummering av mulige brå eller irreversible endringer som er omtalt i forskningsliteraturen før 2014.

Oppsummering i klimapanelets femte hovedrapport om kunnskap relatert til mulige brå og irreversible mekanismer i klimasystemet.

Endring i klimasystemkomponenten	Potensial for plutselig endring	Irreversibel dersom pådriv reverseres	Sannsynlighet for endring i det 21. århundre for vurderte scenarier
Kollaps av den atlantiske thermohaline sirkulasjonen	Ja	Ukjent	Svært usannsynlig med store endringer (høy konfidens)
Smelting av iskapper	Nei	Irreversibelt i årtusener	Helt usannsynlig at enten Grønland eller Vest-Antarktis-isen vil gå fullstendig i oppløsning (høy konfidens)
Områder med permafrost tiner og avgir karbon	Nei	Irreversibelt i årtusener	Mulig at permafrost blir en netto kilde til atmosfæriske drivhusgasser (lav konfidens)
Frigivelse klatrat metan	Ja	Irreversibelt i årtusener	Svært usannsynlig at metan fra klatrater vil gi katastrofale utslipp (høy konfidens)
Reduksjon av tropiske skoger	Ja	Reversibelt over årtusener	Lav konfidens for prognoser for sammenbrudd av store områder med tropisk skog
Reduksjon av boreal skoger	Ja	Reversibelt over århundrer	Lav konfidens for prognoser for sammenbrudd av store områder med boreal skoger
Slutt på arktisk sjøis	Ja	Reversibelt over noen år eller årtier	Sannsynlig at arktisk hav blir nesten isfritt i september før år 2050 ved scenarier med høye klimagassutslipp (RCP8.5) (medium konfidens)
Langvarig tørke	Ja	Reversibelt over noen år eller årtier	Lav konfidens for fremskrivninger av endringer i frekvens og varighet av langvarig tørke
Monsun-sirkulasjoner	Ja	Reversibelt over noen år eller årtier	Lav konfidens for fremskrivninger av at monsunsirkulasjon skal kolapse

Klimapanelet omtaler vippepunkter som storskala singulære hendelser, og forklarer dette som «komponenter i det globale jordsystemet som antas å ha risiko for å nå kritiske vippepunkter under klimaendringer, og som kan resultere i, eller være forbundet med store skifter i klimasystemet.» Klimapanelets spesialrapport vedrørende konsekvenser av en global oppvarming på 1,5 °C nevner spesielt de fire potensielle vippepunktene relatert til smelting av den Vest-Antarktiske isen og Grønlandsisen (kryosfæren), termohalin sirkulasjon (havstrøm), ekstremvære i forbindelse med El Niño-sørlige oscillasjon og mulig svekkelse av Sørishavet som karbonsluk ved varmere klima.

I klimapanelets femte hovedrapport fra 2014 ble det sakt at risikoen for disse hendelsene var moderat ved temperaturøkninger mellom 0,6 og 1,6 °C over førindustrielle nivåer. Videre var risikoen forventet å bli høy med temperaturøkning mellom 1,6 og 4,6 °C. Klimapanelets spesialrapport vedrørende konsekvenser av en global oppvarming på 1,5 °C vurdert imidlertid risikoene som noe større, blant annet advares det mot å passere denne grensen på grunn av risikoen for å passere vippepunkter.

Forskere omtaler vippepunkter som «kjente ukjente» (engelsk known unknowns), fordi store endringer kan inntreffe om de passeres, men at grenseverdiene for at dette skal skje er usikre. Samtidig er det klimaforskere som mener at klimapanelet legger for liten vekt på vippepunkter, dette fordi disse kan gi så store konsekvenser. Spesielt kan konsekvensene bli store om flere vippepunkter utløses etter hverandre og jordens klimasystem utsettes for noe i retning av en løpsk oppvarming.

Litteratur

• Timothy M. Lenton (2007). «Tipping the scales». Nature Reports Climate Change. 1. doi:10.1038/climate.2007.65. 
• Timothy M. Lenton (2008). «Tipping elements in the Earth's climate system». PNAS. 105 (6): 1786–1793. doi:10.1073/pnas.0705414105. 
• Hans Joachim Schellnhuber (2009). «Tipping elements in the Earth System». PNAS. 106 (49): 20561–20563. 
• Anthony D. Barnosky, m. fl.: Tipping point for planet earth - how close are we to the edge? Thomas Dunne Books, New York 2016, ISBN 978-1-250-05115-8.
• Stocker, T. Thomas., m.fl. (2014). Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (engelsk). Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Intergovernmental Panel on Climate Change. CS1-vedlikehold: Flere navn: forfatterliste (link)
• Wuebbles, Donald J., m.fl., red. (2017). Climate Science Special Report: Fourth National Climate Assessment, Volume I (engelsk). Washington, DC, USA: U.S. Global Change Research Program. doi:10.7930/J0J964J6. CS1-vedlikehold: Flere navn: redaktørliste (link)

Eksterne lenker

• Oversikt over vippepunkter ved globale klimaendringer Stockholm Resilience Center
• The impacts of climate change at 1.5C, 2C and beyond