Planetare Grenzen

Veränderung der weltweiten Masse an Landsäugetieren von vor 100.000 Jahren bis 2015 (in Tonnen Kohlenstoff; ohne Geflügel): Der starker Anstieg der Zahl von Menschen (grau) führte dazu, dass sie allein heute ein Vielfaches von dem wiegen, was natürlicherweise alle Wildtiere (rot) zusammen gewogen haben. Die Grafik veranschaulicht, wie der Mensch mit seinen von ihm gehaltenen Nutztieren (blau) allein durch seine Anzahl die planetaren Grenzen zu überschreiten vermag.

Bereits 1713 formulierte Hans Carl von Carlowitz in seinem Werk Sylvicultura oeconomica über die Forstwirtschaft den Begriff der Nachhaltigkeit. Als Reaktion auf lokale Umweltveränderungen entstanden erste Ansätze einer Umweltbewegung.[17] Erst nach dem Zweiten Weltkrieg wurde hingegen begonnen, globale Umweltveränderungen und Zukunftsszenarien systematisch wissenschaftlich zu untersuchen. Im Bericht „Die Grenzen des Wachstums“ des Club of Rome wurden die Auswirkungen unbegrenzten Wirtschaftswachstums vorgestellt. Dies führte zu Konzepten wie qualitatives Wachstum,[18][19] Green Economy,[20] grünes Wachstum[21] oder Green New Deal[22][23] und andererseits zu einer ökologisch motivierten Wachstumskritik und der Entstehung einer wachstumskritischen Bewegung.[24]

Das ursprüngliche Forschungsprojekt zu planetaren Grenzen beruft sich auf den Begriff des Anthropozäns, wonach durch den Einfluss des Menschen auf die Erde das erdgeschichtliche Zeitalter des Holozäns seit der industriellen Revolution von einem neuen Zeitalter abgelöst sei.[25] In den vergangenen 10.000 Jahren des Holozäns befindet sich die Erde in einem relativ stabilen Zustand und globale Schwankungen biogeochemischer und atmosphärischer Größen fanden nur in einem schmalen Rahmen statt. Seit der industriellen Revolution haben sich jedoch einige dieser Größen außerhalb der erwarteten Varianz bewegt. Dies wird auf den Einfluss der menschlichen Spezies auf die Erdsystemprozesse zurückgeführt.[10] Daher stellt sich die Wissenschaft die Frage nach den absoluten, nicht verhandelbaren biophysikalischen Grenzen auf planetarer Ebene, deren Einhaltung den Fortbestand der derzeitigen Zivilisation sichert und schwerwiegende globale Umweltveränderungen verhindert.[25] Hierfür wurden, ähnlich wie bereits durch den Wissenschaftlichen Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU) ab 1994 mit dem Begriff der planetarischen Leitplanken,[26][13][27] bestehende Forschungsergebnisse aus den Erdsystemwissenschaften zusammengetragen und unter dem Begriff der planetaren Grenzen zusammengefasst.

Ökologische Belastungsgrenzen nach Rockström et al. 2009

Im Jahr 2009 veröffentlichte eine Gruppe von Wissenschaftlern aus den Bereichen Erdsystem- und Umweltwissenschaften eine erste Übersicht über die Grenzen der Ökosystemdienstleistungen.[10] In der 29-köpfigen Forschungsgruppe waren neben Johan Rockström und Will Steffen unter anderem auch der Nobelpreisträger Paul Crutzen und der Vorsitzende des wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU) Hans Joachim Schellnhuber beteiligt. Eine Kurzfassung wurde im September 2009 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.[11] Dabei ermittelten sie neun planetare Grenzen, von denen jede unabdingbar für die zukünftige Entwicklung der menschlichen Spezies ist (“within which humanity can continue to develop and thrive for generations to come”[28]). Weiterhin ermittelten sie die quantitativen Grenzen für sieben der neun Bereiche und gaben eine Abschätzung, wie weit diese schon ausgereizt sind. Dabei wurde festgestellt, dass drei Grenzen bereits zum Zeitpunkt der ersten Veröffentlichung überschritten waren.

Im Januar 2015 wurde ein aktualisierter Bericht der Gruppe im Magazin Science veröffentlicht.[1] In diesem wurden die planetaren Grenzen teilweise überarbeitet und um aktuelle Daten ergänzt. Der Bericht wurde 2015 im Rahmen des Weltwirtschaftsforums in Davos vorgestellt.[29]

Bei der zweiten Überprüfung der Ergebnisse im Jahr 2023 wurden zwei weitere Grenzen als überschritten bewertet. Die erstmals quantifizierte Grenze bei der Einbringung neuartiger Stoffe wurde als überschritten eingestuft. Beim Süßwasser, das zuvor in einer einzigen Größe als Oberflächen- und Grundwasser definiert war, wurde eine Unterscheidung eingeführt nach (grünem) Wasser, das in Böden und Pflanzen enthalten ist und (blauem) Wasser der Flüsse und Seen. Beide Werte wurden als überschritten eingestuft. Damit sind sechs der neun Grenzen überschritten.[30][31]

Die planetaren Grenzen sollen einen „sicheren Handlungsspielraum“ für die Menschheit auf der Erde festlegen. Bestimmte Schwellwerte dürfen dabei nicht über- oder unterschritten werden, um die Resilienz der Erde als System nicht zu gefährden. Bei einigen Prozessen gibt es Kippelemente im Erdsystem, bei denen ein Überschreiten abrupte und unumkehrbare Veränderungen hervorrufen würde. Die planetaren Grenzen sind so definiert, dass nach derzeitigem Wissensstand nur eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit besteht, Kipppunkte zu überschreiten bzw. die Widerstandsfähigkeit des Erdsystems zu überlasten. An den „sicheren Handlungsspielraum“ schließt eine „Zone der Unsicherheit“ an, weil erstens die Grenzwerte aufgrund der komplexen Zusammenhänge nicht exakt bestimmt werden können und zweitens der Menschheit vor dem Erreichen einer planetaren Grenze noch Zeit zum Handeln bleiben soll. Zudem muss die Trägheit bestimmter Erdsystemprozesse (z. B. des Klimasystems) berücksichtigt werden, bei denen Änderungen Zeit benötigen, um wirksam zu werden. Es folgt die „gefährliche Zone“, in der eine hohe Wahrscheinlichkeit für die Beeinträchtigung des Erdsystems besteht. Die Überschreitung einer planetaren Grenze bedeutet somit nicht, dass als Konsequenz das Erdsystem beeinträchtigt wird, jedoch nimmt das Risiko mit dem Grad der Überschreitung der Grenze zu.[1]

Acht von neun bekannten planetaren Grenzen wurden bereits quantifiziert. Lediglich in den Dimensionen Versauerung der Ozeane und Süßwasserverbrauch sind die planetaren Grenzen noch nicht überschritten. Der stratosphärische Ozonabbau wird nur noch regional und zeitweise überschritten und sinkt tendenziell. Die Bedeutung der Grenze und die Messgrößen werden im Anschluss für jede planetare Grenze im Einzelnen erläutert.

Die planetare Grenze „Klimawandel“ zielt darauf ab, das Risiko klimatisch induzierter und potenziell irreversibler Änderungen des Erdsystems zu minimieren. Die Grenzsetzung berücksichtigt Störungen in regionalen Klimasystemen, Einflüsse auf wichtige Klimadynamikmuster wie die thermohaline Zirkulation sowie weitere Auswirkungen wie etwa den Anstieg des Meeresspiegels.[10]

Steffen et al. nutzten einen zweigeteilten Ansatz zur Grenzsetzung. Einerseits wird die atmosphärische CO₂-Konzentration verwendet, andererseits auch der globale Strahlungsantrieb. Obwohl der Strahlungsantrieb eine umfassende Variable darstellt (die den gesamten anthropogenen Ausstoß berücksichtigt, der die Energiebilanz der Erde beeinflusst), wird weiterhin CO₂ als zusätzliche Grenze festgelegt. Dies ist sowohl der langen Verweildauer der Moleküle in der Atmosphäre als auch der großen Menge an Emissionen durch den Menschen geschuldet.[1]

Die derzeit festgelegte Grenze liegt für CO₂ bei 350 ppm (Unsicherheitszone: 350–450 ppm), bei einer Konzentration von derzeit (2017) 405 ppm.[1][32] Für den globalen Strahlungsantrieb wurde die Grenze auf +1,0 Watt pro Quadratmeter (W⋅m⁻²) im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter festgelegt (Unsicherheitszone: +1,1–1,5 W⋅m⁻²).[1] Der derzeitige weltweite Strahlungsantrieb wurde für 2017 von der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) auf 3,06 W⋅m⁻² oder 1,43 W⋅m⁻² im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter beziffert.[33] Demnach sind beide Werte und damit die planetare Grenzen „Klimawandel“ bereits überschritten.

Die planetare Grenze „Versauerung der Ozeane“ ist eng an die Grenze des Klimawandels gekoppelt. Die Ozeane dienen als Kohlenstoffsenke, sowohl durch direkte Lösung von CO₂ im Wasser als auch durch Aufnahme von Kohlenstoff durch Wasserorganismen. Eine Zunahme des CO₂-Gehalts in den Ozeanen führt zu einer Versauerung (Senkung des pH-Wertes) des oberen Meerwassers – dies ist gleichbedeutend mit der Abnahme der Konzentration von Karbonat-Ionen im Wasser. Zahlreiche Organismen, etwa Korallen oder Mollusken, benötigen jedoch gelöstes Kalziumkarbonat, woraus sie in Form von Aragonit oder Calcit ihre Schalen und/oder Skelettstrukturen bilden. Sinkt der Gehalt an Karbonat-Ionen im Wasser und damit die Sättigung an Kalziumkarbonat unter eins, löst sich das Kalziumkarbonat aus den Schalen der Meeresorganismen. Da Aragonit eine größere Löslichkeit als Calcit aufweist, betrachtet diese planetare Grenze den Sättigungswert an Aragonit im Meerwasser als entscheidende Größe (Ω_arag).[10]

Der Schwellwert für die Auflösung der Strukturen von Organismen liegt bei Ω_arag = 1. Doch auch schon weit vor der Erreichung sind schwere Beeinträchtigungen der Organismen zu erwarten. Der vorgeschlagene Grenzwert soll daher bei 80 % des jährlich durchschnittlichen vorindustriellen Werts von Ω_arag = 3,44 liegen.[1] Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass der Sättigungswert von Aragonit sowohl örtlich als auch zeitlich schwankt. Eine Studie aus dem Jahr 2015 beziffert den derzeitigen Wert (flächengewichtetes globales Jahresmittel) auf etwa 88 % des vorindustriellen Niveaus (Ω_arag = 3,03).[34]

Ozon in der Stratosphäre filtert ultraviolettes Licht aus der Sonnenstrahlung. Für die Lebewesen auf der Erde ist dies von entscheidender Bedeutung, da es die DNA schädigen kann und dadurch krebserregend wirkt. Durch eine ausreichend stark ausgeprägte Ozonschicht werden bestimmte Wellenlängen des UV-Lichts gefiltert.

Bestimmte Substanzen führen zum Abbau von Ozon in der Stratosphäre und damit zu einer Verringerung der Schutzwirkung. Zu diesen gehören u. a. Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs). Des Weiteren tragen natürliche Phänomene, wie etwa polare Stratosphärenwolken zu einem Ozonabbau bei. Die Stärke der Ozonschicht wird in DU, Dobson-Einheiten, gemessen. Bei einem Wert von unter 220 DU wird von einem Ozonloch gesprochen.[35] Typischerweise treten die größten Ozonlöcher während des antarktischen Frühlings auf der Südhalbkugel auf, nachdem die über den Winter angereicherten ozonabbauenden Substanzen durch das Sonnenlicht im Frühling freigesetzt werden.

Die von Steffen et al. vorgeschlagene planetare Grenze bezieht sich auf die Gebiete außerhalb der Polarregion, da diese zwar von regionalen Auswirkungen betroffen seien, aber außerhalb der Region deutlich gravierendere Wirkungen auf Menschen und Ökosysteme zu erwarten sind. Als konkrete Zahl wird eine Grenze von 275 DU genannt, mit der Erweiterung, dass für jeden Breitengrad der Wert nicht unter 5 % des Vergleichsmittelwerts von 1964 bis 1980 liegen darf.[10] Aktuelle Werte liegen außerhalb der Polarregionen deutlich über dem Grenzwert. Während des antarktischen Frühlings wird jedoch teilweise die 200-DU-Marke in den Polarregionen weit unterschritten.[35]

Durch das Verbot von FCKW-Gasen im Montreal-Protokoll erholt sich die Ozonschicht seit 1989 stetig. Die Grenze des stratosphärischen Ozonabbaus ist damit ein erstes Beispiel dafür, dass nach einer einmaligen regionalen Überschreitung eine Rückkehr in den sicheren Handlungsraum durch menschliche Bemühungen möglich ist.[1]

Aerosole in der Atmosphäre können sowohl Auswirkungen auf das Klimasystem als auch auf die menschliche Gesundheit haben. So beeinflussen sie die Wolkenbildung und den Treibhauseffekt über die Albedo, sind jedoch auch Ursache für die Entstehung sauren Regens. Beim Menschen verursachen Aerosole zudem Atemwegserkrankungen. Auch sind sie häufig nicht regional gebunden, sondern werden über große Entfernungen von der Entstehungs- zur Wirkungsstätte weitergeleitet. Eine quantifizierbare planetare Grenze wurde von Steffen und Rockström in ihrem ursprünglichen Beitrag nicht festgelegt, da zu viele Unsicherheiten und Abhängigkeiten in der Entstehung und Wirkung eine Rolle spielen.[10]

In ihrem überarbeiteten Beitrag zu den planetaren Grenzen von 2015 wurde die Messung der Aerosolbelastung über die Aerosol-optische Dicke (AOD) vorgeschlagen, ein Maß für die Abschwächung der Sonnenstrahlung beim Durchlaufen der Atmosphäre durch Partikel. Beispielmessungen in Südasien ergaben, dass die normale Aerosolbelastung einer AOD von 0,15 entspricht und durch menschliche Emissionen etwa durch Heizungen oder Verbrennungsmotoren auf ca. 0,4 ansteigt. Da ein Einfluss der Aerosole auf die Monsunregenereignisse in der Region ab einer AOD von 0,35 beobachtet werden konnte, wurde die Grenze (regional) auf 0,25 festgelegt. Derzeitige Werte für die Region liegen bei 0,3 bis 0,4 und haben in zahlreichen Teilregionen eine steigende Tendenz, sodass diese Grenze ebenfalls als überschritten angesehen werden muss.[36] Eine globale (planetare) Grenze kann aufgrund der regional spezifischen Auswirkungen bisher nicht ermittelt werden.[1]

Phosphor und Stickstoff sind als Dünger in der Landwirtschaft, aber auch in der industriellen Nutzung nahezu unverzichtbar geworden. Den Einfluss auf die Ökosphäre, den die exzessive Ausbringung dieser Stoffe verursacht, soll in dieser Grenze quantifiziert werden.[40]

Bereits in ihrem Beitrag zu den planetaren Grenzen von 2009 zogen Steffen et al. die Möglichkeit in Betracht, sowohl für den Phosphor- als auch für den Stickstoffkreislauf eine eigene Grenze festzulegen. Durch den engen Zusammenhang und die gegenseitige Beeinflussung der beiden Stoffströme wurde eine einzelne Grenze mit zwei Grenzwerten (jeweils für Stickstoff und Phosphor) geschaffen. Die ursprüngliche Bezeichnung „Störung der N- und P-Kreisläufe“ wurde in der Überarbeitung von 2015 durch die einfache Nennung der betrachteten Kreisläufe ersetzt, da in Zukunft nicht auszuschließen sei, dass weitere Elemente in dieser Grenze betrachtet werden müssen.[1][11]

Der erste Teil der Grenze der biogeochemischen Kreisläufe bezieht sich auf den Einfluss des Phosphors auf die Biosphäre. Phosphor ist zwar ein Abbauprodukt, gelangt unter natürlichen Umständen jedoch durch Witterungsprozesse in die biologischen Kreisläufe. Im ursprünglichen Beitrag von Steffen et al. wurde der Phosphoreintrag in die Weltmeere als hauptsächliches Kriterium für die Grenze gesetzt. Mit ihr soll die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Sauerstoffverarmung der Ozeane (Ozeanisches anoxisches Ereignis) und damit ein Massenaussterben von Meereslebewesen verringert werden. Die Grenze von 11 Tg P yr⁻¹ (Teragramm Phosphor pro Jahr) wurde dabei auf den 10-fachen Wert der natürlichen Witterungsrate festgelegt. Ein mögliches OAE soll damit erst in über 1000 Jahren wahrscheinlich werden. Den derzeitigen Wert schätzen Steffen et al. auf etwa 22 Tg P yr⁻¹.[1][37]

Zusätzlich zum globalen Phosphoreintrag wurde im Beitrag aus dem Jahr 2015 eine regionale Grenze hinzugefügt. Sie soll auf kleinerer Ebene den Eintrag von Phosphor in Gewässer, hauptsächlich durch den Einsatz von Düngemitteln, begrenzen. Daher tragen vor allem die globalen Agrarflächen zu einem großen Teil der Phosphoreintragsrate bei. Die von den Wissenschaftlern festgelegte Grenze von 6,2 Tg P yr⁻¹ an Eintrag in Süßwassersysteme wird mit Stand 2018 in zahlreichen Regionen bereits überschritten, teilweise schon um mehr als das Doppelte (> 14 Tg P yr⁻¹).[1][38][41]

Der Stickstoffkreislauf wird durch zahlreiche anthropogene Prozesse beeinflusst. So wird atmosphärischer Stickstoff bei der Ammoniakherstellung gebunden, aber auch der Anbau stickstoffbindender Pflanzen (Leguminosen) trägt zu einer Stickstofffixierung bei. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und von Biomasse gelangt Stickstoff in die Atmosphäre. Die Auswirkungen von Stickstoff sind vielfältiger Natur und von der eingegangenen Verbindung abhängig. So trägt es etwa als Lachgas (N₂O) als eines der stärksten klimawirksamen Gase direkt zum Treibhauseffekt bei. Als Nitrat (NO₃⁻) sammelt es sich in Gewässern und Böden. Nitrat kann von bestimmten Bakterien zu Nitrit umgewandelt werden, das für zahlreiche Organismen giftig ist.[10]

Steffen et al. schlugen in ihrem ersten Beitrag eine Begrenzung des globalen Stickstoffeintrags auf etwa 35 Mt pro Jahr vor, was ca. 25 % des damaligen Eintrags betrug, ohne eine weitere wissenschaftliche Beurteilung.[10] In deren überarbeitetem Konzept wurde die Grenze als „industrielle und beabsichtigte biologische Fixierung“ definiert und auf einen Wert von 62 Tg pro Jahr festgelegt.[1] Damit übernehmen sie die Berechnungen von de Vries et al., die eine Grenze von 35 Tg pro Jahr aufgrund der Notwendigkeit für Stickstoff als Dünger in der Lebensmittelherstellung für nicht realisierbar erachten.[42] Derzeitige Werte des Stickstoffeintrags bewegen sich von 150 Tg N yr⁻¹ bis etwa 180 Tg N yr⁻¹, was die Überschreitung dieser Grenze um mehr als das Doppelte bedeutet.[1][39]

Der Wasserhaushalt hat einen großen Einfluss auf die Erdsystemfunktionen. Wasser hat einen Einfluss auf die Ernährungssicherheit und den Lebensraum vieler Arten. Weiterhin ist es für die Klimaregulierung von starker Bedeutung. Zur besseren Differenzierung unterscheiden Steffen et al. zwischen im Boden gespeichertem Wasser (sogenanntem grünem Wasser) sowie Oberflächen- und Grundwasser (sogenanntem blauem Wasser). Beide Arten von Wasser sind über den Wasserkreislauf eng verknüpft. So entsteht durch Verdunstung der Bodenfeuchte in der Atmosphäre Wasserdampf, der durch Niederschlag wieder in Seen und Flüssen zu blauem Wasser wird. Im Gegenzug wird durch Bewässerung blaues zu grünem Wasser. Eine Grenze zum Frischwasserverbrauch muss demnach so gesetzt werden, dass ausreichend grünes Wasser für den Erhalt der Bodenfeuchtigkeit und Anregung von Niederschlag vorhanden ist, gleichzeitig aber auch genügend blaues Wasser zum Erhalt der aquatischen Ökosysteme wie etwa Seen abfließt.[10]

Als planetare Grenze des Frischwasserverbrauchs wurde zur Verringerung der Komplexität die verbrauchende Nutzung des blauen Wassers gewählt. Die Menge wurde dabei auf 4000 km³ pro Jahr festgesetzt. Derzeitige Werte gehen von einem Weltverbrauch von etwa 2600 km³/Jahr aus. Es wird vorausgesagt, dass für die Nahrungsmittelproduktion der Verbrauch von Blauwasser für die Bewässerung bis 2050 um 400–800 km³/Jahr steigen wird. Ein Überschreiten dieser Grenze wird demnach nicht erwartet.[10]

Im Konzept von 2015 wurden weitere Einschränkungen zu dieser Grenze getroffen. Da Flüsse im Verlauf eines Jahres unterschiedlich viel Wasser führen, etwa aufgrund von Regen- und Trockenzeiten, wurde eine Obergrenze der Wasserentnahme in Prozent des durchschnittlichen monatlichen Durchflusses für verschiedene Zeiten festgelegt. So sollte in Zeiten geringer Durchflüsse maximal 25 % des durchschnittlichen monatlichen Durchflusses pro Monat entnommen werden, in Zeiten hoher Durchflüsse dürfen 55 % des durchschnittlichen monatlichen Durchflusses pro Monat entnommen werden. Damit soll erreicht werden, dass die abhängigen Ökosysteme auch in Trockenzeiten mit ausreichend Frischwasser versorgt werden können.[1]

Ursprünglich bildete diese Grenze den Anteil der weltweit landwirtschaftlich genutzten Fläche ab. Ein zunehmender Anteil der eisfreien Flächen wird für die Nahrungsmittel-, Futtermittel- und Energiepflanzenproduktion genutzt, häufig in Monokulturen. Die dabei entstehenden Nebeneffekte umfassen Einflüsse auf zahlreiche andere planetare Grenzen, wie etwa die Unversehrtheit der Biosphäre, die biogeochemischen Kreisläufe und die Süßwassernutzung. Steffen et al. schlugen eine Begrenzung der Agrarflächen auf 15 % aller eisfreien Flächen vor, wobei zum Stand der ersten Veröffentlichung 2009 bereits 12 % landwirtschaftlich genutzt wurden.[10]

Im aktualisierten Konzept wurde der Fokus dieser Grenze auf den Anteil der waldbedeckten Fläche gelegt. Grund dafür ist die wichtige Rolle von Wäldern auf die Klimaregulierung, z. B. durch Verdunstungseffekte tropischer Regenwälder oder den Einfluss auf den Rückstrahleffekt borealer Nadelwälder. Da Wälder auch für nicht-landwirtschaftliche Nutzungen gerodet werden, zielt die Grenze auf den Anteil der bestehenden Waldflächen und nicht mehr auf den Anteil landwirtschaftlich genutzter Flächen. Konkret wird die Grenze bei 85 % Bedeckungsanteil für tropische und boreale Wälder sowie bei 50 % Bedeckungsanteil für Wälder in gemäßigten Breiten gesetzt. Zusätzlich zu den regionalen Grenzen wird der globale Mittelwert der Waldarten als Grenze herangezogen und zu 75 % festgelegt (als Anteil an der vorindustriellen globalen Waldfläche). Steffen et al. quantifizierten den Bedeckungsgrad 2015 auf 62 %, womit die Grenze bereits überschritten wäre.[1] Die FAO beziffert den jährlichen Verlust an Waldfläche auf etwa 0,13 %.[43]

Im ursprünglichen Konzept von Rockström et al. wurde die Grenze des Biodiversitätsverlustes eingeführt. Große Änderungen in der biologischen Vielfalt können schwerwiegende Einflüsse auf die Erdsystemfunktionen haben. Viele Folgen, die durch das Aussterben bestimmter Arten oder Artengruppen (siehe z. B. Insektensterben und Vogelsterben) entstehen, können bisher allerdings nicht abgeschätzt werden, da die Verflechtungen und Abhängigkeiten in der Biosphäre sehr hoch sind. Es wird zudem erwartet, dass es bestimmte Kipppunkte gibt, bei deren Überschreitung das Gesamtsystem der Biosphäre kollabieren wird.

Zur Bestimmung des Biodiversitätsverlustes wurde die Aussterberate E/MSY (Extinctions per million species and year, dt. ausgestorbene Arten je Million Arten im Jahr) vorgeschlagen. Die Hintergrundsterberate – das Aussterben von Arten ohne menschliche Einflüsse – betrug entsprechend Schätzungen von Paläontologen etwa 0,1–1 E/MSY. Der Nachteil dieser Messgröße ist die geringe Genauigkeit sowie der Zeitversatz bei der Bestimmung.[10]

Für eine differenziertere Betrachtung unterteilten Steffen et al. im Konzept von 2015 die planetare Grenze in die Subgrenzen „genetische Diversität“ und „funktionelle Diversität“. Zudem erfolgte die Umbenennung in „Unversehrtheit der Biosphäre“.[1]

Sie umfasst die Vielfalt des gesamten genetischen Materials, aus der sich das Potenzial zukünftiger Entwicklungen neuen Lebens ergibt. Je mehr verschiedene genetische Arten vorhanden sind, desto höher ist durch einen vergrößerten Genpool die Chance der Lebewesen auf Anpassung an abiotische Änderungen in widerstandsfähiger Weise.

Zur Bestimmung der genetischen Vielfalt wird das Konzept der phylogenetischen Artenvielfalt (phylogenetic species variability – PSV) vorgeschlagen. Es gibt dabei an, inwieweit Arten phylogenetisch miteinander verwandt sind und kann daher als Maß für die Höhe der genetischen Diversität genommen werden.[44] Da allerdings keine Daten auf globaler Ebene vorhanden sind, wurde auf die im Konzept von 2009 verwendete Aussterberate zurückgegriffen und die globale Grenze auf 10 E/MSY gelegt. Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass seit der Industrialisierung die Aussterberate auf 100–1000 E/MSY gestiegen ist, was einem Massenaussterben gleichzusetzen ist.[1]

Die funktionelle Diversität bildet die Funktionsfähigkeit der Biosphäre ab, die durch die Organismen und ihrer Verteilung und Eigenschaften in Ökosystemen gegeben wird. Dazu wird auf die Kontrollgröße des Biodiversitäts-Intaktheits-Index (BII) zurückgegriffen. Er gibt an, wie sich die Population infolge menschlicher Einflüsse, wie etwa Land- oder Ressourcennutzung verändert hat. Dabei stellt ein BII von 100 % den vorindustriellen Zustand der Biosphäre dar. Menschliche Einflüsse können dabei den BII sowohl verringern als auch erhöhen, sodass theoretisch auch Werte über 100 % möglich sind.

Die vorgeschlagene planetare Grenze wurde bei einem BII von 90 % gesetzt. Da jedoch der Zusammenhang von BII und den Reaktionen des Erdsystems nicht vollständig geklärt ist, wurde ein hohes Unsicherheitsband von 30 bis 90 % eingeführt. Bisher wurden Untersuchungen zu BII lediglich in Ländern im südlichen Afrika durchgeführt, wobei die Werte zwischen 69 % und 91 % bei einem Mittelwert von 84 % lagen.[1]

Die neunte planetare Grenze sollte ursprünglich die Belastung durch Chemikalien abdecken. Dazu wurden unter anderem radioaktive Elemente, Schwermetalle und eine Vielzahl organischer, menschengemachter Chemikalien gezählt. Durch ihre Einflüsse sowohl auf die menschliche Gesundheit direkt, als auch im Wechselspiel mit anderen planetaren Grenzen, wurde die Einführung einer eigenen Grenze für diese Substanzen gerechtfertigt.[45] Die Quantifizierung eines Grenzwerts ist allerdings aufgrund der Vielzahl an weltweit gehandelten Chemikalien (ca. 85.000 in den USA, 100.000 in der Europäischen Union)[46][47] praktisch nahezu unmöglich. Im Konzept der planetaren Grenzen von 2009 wurden daher lediglich Vorschläge für die Einführung einer solchen Grenze gegeben: entweder die Überwachung sehr mobiler Substanzen oder die Grenzfestlegung bestimmter Chemikalien aufgrund ihrer Wirkungen auf Gesundheitssysteme verschiedener Organismen.[10]

In der überarbeiteten Veröffentlichung von 2015 werden zu den Chemikalien neu geschaffene und modifizierte Formen von Leben sowie Nanomaterialien und Mikroplastik gezählt. Daher schlugen die Verfasser eine planetare Grenze „Einbringung neuartiger Substanzen“ vor. Auch in der Überarbeitung wird keine quantifizierte Grenze festgelegt; vielmehr wurde die einer Zulassung und Freisetzung vorausgehende Prüfung vorgeschlagener Chemikalien auf folgende drei Punkte vorgeschlagen:[1]

• Die Substanz hat einen Störeffekt auf Erdsystemprozesse.
• Der Störeffekt wird erst entdeckt, wenn es ein globales Problem geworden ist.
• Der Effekt ist nicht ohne Weiteres umkehrbar.

Auf Grundlage dieser Eigenschaften könnten bisher freigesetzte Substanzen geprüft und eine jeweilige Grenze gesetzt werden. Allerdings gibt es bisher keine Messung von Chemikalienbelastungen auf globaler Ebene, weshalb diese Grenze lediglich qualitative Maßnahmen zur Verringerung dieser Belastungen liefert.

Anfang 2022 veröffentlichte Linn M. Persson mit anderen den ersten Versuch einer quantifizierten Einbindung der novel entities in die Darstellung der planetaren Grenzen. Die Forschenden kommen zu dem Schluss, dass aktuelle Einbringungen die akzeptablen Grenzwerte weit überschritten haben. Sie legen nahe, dass Abhilfe nur durch eine Reduktion der Neuproduktion von Plastik und anderen Substanzen möglich ist.[45] Eine andere Studie zeigt, dass über 99 Prozent von 492 untersuchten Chemikalien mindestens eine planetare Belastungsgrenze sprengen.[48][49][50]

Im ersten Jahrzehnt nach der Veröffentlichung 2009 erreichte das Konzept der planetaren Grenzen weltweit großen Einfluss in der akademischen Debatte, für Forschungsprojekte und Politikempfehlungen. Die drei Publikationen[10][1][11] erreichten in Summe über 7000 Zitationen im Web of Science.[51]

In der ursprünglichen Veröffentlichung des Konzepts der planetaren Grenzen 2009 wurden lediglich globale Maßstäbe angenommen und globale Grenzen gesetzt. Dies ließ außer Acht, dass einige Prozesse eine große räumliche Heterogenität aufweisen (bspw. Stickstoff- und Phosphoreintrag). Daher konnten in einigen Regionen die Grenzwerte bereits überschritten werden, ohne dabei Auswirkungen auf die globalen Grenzen zu haben.[10]

In der Überarbeitung von 2015 wurde diese Kritik berücksichtigt: Es wurden „sub-globale“ Grenzen definiert, die im Einklang mit den globalen Grenzen liegen. Diese regionalen Grenzen besitzen nicht unbedingt dieselben Einheiten wie die globalen Grenzen und werden nicht in der grafischen Darstellung berücksichtigt, bieten jedoch eine Möglichkeit, das Ausmaß der Erdsystemnutzung auf regionaler Ebene zu beurteilen.[1]

Mehrere Wissenschaftler schlagen zu den neun von Steffen und Rockström entwickelten planetaren Grenzen weitere Limitationen vor, die als zehnte Grenze bezeichnet werden. So schlägt der Ökologe Steve Running die Einführung der terrestrischen Pflanzenproduktion als messbare Größe und damit quantifizierbare Grenze vor. Die terrestrische Pflanzenproduktion (Netto-Primär-Pflanzenproduktion; NPP) umfasst dabei sämtliche pflanzliche Wachstumsprozesse, die auf der Landfläche der Erde stattfinden. Diese könnten durch Satellitenaufnahmen quantifiziert und bewertet werden. Die vorgeschlagene Grenze enthält Aspekte von vier Grenzen, die Steffen und Rockström postuliert haben: Landnutzungsänderung, Frischwasserverbrauch, Unversehrtheit der Biosphäre und biogeochemische Kreisläufe. Beeinflusst wird die NPP zweier ursprünglicher Grenzen, dem Klimawandel und der Einbringung neuartiger Substanzen. Running stellt heraus, dass von den 53,6 Pg terrestrischer Pflanzenproduktion pro Jahr lediglich noch 10 % zusätzlich für menschliche Nutzung zur Verfügung stehen, da entweder der Rest nicht zur Verfügung steht, weil es sich um geschütztes oder unzugängliches Land handelt, oder es sich um NPP durch Wurzelwachstum handelt und damit unnutzbar ist.[52][53] Demnach ist die vorgeschlagene Grenze noch nicht überschritten, es gibt allerdings nur geringen Handlungsspielraum für die Zukunft.

Einen ähnlichen Ansatz verfolgen Casazza, Liu und Ulgiati. Sie schlagen vor, den Energieverbrauch der Menschheit als Kontrollgröße ihrer entwickelten zehnten Grenze einzuführen. Als limitierenden Faktor haben die Forscher ebenfalls die Nettoprimärproduktion herangezogen, allerdings berücksichtigen sie den energetischen Wert der NPP von 7,5 ⋅ 10¹³ W. Prognosen für die Zukunft zeigen starke Abweichungen voneinander, kamen aber zum Schluss, dass der derzeitige westliche Lebensstil nicht von allen für das Jahr 2050 geschätzten neun Milliarden Menschen geführt werden kann, ohne dass die Grenze überschritten werde.[54]

Verschiedene Studien untersuchten den Treibhausgas- und andere Umwelt-Fußabdrücke von Schweden,[55] der Schweiz,[56] der Niederlande,[57] von Europa[58] sowie der wichtigsten Volkswirtschaften der Erde,[59][60] gestützt auf die Belastbarkeitsgrenzen des Planeten. Dabei wurden unterschiedliche methodische Ansätze verwendet. Als gemeinsames Ergebnis zeichnet sich ab, dass der Ressourcenverbrauch der wohlhabenden Staaten – hochgerechnet auf die Weltbevölkerung – mit mehreren Belastbarkeitsgrenzen des Planeten unvereinbar ist. Für die Schweiz gilt dies beispielsweise für den Treibhausgas-, den Biodiversitäts- und den Eutrophierungsfußabdruck (durch Stickstoff).[56] Nicht gleichzusetzen, aber verwandt mit diesen Untersuchungen sind Vergleiche des ökologischen Fußabdrucks (in globalen Hektaren) mit der globalen Biokapazität.

Das Donut-Modell von Kate Raworth mit visualisiertem Stand der Grenzen

Im Jahr 2012 veröffentlichte die Wirtschaftswissenschaftlerin und Oxfam-Mitarbeiterin Kate Raworth einen Diskussionsbeitrag, in dem sie die Beschränkung der planetaren Grenzen auf ökologische Dimensionen kritisierte.[61] Als Erweiterung zur klassischen Darstellung der planetaren Grenzen schlug sie einen innen geöffneten Kreis vor, der an einen Donut erinnert. Nach innen zeigt das Modell den Mangel an sozialen und gesellschaftlichen Grundlagen, nach außen weiterhin die ökologischen Grenzen auf Basis von Steffen und Rockström. Die Kernaussage von Raworth zu ihrem Modell ist, dass es das Ziel der Menschheit sein müsse, „innerhalb des Donuts“ zu leben. Im Jahr 2018 veröffentlichte sie ihr Buch Die Donut-Ökonomie, in dem die wichtigsten sozialen Fundamente quantifiziert werden:[62]

Eine empirische Anwendung des Donut-Modells von O’Neill et al. zeigte, dass von 150 Ländern keines gleichzeitig die Grundbedürfnisse seiner Bürger deckt und ein global nachhaltiges Maß der Ressourcennutzung erreicht.[63]

Umweltwirkungen von Landwirtschaft und Ernährung im Kontext planetarer Grenzen[40]

Die Bereiche Landwirtschaft und Ernährung sind global für die Überschreitung von vier der insgesamt neun betrachteten Belastungsgrenzen verantwortlich. Durch übermäßige Nährstoffeinträge in terrestrische und aquatische Ökosysteme kommt dabei dem Stickstoff- und Phosphorkreislauf die größte Bedeutung zu, gefolgt von einem übermäßigen Landnutzungswandel und Biodiversitätsverlust, der durch Landwirtschaft und Ernährung verursacht wird. Ernährung umfasst hierbei die Nahrungsmittelverarbeitung und den Handel sowie die Zubereitung von Nahrungsmitteln in Haushalten und Gastronomie. Ernährungsbedingte Umweltlasten sind für die Belastungsgrenzen der Süßwassernutzung, der Luftverschmutzung und der Ozonzerstörung in der Stratosphäre auf globaler Ebene nicht quantifiziert.[40]

2019 stellten Forschende von PIK, SRC und Aalto-Universität die Planetary Health Diet vor, mit deren Vorgaben die Ernährung von bis zu 10 Milliarden Menschen möglich wäre, ohne planetare Grenzen zu reißen.[64][65] Die nach Anbauregionen differenzierten Empfehlungen sehen durchschnittlich 2500 kcal als Tagesbedarf und beispielsweise die Reduzierung von Fleisch- und Zuckerkonsum zugunsten von Gemüse, Hülsenfrüchten und Nüssen vor.[66]

Das Konzept der planetaren Grenzen findet bereits erste Anwendungsfelder. So wurde es in Teilen bereits von der internationalen Klimapolitik als Ziel übernommen, z. B. bei der Zwei-Grad-Klimaschutzleitplanke. Das Zwei-Grad-Ziel halten die Verfasser allerdings nicht für ausreichend, um das Überschreiten von Kipppunkten im Klimasystem zu verhindern.[67][68]

Das Konzept der planetaren Grenzen liegt dem Hauptgutachten des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU) von 2011 mit dem Titel Welt im Wandel – Gesellschaftsvertrag für eine Große Transformation zugrunde.[13] Die dortigen planetarischen Leitplanken sind vom Grundaufbau vergleichbar mit den planetaren Grenzen.[69]

Das Ozonloch wird nicht mehr als planetarische Leitplanke angesehen. Gleichlautend steht in Die Zeit: „Wir gehen […] davon aus, dass sich die Ozonschicht seit dem Verbot ozonzerstörender Substanzen nun allmählich erholen wird.“[70]

Süßwasserverbrauch und Aerosole werden ebenfalls nicht als planetarische Leitplanken im Konzept des WBGU[71] aufgelistet.