Klimawandel, Teil 5: Andere Welten, andere Zeiten

Venus

Die Venus hat eine fast hundertfach dichtere Atmosphäre als die Erde, und der CO₂-Anteil von 96% ist 2400-mal höher. Das ergibt einen Treibhauseffekt, der die Venus zum mit Abstand wärmsten Planeten des Sonnensystems macht (730 K, 460°C), obwohl der Merkur viel näher an der Sonne ist. Auf der Erde spielt nur ein relativ schmaler Absorptionsbereich des CO₂ bei Wellenlängen um 15 μm eine Rolle. Auf der Venus wirkt vor allem die continuum absorption, die auf der Erde zu vernachlässigen ist.

Die Venus ist stets in Wolken gehüllt, was zu einer Albedo von 0,75 führt (Erde: 0,3). Wegen dieser starken Reflexion müsste die Venus sogar kälter sein als die Erde. Die ohne Treibhauseffekt zu erwartende Temperatur wäre nur 231 K (-42°C). Allerdings ist das die Temperatur der Abstrahlungsschicht und nicht die Oberflächentemperatur.

Vor einigen Jahren hat in der ZEIT ein gewisser Observator behauptet, dass die hohe Oberflächentemperatur der Venus allein der adiabatischen Kompression geschuldet sei und keinesfalls dem Treibhauseffekt. Zur Begründung gab er diese Abbildung aus nature, Venus: Express dispatches, an.

In this comparison of the two atmospheres‘ vertical structures, the zero of altitude of the temperature profiles (solid lines: blue, Earth; green, Venus) is fixed where the pressure is equal to Earth’s sea-level pressure, 1 bar.

Eine große Umwälzung soll dafür sorgen, dass kühle Atmosphärenpakete aus großer Höhe absinken und dabei aufgrund des Druckes heiß werden, so wie der vordere Teil einer Fahrradpumpe. Dabei ist er aber nicht auf die Energie- und Strahlungsbilanzen eingegangen. Der Venusboden strahlt aufgrund seiner Temperatur mit über 16.000 W/m², während die eingehende Strahlung nach Abzug der Albedo nur 163 W/m² beträgt. Das geht nur, wenn die ausgehende Strahlung zurückgehalten wird, und ungefähr das ist ja der Treibhauseffekt.

Er betrachtete auch die Situation in 53 km Höhe, wo auf der Venus derselbe Druck herrscht wie auf der Erdoberfläche:

„Nach der Treibhaushypothese müssten bereits dort durch Wärmestau unerträglich hohe Temperaturen herrschen, was aber nicht der Fall ist.“

Ich lese aus der Abbildung ungefähr 60°C ab, was ich durchaus als unerträglich empfinden würde – und das unterhalb der geschlossenen Wolkendecke, also nach dem Albedo-Effekt, und weit entfernt von einer sonnenerwärmten Oberfläche. Die Verhältnisse auf der Erde, wo das Sonnenlicht größtenteils den Boden erreicht, der dann die untere Luftschicht erwärmt, und auf der Venus, wo das Sonnenlicht, sofern es nicht gleich reflektiert wird, nur die Atmosphäre erwärmt und den Boden kaum erreicht, kann man nicht einfach vergleichen.

Mars

Die Marsatmosphäre besteht zu über 95% aus CO₂ fast wie bei der Venus, aber ihr Druck beträgt mit 0,006 bar weniger als ein Hunderstel des Atmosphärendrucks auf der Erdoberfläche. Die Sonnenstrahlung beträgt dort 593 Watt pro senkrecht zur Sonnenstrahlung gedachtem Quadratmeter, also 593/4 = 148 Watt pro Quadratmeter Marsoberfläche (Erde 340, Venus 660). Nach Abzug der Albedo bleiben 148 *(1-0,22) = 116 W/m². Dazu würde ohne Treibhauseffekt eine Temperatur von 212 K passen.

Die tatsächliche durchschnittliche Oberflächentemperatur von 218 K wird bei der University of Washington als Treibhauseffekt von 6 Grad gedeutet, was bedenklich ist, weil man wegen des großen Temperaturunterschieds der Tag- und Nachtseite nicht einfach mit einer Durchschnittstemperatur rechnen darf.

Abstrahlungsprofil vom Mars aus A Spectral Tour of Planetary Atmospheres.
Die Einheit der senkrechten Achse ist W cm^-2 sr^-1/cm^-1

Das Abstrahlungsprofil zeigt deutlich den von der 15μm-Linie des CO₂ verursachten Einschnitt. Er passt von der Größenordnung her zum oben berechneten Strahlungsunterschied von 10% bzw. zum Temperaturunterschied von 6 Grad.

In den Berechnungen der durchschnittlichen Abstrahlung ausgehend von der durchschnittlichen Temperatur steckt ein grundsätzlicher Fehler, der bei der Erde nicht zum Tragen kommt, weil die Temperaturunterschiede nicht so groß sind, aber beim Mars beachtet werden sollte. Erst den Durchschnitt bilden und dann hoch vier ist eben nicht dasselbe wie erst hoch vier und dann den Durchschnitt bilden.

Mond

Ich versuche, es am Beispiel des Mondes durchzurechnen, wo aufgrund der fehlenden Atmosphäre kein Treibhauseffekt zu beobachten sein sollte. Die Einstrahlung pro Quadratmeter ist wie bei der Erde 340 W/m². Nach Abzug der Albedo=0,12 bleiben 299 W/m². Dies geteilt durch die Stefan–Boltzmann-Konstante, dann die vierte Wurzel, ergibt eine effektive Abstrahlungstemperatur von -3°C. Bei der Erde kommt wegen der höheren Albedo nur -18°C raus.

Als durchschnittliche Oberflächentemperatur des Mondes wird bei Wikipedia aber −55°C angegeben, also viel weniger als die errechneten -3°C. Wikipedia schreibt auch:

Am Tag erreicht die Temperatur eine Höhe von bis zu etwa 130°C und fällt in der Nacht bis auf etwa −160°C ab.

Wenn ich so tue, als ob die Nachthälfte des Mondes die -160°C hat und die Taghälfte überall 130°C (und den Emissionskoeffizienten als 1 annehme), ergibt sich mit diesen beiden Werten, die sich leider nicht symmetrisch um die -55 anordnen, deren Mittelwert aber klar unterhalb von -3 liegt, eine durchschnittliche Abstrahlung von

((403K)4 * 5,67*10-8W/m2K4 + (113K)4 * 5,67*10-8W/m2K4) / 2 = 752,4 W/m2

Wir kriegen also mit den im Durchschnitt geringeren Temperaturen eine höhere Abstrahlung als 299 W/m². Um sauber zu rechnen, braucht man anstatt einer oder zwei Temperaturen die Temperatur an jedem Punkt der Oberfläche, dann berechnet man daraus die Strahlung und erst dann den Durchschnitt. Noch exakter wäre es, auch noch die Tages- und Jahreszeiten entsprechend zu berücksichtigen.

Temperatur und CO₂ in der Erdgeschichte

In der Hockeyschlägergrafik von Michael Mann ist zu erkennen, wie die Temperaturen in den letzten 100 Jahren anstiegen, passend zum CO₂-Anstieg. Ihm wurden Rechenfehler vorgeworfen, aber nach der Korrektur sieht die Grafik kaum anders aus und sie wurde von vielen anderen Arbeiten bestätigt.

Verschiedene Temperaturrekonstruktionen von Klimafakten.de

Nicht weniger beeindruckend fällt die Betrachtung der letzen 8000 Jahre aus. Gemäß der folgenden Grafik wurde nicht nur das Klimaoptimum im Mittelalter und das der Römerzeit überboten sondern überhaupt jede Hitzeperiode seit der Eiszeit.

Das ganze Holozän aus Marcott et al., Science 2013, über Stefan Rahmstorfs Klimalounge

Passend dazu der CO₂-Anstieg aus Eisbohrungen:

CO2-Anteil, gefunden bei Ferdinand Engelbeen

In den Eiszeiten gab es eine Rückkopplung zwischen CO₂-Gehalt und Erwärmung:

CO2-Anteil während der Eiszeiten und heute, ausWikipedia

Bei Bildungsserver.de gibt es eine Darstellung, die mit dem Kambrium beginnt. Obwohl die Sonne schwächer schien, gab es keine Eiszeiten, wenn der CO₂-Gehalt hoch war. Für den Temperaturanstieg an der Perm-Trias-Grenze werden Methan-produzierende Bakterien verantwortlich gemacht, also mal ein anderes Treibhausgas und nicht immer nur CO₂.

Über 500 Mio. Jahre, von Bildungsserver.de. „Mill.“ sollte eigentlich „Mio.“ heißen.