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 Infrarotabsortion 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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