Wie können Naturgefahren kaskadenartig zu Katastrophen führen?

Dieses Jahr war bisher ein außergewöhnliches Jahr für Naturkatastrophen. Taifune in Asien und der Hurrikan Florence an der Ostküste der USA haben große Schäden, Überschwemmungen und Schlammlawinen verursacht. In den vergangenen zwei Monaten kam es in Skandinavien, Spanien und Portugal, im Vereinigten Königreich, in Nordamerika und in Südafrika zu heftigen Waldbränden. In der Nähe von Athen wütete im Juli eine der tödlichsten Feuersbrünste der Geschichte in einer Küstenstadt, bei der 99 Menschen ums Leben kamen. Im selben Monat wurde in Mendocino, Kalifornien, eine Fläche größer als Los Angeles verbrannt – mehr als 1 800 Quadratkilometer -, wobei ein Feuerwehrmann ums Leben kam und fast 300 Häuser zerstört wurden. In Schweden gab es mehr als 50 Waldbrände, einige sogar innerhalb des Polarkreises.

Die beispiellose Schwere vieler dieser Brände könnte ein Zeichen für die globale Erwärmung sein, und es könnte noch schlimmer werden. Es zeigt aber auch, wie extreme Ereignisse miteinander verbunden sind. Viele der Brände folgten auf lange Dürreperioden und Rekordtemperaturen. Ihr Auftreten birgt auch die Gefahr künftiger verheerender Unwetter.

Karstige Landschaften sind anfälliger für Überschwemmungen und Erdrutsche. Im Januar kamen bei einer Schlammlawine in der Nähe von Montecito, Kalifornien, 21 Menschen ums Leben und mehr als 160 wurden verletzt. Im Monat zuvor hatte ein Waldbrand die Vegetation zerstört und den Boden an den steilen Hängen der Stadt destabilisiert. Als ein Sturm heftige Regenfälle mit sich brachte, schwappte eine 5 Meter hohe Welle aus Schlamm, Geröll und Ästen mit einer Geschwindigkeit von 30 Stundenkilometern auf die Häuser der Menschen zu.

Ketten von widrigen Ereignissen wie diese, die wie umstürzende Dominosteine kaskadenartig aufeinander folgen, werden mit der Erwärmung der Welt immer häufiger auftreten. Doch das Ausmaß der kaskadenartigen Risiken ist noch unbekannt. Risikoanalysten schätzen die Wahrscheinlichkeit von Einzelereignissen ab und sagen die zunehmende Häufigkeit von Dürren, Wirbelstürmen usw. voraus. Sie berücksichtigen jedoch nicht das Geflecht der Verbindungen zwischen diesen Ereignissen. So wird beispielsweise der Anstieg des Meeresspiegels die Küstenerosion verstärken und Gemeinden, Infrastrukturen und Ökosysteme den Schäden durch Stürme und Fluten aussetzen.

Risikobewertungen sollten erweitert werden, um kaskadenartige Gefahren zu berücksichtigen. Andernfalls können wir nicht für das Ausmaß und die Art der bevorstehenden Katastrophen planen. Die Forscher müssen Antworten auf diese Fragen finden: Wie wird der Klimawandel das Risiko katastrophaler Dominoeffekte verändern? Was sind die Auswirkungen auf die bebaute Umwelt? Und welche Abschwächungs- und Anpassungsmaßnahmen sind erforderlich, um mit schwereren, miteinander verbundenen Katastrophen fertig zu werden?

Wir skizzieren hier, wie ein solcher Risikorahmen entwickelt werden sollte.

Verbundene Katastrophen

Der erste Schritt besteht darin, dass Forscher und Risikomanager erkennen, dass die Auswirkungen des Klimawandels nicht isoliert auftreten, sondern stark gekoppelt sind. Zum Beispiel treten Dürren und Hitzewellen oft gemeinsam auf. Dürreperioden führen zu trockenen Böden, die verhindern, dass Sonnenenergie in Form von Verdunstung freigesetzt wird, was zu einer Erwärmung der Erdoberfläche führt1. In den Vereinigten Staaten treten wochenlange Hitzewellen, die mit Dürreperioden zusammenfallen, heute doppelt so häufig auf wie in den 1960er und 1970er Jahren2.

Trockene und warme Bedingungen erhöhen das Risiko von Waldbränden, die den Boden schädigen und die Voraussetzungen für spätere Erdrutsche und Überschwemmungen schaffen. Schnee und Eis schmelzen früher, wodurch sich der Zeitpunkt des Abflusses ändert. Dadurch hat sich die Brandsaison seit den 1980er Jahren weltweit um 20 % verlängert3,4. Da es auf der Nordhalbkugel weniger Schnee und Eis gibt, ist die kühlende Wirkung, die von der Reflexion des Sonnenlichts an der Erdoberfläche ausgeht, zwischen 1979 und 2008 um 10-20 % gesunken (bezogen auf den Mittelwert in diesem Zeitraum)5.

Und diese Zusammenhänge gehen noch weiter: Waldbrände treten in immer größeren Höhen und Breiten auf (siehe ‚Mehr Brände, mehr Schneeschmelze‘), wo sie das Blätterdach des Waldes entfernen und verändern, wo und wie sich Schnee ansammelt. Der auf dem Schnee abgelagerte Ruß absorbiert Wärme und beschleunigt die Schmelze. Ebenso beschleunigt Staub, der während Dürreperioden freigesetzt wird, die Schmelze, wie es im oberen Colorado River Basin6 geschehen ist. Staub, der aus trockenen Regionen Afrikas transportiert wird, beeinflusst die Schneekappen in Europa, Nordamerika und Asien.

Gemeinschaften sind Teil dieser Zyklen. So stammen beispielsweise 60 % des Wassers in Südkalifornien aus dem Schmelzwasser der Sierra Nevada7. Auch die milliardenschwere kalifornische Agrarindustrie hängt von dieser Quelle ab. Sich ändernde Temperatur- und Schneemuster, Waldbrände und Überschwemmungen stellen das alternde Netz von Dämmen, Deichen und Stauseen in Kalifornien vor Herausforderungen. Diese müssen in der Lage sein, früher in der Saison mehr Wasser zu fassen und Überschwemmungen und Murgänge zu verhindern. Geringfügige Ereignisse, die normalerweise keinen Anlass zur Sorge geben würden, können tiefgreifende Auswirkungen haben: Unerwartete Schmelzwasserausbrüche können beispielsweise Murgänge über verbranntem Land auslösen. Regionen in den Anden, dem Himalaya, den Alpen und den Rocky Mountains stehen vor ähnlichen Herausforderungen.

Die sich rasch verändernde Natur der Gefahren in einer sich erwärmenden Welt wird für die lokalen Gemeinschaften ungewohnt sein. In Simbabwe zum Beispiel sind indigene Völker weniger in der Lage, anhand von Wettermustern, Flora und Fauna vorherzusagen, wann Überschwemmungen kommen und sie zur Umsiedlung zwingen könnten.

Das rasche Bevölkerungswachstum und die Verstädterung verschärfen die Klimaverschiebungen noch. Zum Beispiel könnten Häuser, die an steilen Hängen gebaut werden, anfälliger für Erdrutsche werden.

Fehlende Links

Klimaforscher haben begonnen, einige gekoppelte Risiken zu bewerten, z. B. durch Dürren und Hitzewellen1,2. Und die Bemühungen um die Minimierung menschlicher und finanzieller Verluste durch Katastrophen werden zunehmend disziplinübergreifend und koordiniert. Das Sendai-Rahmenprogramm der Vereinten Nationen zur Verringerung des Katastrophenrisikos von 2015 unterstützt Studien über Risiken, Exposition und Anfälligkeit, um die Widerstandsfähigkeit und die Notfallmaßnahmen bei einer Reihe von Katastrophen – von Überschwemmungen bis zu Erdbeben – zu verbessern. Und das Siebte Rahmenprogramm der Europäischen Union (RP7) verbessert das Wissen, die Prognosen und die Entscheidungshilfen für die Katastrophenprävention und -intervention.

Aber diese Programme müssen noch die gesamte Palette der Gefahren abdecken. Sie befassen sich in der Regel mit einmaligen Großkatastrophen und nicht mit zusammenhängenden Ketten kleinerer Ereignisse, wobei der Schwerpunkt eher auf der Reaktion auf Krisen als auf deren Verhütung oder der Stärkung der Widerstandsfähigkeit liegt. Einige offensichtliche Zusammenhänge können untersucht werden, wie etwa die rasche Abfolge von Ereignissen nach dem Tohoku-Erdbeben 2011, das einen Tsunami auslöste, der die Kernschmelze im japanischen Atomreaktor Fukushima Daiichi verursachte. Längerfristige Auswirkungen des Tsunamis auf die Hydrologie oder die Küsten der Region wurden jedoch nicht erforscht. Hinzu kommt, dass die meisten Länder ihre eigenen Ansätze für den Umgang mit Gefahren verfolgen. Ein universeller Rahmen für die Bewältigung von Kaskadenkatastrophen fehlt in der derzeitigen Praxis.

Viele Forschungslücken müssen noch geschlossen werden. Physikalische Kaskadenmechanismen, wie die Auswirkungen von Waldbrandruß auf Schneedecken oder von Meereswellen auf Erdrutsche an der Küste, und ihre Rückkopplungen sind nur unzureichend bekannt. Die Annahme, dass die Ereignisse unabhängig sind, führt auch zu einer falschen Einschätzung der Häufigkeit, mit der diese Ereignisse zu erwarten sind, was sich wiederum auf die Katastrophenvorsorge auswirkt.

Theoretische Risikomodelle müssen in der Lage sein, mehrdimensionale und voneinander abhängige Gefahren zu behandeln. So kann die Küstenerosion beispielsweise durch den globalen Meeresspiegelanstieg, erdbebenbedingte Tsunamis, Stürme und Infrastrukturen wie Barrieren und Schutzeinrichtungen beeinflusst werden. Der Zustand der Küsten wiederum bestimmt die Gefährdung der Gemeinden.

Historische Aufzeichnungen können nicht alle Antworten liefern. Es ist auch schwierig, Ursachen und Wirkungen in komplexen Netzwerken zu entschlüsseln, insbesondere in verwalteten Systemen. Es ist schwierig zu quantifizieren, wie ein anfängliches Ereignis die Risiken durch nachfolgende Ereignisse erhöht oder verringert, und deren Zeitpunkt vorherzusagen8. Das Versagen eines Deiches beispielsweise kann über einen längeren Zeitraum hinweg viele Ursachen haben, darunter die Schwächung während einer Dürre, extreme Regenfälle, schlechte Konstruktion und unzureichende Wartung.

Daten sind spärlich, vor allem aus abgelegenen Regionen wie zerklüfteten Bergen. Agenturen und Länder tauschen nicht immer Daten aus. Verschiedene Disziplinen und Regionen verwenden unterschiedliche Definitionen. Wichtige Beobachtungen fehlen. So werden beispielsweise das Ausmaß eines Waldbrandes und seine unmittelbaren Auswirkungen (Todesfälle, verlorene Häuser) erfasst, aber Schäden an der Bodenstruktur werden in der Regel nicht festgehalten.

Satellitendaten werden nur selten vor Ort bestätigt. Viele Länder schränken die Verwendung ihrer Umwelt- und Klimadaten ein. Langfristige Datensätze sind schwer zu finden, insbesondere im Nahen Osten, in Afrika, Südamerika und Südostasien. Katastrophen, die durch mäßige Bedingungen ausgelöst werden, bleiben oft unentdeckt. Und der Zugang zu Computern und die Ausbildung für die Datenverarbeitung sind in vielen Entwicklungsländern unzureichend.

Es gibt kein Standardprotokoll für die Erfassung von Daten über Umwelt-, Klima- und Katastrophenauswirkungen. Die Länder haben ihre eigenen Methoden, um die monetären Auswirkungen, den Verlust von Menschenleben und Existenzgrundlagen zu erfassen. Forscher verwenden unterschiedliche Methoden zur Beschreibung von Dürren, Stürmen, Hitzewellen und Waldbränden. So könnte ein Meteorologe Dürren anhand eines Niederschlagsdefizits definieren, während ein Hydrologe sie anhand einer Veränderung des Flussabflusses beschreiben könnte.

Nächste Schritte

Ein globales System muss entwickelt werden, um kaskadierende Gefahren zu bewerten. Die Forscher sollten nicht nur die Statistiken extremer Dürren, Überschwemmungen und Waldbrände isoliert berechnen, sondern auch deren Wechselwirkungen mit der natürlichen und bebauten Umwelt untersuchen. Internationale Organisationen wie das Weltklimaforschungsprogramm und die Weltorganisation für Meteorologie sollten die Führung bei der Koordinierung der Forschung übernehmen. Und zwischenstaatliche Organisationen wie die Europäische Kommission, die US Federal Emergency Management Agency und das Büro der Vereinten Nationen für Katastrophenvorsorge sowie andere Organisationen, die sich mit Gefahren befassen, sollten ein globales Frühwarnsystem für Gefahren entwickeln. Außerdem sollten Vorschriften und Lehrmaterial entwickelt werden, um Ingenieuren, Entscheidungsträgern und der Öffentlichkeit zu helfen, ihre Gefährdung durch zusammengesetzte Risiken und Kaskadenkatastrophen zu minimieren.

Das Spektrum der für die Gefahrenanalyse gesammelten Daten muss erweitert werden, sowohl im Weltraum als auch am Boden. Die Beobachtungen sollten rund um den Globus einheitlich sein und offen geteilt werden. Wir plädieren für eine Echtzeit-Überwachung, um extreme und mäßige Ereignisse zu erfassen, sobald sie auftreten, und nicht erst im Nachhinein. Ein solches Überwachungsnetz könnte andere globale Umweltüberwachungsmaßnahmen wie das Global Earth Observation System of Systems, das Global Earthquake Model Project und das Datenportal der NASA ergänzen. Auch sozioökonomische Informationen über Menschen, Vieh, Gebäude und Infrastrukturen, die gefährdet sind, müssen gesammelt werden.

Datenprotokolle müssen ausgeweitet und standardisiert werden. Und die Behörden brauchen Möglichkeiten zur Bewertung der Fortschritte. Sie können auf früheren Bemühungen aufbauen, um Messgrößen für einzelne Ereignisse zu entwickeln. Bei einem Treffen in Nebraska im Jahr 2009 haben beispielsweise das Übereinkommen der Vereinten Nationen zur Bekämpfung der Wüstenbildung, das US-Landwirtschaftsministerium, die US National Oceanic and Atmospheric Administration und das US National Drought Mitigation Center Experten aus mehr als 20 Ländern zusammengerufen, um sich auf eine Reihe von Indizes zur Messung und Vorhersage von Dürre zu einigen – die Lincoln Declaration on Drought Indices.

Ingenieure, Planer und Entscheidungsträger müssen gefährdete Infrastrukturen und Ökosysteme für die Überwachung identifizieren. Lokale und nationale Regierungsbehörden und Forscher sollten die Vorschriften, das Notfallmanagement und die Bauvorschriften verbessern. Nach den Bränden in Griechenland in diesem Jahr argumentierten die Bürger, dass die ungeregelte Bebauung von Waldgebieten und das Fehlen eines offiziellen Evakuierungsplans zu der hohen Zahl der Todesopfer beigetragen haben. Die Öffentlichkeitsarbeit und die Aufklärung der Bevölkerung sind von entscheidender Bedeutung, um das Bewusstsein für die potenziellen Risiken einer Kaskade von Gefahren zu schärfen und Leben und Lebensgrundlagen zu retten, wenn die Klimaauswirkungen zunehmen.