Klimawandel, Teil 1: Strahlungsbilanz, CO2-Sättigung, Gegenstrahlung

Strahlungsbilanz

Strahlungsbilanz aus Wild et al. 2013: A new diagram of the global energy balance

Die obige Grafik stellt den aktuellen Wissensstand über die vertikalen Energieströme der Erde und ihrer Atmosphäre dar. Für das Verständnis des Treibhauseffektes ist vor allem interessant, was oben links reingeht (340-100 Watt/m²) und was oben rechts rausgeht (239 Watt/m²). Die Grafik stellt also ein kleines Ungleichgewicht dar, das durch die Fehlerintervalle (kleine Zahlen) und durch die Rundung auf ganze Zahlen allerdings relativiert wird.

Ohne ihre Atmosphäre hätte die Erde eine unangenehme Durchschnittstemperatur von nur −18°C (255 Kelvin). Das ergibt sich aus dem Stefan-Boltzmann-Gesetz, wenn man davon ausgeht, dass die ankommende Strahlung der Sonne und die von der Erde ausgehende Wärmestrahlung sich ausgleichen. Das Abstrahlungsprofil am Rande der Atmosphäre würde ohne Treibhausgase ungefähr wie die grüne Kurve im folgenden Bild aussehen.

modtran Modell, 257.2 K, wolkenlos

-15,8C (257.2 K), wolkenlos (Grafik erstellt mit dem modtran Modell)

Mit Treibhausgasen bleibt davon aber nur der zerklüftete blaue Bereich übrig. Der tiefe Einschnitt nahe am Maximum entsteht durch die Absorption des Kohlendioxids (CO2) bei Wellenzahl 670, was der Wellenlänge 15 μm entspricht. Damit die Fläche unter der zerklüftete blauen Kurve wieder die Sonneneinstrahlung erreicht, muss die Temperatur der Erdoberfläche höher sein:

modtran Modell, 14,2°C (287.2 K), wolkenlos

14,2°C (287.2 K), wolkenlos (Grafik erstellt mit dem modtran Modell)

Bei 288 K ist die blaue Linie hoch genug gewandert, dass die Fläche darunter wieder der Sonneneinstrahlung entspricht. Das ist der natürliche Treibhauseffekt und dadurch haben wir es 33 Grad wärmer als ohne Treibhausgase, also durchschnittlich +15 °C. Der Gedanke, dass weiteres CO2 noch mehr Temperatur bewirkt, ist naheliegend und richtig, aber nicht so einfach, wie man denken könnte. Es lohnt sich, genauer hinzusehen.

Der schwedische Physiker Svante Arrhenius (1859-1927) fand es schön, dass so viel Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre entlassen wurde:

„Der Anstieg des CO2 wird zukünftigen Menschen erlauben, unter einem wärmeren Himmel zu leben.“

Leider fand ein Herr Koch, Assistent von Knut Ångström, später (1900) heraus, dass es für die Absorption kaum einen Unterschied macht, wenn man in einem 30 cm langen Rohr, das ungefähr so viel CO2 enthält wie die Atmosphäre über uns, den Druck um ein Drittel senkt. Er hatte 0,4 % Strahlungsänderung gemessen. Richtiger wäre ein Prozent gewesen, aber auch das wäre wohl als nicht signifikant angesehen worden. Man nahm an, dass die Atmosphäre, was die Infrarotabsorbtion angeht, mit CO2 gesättigt ist.

Ein ganz anderes Experiment von Iain Stewart kann man sich auf Youtube ansehen. Ein Glasrohr wird mit CO2 geflutet, und währenddessen verschwindet das Wärmebild einer Kerzenflamme am anderen Ende des Rohres. Dieses Experiment ist beeinduckender als das von Koch, weil die Wärmebildkamera auf 4 μm (Mikrometer) eingestellt ist, wo CO2 eine Absorptionsbande hat. (Ich hätte „das Absorptionsband“ gesagt, aber Wikipedia schreibt „die CO2-Absorptionsbande“). Für den Treibhauseffekt ist allerdings die CO2-Absorptionsbande bei 15 μm interessanter.

Ein anderer Unterschied der beiden Experimente ist, dass Koch mit CO2-Mengen in der Größenordnung der gesamten Atmosphärensäule arbeitete und Iain Stewart nahe null begann und recht bald die vollständige Absorption erreichte. Das Kohlendioxid lässt in seinem stärksten Absorptionsbereich bei 15 μm die von der Erde ausgehende Wärmestrahlung kaum weiter als einen Meter durchkommen. Wie soll da mehr CO2 noch irgendwas bewirken?

Und hat nicht auch der bis zu hundertmal häufigere Wasserdampf Absorptionslinien bei 15 μm, die ohnehin schon die Wärmestrahlung dieser Frequenz schlucken?

Auf dieser über hundert Jahre alten Argumentation sind die Leugner menschengemachten Klimaerwärmung stehen geblieben, wenn sie sich überhaupt so weit mit Physik beschäftigen: Arrhenius wurde widerlegt, CO2 absorbiert schon vollständig und geht sowieso im Wasserdampf unter.

Sehen wir uns aber mal die Absorptionslinien um die 15 μm an:

Absorptionslinien CO2 (rot) und H2O (schwarz) linear

Dasselbe nochmal in logarithmischer Darstellung:

Absorptionslinien CO2 (rot) und H2O (schwarz) logarithmisch

Die Volumenanteile der beiden Gase in der unteren Atmosphäre sind bereits berücksichtigt. Von den 60955 Linien gehören rund 60000 zu CO (rot) und 900 zu Wasserdampf (schwarz). Der Sättigungsbereich des CO2, bei dem keine vom Erdboden ausgehende Strahlung den Rand der Atmosphäre erreicht, ist relativ dünn, aber daneben sind zahlreiche schwächere Linien.

Zudem muss man berücksichtigen, dass die Atmosphäre kein Glasdeckel ist sondern eine Ausdehnung in die Höhe hat. Vom Boden ausgehende 15-μm-Strahlung wird recht bald absorbiert, dafür strahlt die Atmosphäre selbst ihrer Temperatur entsprechend in alle Richtungen, aber nicht als schwarzer Körper. Gemäß der Regel, dass Gasmoleküle in denselben Wellenlängen strahlen, in denen sie absorbieren können, hat die von der Atmosphäre ausgehende Strahlung dieselben Wellenlängen die auch absorbiert werden.

Obwohl keine vom Boden ausgehende Strahlung nahe 15 μm das All erreicht, verlässt Strahlung dieser Wellenlänge die Atmosphäre, weil die Treibhausgase überall strahlen, wo es wärmer ist als 0K (-273°C). Je höher die CO2-Konzentration ist, desto weiter oben liegt die durchschnittliche Höhe, von der CO2-Strahlung ins All gelangt. Und je weiter oben das ist, desto kälter ist diese Schicht der Troposphäre und desto geringer ist folglich die Strahlungsleistung.

Im folgenden Bild reicht das CO2-Tal bei 15 μm ungefähr bis zur 225K-Linie runter, was bedeutet, dass diese Strahlung aus der oberen Troposphäre kommt. Das könnte man als eine zweite Form der Sättigung ansehen. Der Boden des Tals liegt bereits im kältesten Bereich der Troposphäre, so dass ganz nah bei 15 μm mehr CO2 nicht zu weniger Abstrahlung führt.

In der Mitte des Tals steht eine aufrechte Nadel (hier winzig, in den blauen Kurven oben besser zu sehen), die zeigt, dass die stärksten Absorptionslinien des CO2 sogar schon aus der Stratosphäre kommen, wo es mit zunehmender Höhe wieder wärmer wird. An den Flanken des Absorptionsbereichs ist allerdings noch reichlich Raum für weiteren Strahlungsrückgang bei mehr CO2.

Rechts neben dem CO2-Tal kommt ein atmosphärisches Fenster (10 bis 13 μm), wo die Strahlung vom Boden fast ungehindert das All erreicht, und daneben bei 9,6 µm die Absorptionsbande vom Ozon (O3).

Infrarotspektren

Am Boden wird die Rückstrahlung aus der Atmosphäre gemessen. Hier grenzt der CO2-Bereich fast an die höchste Temperaturlinie, was bedeutet, dass die Strahlung aus einer bodennahen warmen Luftschicht kommt. Aus den atmosphärischen Fenstern kommt so gut wie keine Strahlung nach unten, jedenfalls nicht bei trockenem Wetter.

Weitere Blog-Artikel sind geplant, bei denen es unter anderem darum gehen wird, welche Faktoren die Klimaerwärmung noch beeinflussen (Staub, Sonne, Wasserdampf), wie die Faustformel für den Strahlungsantrieb 5,35 ln(CO2-neu/CO2-alt) zustande kommt, wo die Energie seit 1998 bleibt, wie das Klima in der Vergangenheit aussah und wie es auf anderen Planeten aussieht … so viel Material! Vielleicht beschränke ich mich stattdessen lieber auf eine kommentierte Linkliste.

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19 Antworten zu Klimawandel, Teil 1: Strahlungsbilanz, CO2-Sättigung, Gegenstrahlung

  1. Bernhard Schüller schreibt:

    In den vergangenen Mio. Jahren gab es ein ständiges auf und ab der Temperatur auf der Erde. Teilweise war es deutlich wärmer als heute. Angenommen, es gelingt den Menschen, CO 2 deutlich zu reduzieren, haben wir dann ein stabiles, weltweit identisches Weltklima auf Dauer? Wohl eher nicht! Irgendwann stehen die Eisberge wieder vor Berlin und die Norweger hüten Kühe auf dem grünen Land (Grönland).

    • Ender Wiggin schreibt:

      Es geht weder darum, dass es nicht zu warm bzw. nicht zu kalt ist, auch nicht um ein stabiles Klima insgesamt.
      Es geht darum, dass die Veränderung des Klimas langsam genug ist, damit wir (und die Natur) sich anpassen kann.

  2. Karl Dobberstein schreibt:

    Wo sind denn nun die die Bilder der Absorbtionslinien von CO2 (rot) und H2O (schwarz)?

  3. Bernhard Broselge schreibt:

    „Je höher die CO2-Konzentration ist, desto weiter oben liegt die durchschnittliche Höhe, von der CO2-Strahlung ins All gelangt. Und je weiter oben das ist, desto kälter ist diese Schicht der Troposphäre und desto geringer ist folglich die Strahlungsleistung.“ – Ja, aber dann ist die Abstrahlfläche auch größer, da die Kugeloberfläche bei steigendem Durchmesser ja auch steigt. Kommt es da nicht auf die gleiche Ernergiemenge raus? Gibt es da Berechnungen?

    • kereng schreibt:

      Der Erdradius beträgt 6371 Kilometer. Da werden 20 km mehr nicht viel ausmachen. Das ist nur meine Schätzung. Ausgerechnet habe ich es nicht.

      • Hamster schreibt:

        .. oO? 4/3*Pi*r³ … mit r=(6391³-6371³) reden hier von ~10.233.347.087km³..
        Das ist schon ne beachtliche Menge an zusätzlichem Volumen.

    • Ender Wiggin schreibt:

      Äh, was…? Das ist Mathe Mittelstufe. 6391^2/6371^2 = 1,006.
      Also 0,6% mehr Fläche. Kurz: vernachlässigbar.

  4. Mrak schreibt:

    Ich habe ja schon viel Schwachsinn gelesen mit dem man versucht Co2 als Treibhausgas wissenschaftlich zu belegen. Das hier gehöt schon zu harten Sorte. Ein Gas mit 0,043% Anteil und einem ganz schmalen Absorptionsbereich von ca 15 ym bei einer Gleichverteilung in der Atmosphäre, blöder geht es nicht. Co2 ist dies der wichtigsten Spurengase in der Atmosphäre für unsere Fauna. Ja co2 steigt wenn es wärmer wird, die Permafrostböden und die Meere geben mehr gebundenes Co2 frei. Aber für die Absorptionserwärmung ist in erster Linie der Wasserdampf zuständig. Dass sich das Klima schneller ändert als sonst (das Klima war noch nie konstant) dafür ist in erster Linie der Mensch mitverantwortlich. 8 Milliraden, alles zubetoniert, die Wälder abgerodet, die Meere leefrgefischt, alles vermüllt, dadurch haben wir wirklich negativen Einfluss auf das Klima. Das verwerflichste an der Co2 Treibhausfalschaussage ist aber, dass sie vom wirklichen Problem ablenkt und alle glauben macht mit ein paar Windrädern retten wir die Welt.

    • kereng schreibt:

      Aus einem Bauchgefühl heraus zu leugnen, was seit Jahrzehnten an den Universitäten gelehrt wird, ist nun wirklich dämlich. Wie sieht denn deine Kalkulation aus, wieviel von der Erde ausgehende Wärmestrahlung von CO2 zurückgehalten wird? Bitte mit Formeln und Zahlen. Wie erklärst du die (gemessene!) blaue Linie im zweiten Diagramm mit dem Tal um 15μm?

      Gerade hatte Florian Freistetter geschreiben, dass „nur noch ein paar völlig von der Realität entfernte Menschen“ die Ursache des Klimawandels leugnen, und jetzt kommst du daher!
      https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2021/07/19/elektro-und-wasserstoffautos-sind-die-loesung-fuer-die-klimakrise-die-neuen-klimamythen-08/

      • DeepBlue schreibt:

        „Aus einem Bauchgefühl heraus zu leugnen, was seit Jahrzehnten an den Universitäten gelehrt wird, ist nun wirklich dämlich. “
        Das ist so ziemlich das dämlichste Argument, das ich bisher gehört habe!
        Was meinen Sie wohl, ist an der Akademie der Wissenschaften und allen anderen Unis der DDR über den Marxismus/Leninismus seit Jahrzehnten gelehrt worden?
        Und, wo ist er jetzt? Auf dem Müllhaufen der Geschichte…

      • kereng schreibt:

        Und wenn heute noch irgendeine Akademie der Wissenschaften den menschengemachten Klimawandel leugnet, dann die Russische, weil dort der Staat vom Verkauf fossiler Brennstoffe profitiert und sich über die Erwärmung vielleicht sogar freut.

    • Ender Wiggin schreibt:

      „Ein Gas mit 0,043% Anteil“
      Es sind 0,042%. Na und?!! Wo ist da das Argument? Wie schließen Sie vom Anteil auf das Ausmaß der Wirkung? Dass die Zahl allein wenig aussagt, sieht man daran, dass man die CO2-Menge in der Atmosphäre auch als 2 Billionen Tonnen angeben kann. Dann würde man spontan wohl eher fragen: Was , so wenig macht das aus?

      „und einem ganz schmalen Absorptionsbereich“
      Das ist falsch.

      “ Co2 ist dies der wichtigsten Spurengase in der Atmosphäre für unsere Fauna.“
      Nein. *Das* wichtigste. Und weiter…?
      Merken Sie nicht, wie Sie sich hier selbst widerlegen? Wie kann denn ein Gas mit ’nur‘ 0,042% Anteil so wichtig sein?

      “ Ja co2 steigt wenn es wärmer wird, die Permafrostböden und die Meere geben mehr gebundenes Co2 frei.“
      So einfach ist das nicht. Das hängt auch von der Menge des gelösten CO2 und vom Partialdruck ab. Aktuell nehmen die Meere nun mal netto CO2 auf.

      „Aber für die Absorptionserwärmung ist in erster Linie der Wasserdampf zuständig. “
      Was eine Rückkopplung darstellt, nicht eine Ursache.

      “ und alle glauben macht mit ein paar Windrädern retten wir die Welt.“
      Ohne hanebüchenen Strohmann geht’s auch nicht, was?

  5. Ajax schreibt:

    Man hört, die jetzige Schichtstärke des CO2 (sonstige Luftmoleküle hinweggedacht) betrage 8m (3 m habe ich auch schon gelesen). Da CO2 sich relativ gleichmäßig unter die übrigen Luftmoleküle mischt, erhöht sich die Atmosphäre nach meinem Verständnis damit um 3-5 meter, wenn man den CO2 Anteil verdoppelt.
    Bei diesem lächerlichen Wert, wo soll da das Problem sein, dass sich die Abstrahlung in die Höhe verschiebt?

    • Ender Wiggin schreibt:

      Ihr Verständnis ist falsch. Es geht um die Höhe, ab der die CO2-Konzentration einen gewissen Wert unterschreitet. Und diese Höhe verschiebt sich deutlich mehr nach oben als 3 bis 8 Meter, wenn man den CO2-Anteil verdoppelt. Im Prinzip geht e sum den Höhenunterschied, in dem sich jeweils der Druck auf die Hälfte verringert. Was allerdings durch die verschiedenen Temperaturen in verschiedenen Höhen weiter kompliziert wird.

  6. Ajax schreibt:

    Korrektur Schreibfehler:
    ,…. erhöht sich die Atmosphäre nach meinem Verständnis damit um 3 – 8 Meter, …

    • kereng schreibt:

      Das Problem ist nicht die Dicke der Atmosphäre, sondern es geht um die Blockade der Wärmestrahlung. Die Hauptbestandteile der Atmosphäre, Stickstoff und Sauerstoff, lassen die Wärmestrahlung von der Erde in den Weltraum ungehindert passieren, CO2 hingegen fängt einen Teil davon ein und sendet ihn sie alle Richtungen, also auch zur Erde zurück, was zur Erwärmung führt.

  7. DeepBlue schreibt:

    Lieber Kereng,

    Sie scheinen ja ein profunder Kenner der Materie zu sein.

    Würden Sie sich einer öffentlichen Diskussion in den alternativen Medien mit „klima-kritischen“ Wissenschaftlern und Journalisten stellen? Wir brauchen eine freie und ergebnisoffene Diskussion zu diesem Thema!

    MfG

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