mini|alt=NASA-bilde over den vestlige halvkule.|Ved passering av vippepunkter kan galopperende reduksjon av Grønlandsisen eller sjøisen i Arktis forsterke global oppvarming forårsaket av menneskeskapte klimagasser.
Et vippepunkt i jordens klimasystem er en mekanisme som fører til at klimaet endres fra én stabil tilstand til en annen, om visse terskelverdier overskrides ved klimaendring. Endringene kan være brå og irreversible og i verste fall føre til store endringer av jordens klimasystem, omfattende skader på de fleste økologiske systemer og masseutryddelse av arter. Slike klimaendringer kan også vanskeliggjøre opprettholdelsen av avanserte samfunn. Kunnskapen om vippepunkter og deres eventuelle konsekvenser er mangelfull, men målet om å begrense den global oppvarmingen til 1,5 °C har blant annet til hensikt å unngå at slike terskelverdier overskrides.
Klimasystemets vippepunkter har direkte sammenheng med positive tilbakekoblingsmekanismer, selvforsterkende prosesser som forsterker klimaendringene som i første omgang skyldes klimapådriv. På grunn av global oppvarming er det økt konsentrasjon av karbondioksid (CO2) i atmosfæren (økt strålingspådriv). Flere av tilbakekoblingsmekanismene forekommer tilnærmet lineært med CO2-konsentrasjonen og endres derfor relativt sakte, mens de som omtales som vippepunkter, er ikke-lineære og endres raskt over kort tid. 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, og de er samtidig usikre på hvilke verdier dette kan skje for. Spesielt kan konsekvensene bli store om flere vippepunkter passeres etter hverandre. I forbindelse med vippepunkter snakker en også om løpske klimaendringer. Denne hypotesen går ut på at raske, akselererende klimaendringer potensielt kan føre til uopprettelig skade på klimasystemet, noe som gjør det umulig å gjøre tilpasninger 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 begrepsavklaringer Klimasystemet er komplekst og består av svært mange dynamiske prosesser. Noen av disse utvikles jevnt etter som visse størrelser endres, mens andre kan endres hurtig om visse terskelverdier overskrides.
IPCCs femte hovedrapport gir denne definisjonen av vippepunkter: «Komponenter eller fenomener i klimasystemet som vil ha potensial 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». Det er også vanlig å benytte begrepet vippepunkter generelt for mekanismer som har sammenheng med jordsystemet, altså samspillet mellom jorden, havet, atmosfæren og livet på jorda.
Plutselige klimaendringer er i IPCCs femte hovedrapport definert som «en storskala endring i klimasystemet som finner sted over noen få tiår eller mindre, vedvarer (eller ventes å vedvare) minst noen tiår, og som forårsaker substansielle forstyrrelser i menneskelige og naturlige systemer».
Klimaendringer kan være irreversible, og fenomenet har forskjellige definisjoner. IPCCs femte hovedrapport definerte 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. Hysterese vil si at en tilstandsforandring fremkalt av en ytre påvirkning ikke forsvinner når påvirkningen opphører, men først etter at en motsatt rettet påvirkning har virket med en viss styrke. Dette bestemmer igjen om tilstanden er reversibel om klimapådraget blir reversert eller fjernet.
Bakgrunn Begrepet vippepunkter ble introdusert av den tyske klimaforskeren Hans Joachim Schellnhuber i år 2000. Han innførte begrepet for at politikere og mediafolk lettere skulle kunne forstå denne mekanismen i klimasystemet. Det bygger på hans studier av 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 forskerne i hovedsak antatt at klimaendringer vil være lineære.
I februar 2008 ble forskningsartikkelen «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 i Berlin hadde 36 britiske og tyske klimaforskere diskutert konseptet, og mulige vippepunkter i jordens klimasystem ble identifisert. I det følgende året ble 52 andre internasjonale eksperter intervjuet, samt at relevant forskningslitteratur om emnet ble gjennomgått. 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 termohaline 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 for samfunn 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 tiner uttørking av sørvestlige landområder i Nord-Amerika svekkelse av havet som karbonsluk ødeleggelse av korallrev kaostilstand for jetstrømmer.
Tilbakekoblingsmekanismer forsterker opprinnelig klimapådriv Jordens klimasystem består av mange komponenter som virker sammen på komplekse måter, i tid og rom. På grunn av disse interaksjonene kan ikke oppførselen til systemet forutses ved å se på kun se på enkeltkomponenter.
Et klimapådriv er en endring som kan tvinge klimasystemet mot oppvarming eller nedkjøling., p.9. Økte konsentrasjoner av drivhusgasser er et slikt pådriv. 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 til andre prosesser i systemet, hvilket gjør det vanskelig å si akkurat hvor mye en bestemt prosess bidrar.Hartmann et al: Climate Change Feedbacks side 16.
Drivhuseffekten
mini|upright=1.8|alt=Bilde fra et drivhus som viser kort- og langbølget stråling.|Et drivhus med vegger av glass slipper gjennom det meste av de kortbølgede solstrålene (gule bølger). Disse varmer opp omgivelsene inne i drivhuset, spesielt den sorte jorden og plantene. Disse sender ut langbølget stråling (røde bølger) som i stor grad ikke slipper gjennom glasset, men absorberes og sendes i retur til omgivelsen inne i drivhuset. Dermed oppstår oppvarmingen av omgivelsene og luften.
Solstråling består overveiende av kortbølget stråling som for en stor del går gjennom atmosfæren og varmer opp jordoverflaten. Den resulterende terrestriske strålingen fra jorden er langbølget, infrarød stråling (varmestråling). Denne går opp i atmosfæren hvor en stor del av strålingen blir absorbert av gassene der. I neste omgang vil gassene i atmosfæren emittere (sende ut) denne langbølgede strålingen. En del av den emitterende strålingen fra atmosfæren går ut i verdensrommet, mens en annen del, ved et fenomen kalt atmosfærisk tilbakestråling, stråles tilbake til jorden (varmestråling). Dette er hovedprinsippet bak selve drivhuseffekten.
Navnet drivhuseffekt kommer av en analogi til et drivhus, som bare delvis er overførbar til jorden. I et drivhus, se illustrasjon, vil tak og vegger av glass absorbere den langbølgede strålingen fra gulv og vegger, og emittere denne tilbake. I motsetning til i atmosfæren hindrer vegger og tak utstrømning av varme, og inne i drivhuset reduseres luftstrømningene, noe som spiller en rolle i omfordeling av varme. I atmosfæren derimot, er det kraftige luftstrømninger.
Pådriv og tilbakekoblingsmekanismer
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 viser. En snakker om positive- og negative tilbakekoblinger. 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 (styrken) av den opprinnelige forstyrrelsen. Det betyr at A produserer mer av B som igjen produserer mer av A.Keesing, R.M. (1981). Cultural anthropology: A contemporary perspective (2nd ed.) p.149. Sydney: Holt, Rinehard & Winston, Inc. Et system med negativ tilbakekobling 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. Den 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 potens 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. Ved et tidspunkt kan en liten endring av det globale klimasystemet, selv om det er nokså stabilt, transformeres til en helt annen klimatilstand. Forenklet sagt har temperaturøkninger i seg selv eskalerende effekt. Effekten er større for en global (middel) temperaturøkning fra 1,5 til 2 °C enn for 0,5 til 1,5 °C, og en økning fra 2 til 2,5 °C gir større virkninger enn for 1,5 til 2 °C. Dette øker sannsynligheten for at vippepunkter påtreffes underveis etter som temperaturen stiger.
Karakteristika for vippepunkter De positive tilbakekoblingene i klimasystemet har potensial til 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 identifiseres, men ikke kvantifiseres. En regner også med at noen fortsatt er ukjente. Modeller treffer sjelden presis for sine prognoser, men likevel fremmer de forståelse for dynamikken i et gitt system.