Wie der Klimawandel physikalisch funktioniert
In meinem letzten Blogbeitrag über den Vulkan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai hatte ich eine Fußnote über die physikalischen Hintergründe von Treibhauseffekt und Klimawandel angehängt. In der Folge hat sich dann gezeigt, dass dieser Mechanismus nicht weithin bekannt ist. Deswegen habe ich das entscheidende Prinzip dahinter noch mal etwas länger aufgeschrieben. Das ist jetzt natürlich nur eine modellhafte Beschreibung, die aber hoffentlich verdeutlicht, warum die Bezeichnung Treibhauseffekt irreführend ist, wenn es um den Klimawandel geht. Die Atmosphäre funktioniert in einigen entscheidenden Punkten eben nicht wie ein Gewächshaus.
Ein Treibhaus wärmt zu allererst, weil es die vom Boden direkt erwärmte Luft festhält. Die Erde dagegen hat kein Glasdach, sondern eine durch die Schwerkraft festgehaltene Gashülle, in der die am Boden erwärmte Luft permanent aufsteigt und Energie abtransportiert. Zusätzliche Treibhausgase erhöhen die Temperatur unserer Erde auch nicht deswegen, weil sie die Atmosphäre noch undurchsichtiger für Infrarotstrahlung machen. Tatsächlich halten die unteren paar Kilometer der Lufthülle die Infrarotstrahlung vom Boden bereits weitgehend zurück.[1]
Dass sich die Atmosphäre durch Treibhausgase erwärmt, kommt durch die Kombination dreier Effekte zustande. Erstens muss die Erde immer so viel Energie abstrahlen, wie sie von der Sonne erhält, zweitens verhindern die Treibhausgase, dass die Infrarotenergie vom Erdboden direkt ins All gestrahlt wird, und drittens nehmen Druck und Temperatur in der Atmosphäre mit der Höhe ab.
Die Energiebilanz der Erde
Wenn man sich die Erde oder irgendeinen anderen Planeten aus dem Weltall anguckt, dann bekommt er Energie als Sonnenlicht. Dadurch erwärmt sich seine Oberfläche. Damit sie nicht irgendwann schmilzt, muss der Planet die erhaltene Energie wieder abstrahlen. Die Energie, die ein Körper abstrahlt – die Schwarzkörperstrahlung -, hängt direkt von der Temperatur ab. Ist die Erde zu kalt, um die nötige Energiemenge zu liefern, wird die Erdoberfläche wärmer und strahlt mehr Infrarotenergie ab, bis es wieder passt. Und umgekehrt.
Interessant wird es allerdings, wenn die Atmosphäre Gasmoleküle mit mehr als zwei Atomen enthält.[2] Deren Molekülschwingungen nämlich liegen genau im Energiebereich von Infrarotstrahlung – und deswegen können sie die Wärmestrahlung absorbieren und wieder abgeben. Wir kennen diese Gase als Treibhausgase.
Es passiert also folgendes: die Erde kriegt Sonnenstrahlung ab, die ziemlich ungestört durch die ganze Atmosphäre durchgeht. Die Oberfläche erwärmt sich dadurch und sendet längerwelliges Infrarotlicht aus. Doch nun entkommt diese Strahlung nicht mehr ins All, sondern wird von den Treibhausgasen absorbiert. In unserer Atmosphäre passiert das so effektiv, dass die Wärmestrahlung vom Erdboden in den unteren Schichten der Atmosphäre nahezu komplett abgefangen wird. [3]
Der entscheidende Punkt ist allerdings die Konsequenz daraus. Denn wenn die Treibhausgase die Infrarotstrahlung abfangen, dann kann sie natürlich nicht ins All entweichen, und die Energiebilanz der Erde ausgleichen. Die permanent von der Sonne eingestrahlte Energie muss aber trotzdem wieder zurück in den Weltraum gehen, sonst wird es ziemlich fix unangenehm warm. Das heißt, die Infrarotstrahlung, die aus dem All gesehen von der Erde ausgeht, muss aus der Atmosphäre kommen – woher auch sonst?
Die Struktur der Atmosphäre
Die Atmosphäre hat also zwangsläufig von außen gesehen eine bestimmte Temperatur, um die nötige Energie abzustrahlen. Man kann das sehr einfach ausrechnen, und kommt auf etwa 255 Kelvin, also -18 Grad Celsius. Das ist ein ganzes Stück kälter als der tatsächliche Wert hier an der Erdoberfläche. Wo kommt die restliche Wärme her?
Der Trick basiert darauf, dass Luft kompressibel ist, man kann sie zusammendrücken. Die Atmosphäre wird durch ihre eigene Schwerkraft immer dichter, je tiefer man geht. Durch die damit einhergehende Konvektion ist sie in der Höhe automatisch kälter als am Boden: an der Erdoberfläche erwärmte Luft bekommt Auftrieb und steigt auf. Durch den geringeren Druck dehnt sie sich aus – das heißt, sie verrichtet Arbeit, die Energie kostet. Die kommt aus der inneren Energie der Luft, sie wird also um so kälter, je höher sie steigt. Diese Abkühlung mit der Höhe bezeichnet man als adiabatischen Temperaturgradienten, und sie ist im Mittel konstant.[4]
Der niedrigere Druck und die niedrigere Temperatur in der Höhe sind entscheidend für den Treibhauseffekt. Man kann sich die Atmosphäre in dünne Schichten aufgeteilt denken, in denen jeweils die Treibhausgase Infrarotstrahlung absorbieren und wieder abstrahlen. Die unterste Schicht enthält so viel Treibhausgas, dass die Infrarotstrahlung komplett absorbiert und wieder abgestrahlt wird.[5] In der nächsthöheren Schicht passiert das gleiche und so weiter. Allerdings wird die Luft nach oben dünner und enthält deswegen weniger Gasmoleküle pro Volumen – und damit auch weniger Treibhausgase.
Der Klimawandel
Außerdem absorbieren Treibhausgase um so weniger Strahlung, je dünner die Luft ist.[6] Irgendwann jedenfalls wird die Luft so dünn, dass zu wenig Treibhausgas da ist, um die Infrarotstrahlung komplett zu absorbieren, und die Strahlung entkommt in den Weltraum. Und wir wissen, welche Temperatur die Luft in dieser Höhe hat: genau die 255 Kelvin, die nötig sind, um die von der Sonne eingestrahlte Energie wieder abzustrahlen. Damit ist auch klar, dass die mittlere Temperatur auf Meereshöhe noch mal ein gutes Stück höher sein muss. Das passiert automatisch durch den adiabatischen Temperaturgradienten, durch den es nach unten immer wärmer wird. Tatsächlich ist diese so genannte “lapse rate” der Kern des Treibhauseffekts.
Wenn man nun also immer mehr Treibhausgase in die Atmosphäre pumpt, passiert folgendes: die erste Luftschicht, die dünn genug ist, das Infrarotlicht in den Weltraum durchzulassen, wird plötzlich durch die zusätzlichen Treibhausgase undurchsichtig. Dadurch lässt erst die nächsthöhere Schicht das Licht durch, und der Teil der Atmosphäre, der Energie in den Weltraum strahlt, liegt ein bisschen höher.
Und durch den adiabatischen Temperaturgradienten ist sie natürlich auch ein bisschen kälter. Damit ist sie nicht mehr warm genug, um die fürs thermische Gleichgewicht nötige Energie abzustrahlen. Die Erde erhält mehr Energie als sie abstrahlt, und die strahlende Schicht wird so lange wärmer, bis die Energiebilanz wieder stimmt. Da die Temperatur mit konstanter Rate abnimmt, je höher man geht, müssen alle anderen Schichten darunter auch wärmer werden – bis hinunter zum Erdboden.
Der Klimawandel passiert also eben nicht einfach nur, weil die Treibhausgase “mehr Wärme” absorbieren. Der entscheidende Faktor sind die Temperatur- und Druckgradienten mit der Höhe in der Atmosphäre. Der Begriff Treibhauseffekt ist also mechanistisch gesehen eher irreführend, wenn es darum geht, den Klimawandel zu verstehen. Ein Gewächshaus hat kein Analogie für das, was bei einer Zunahme der Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre passiert.
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[1] In einigen Bereichen des Infrarotspektrums ist die Atmosphäre durchsichtiger als in anderen, so dass einige Wellenlängen auch in der unteren Atmosphäre recht weit kommen. Das ist für das Prinzip aber nicht so relevant.
[2] Das stimmt streng genommen nicht ganz. Für die Infrarotabsorption braucht ein Molekül ein Dipolmoment, und es gibt entsprechend auch zweiatomige Moleküle wie CO, die im IR absorbieren. Die klassischen atmosphärischen Treibhausgase haben aber alle mehr Atome.
[3] Die untere Atmosphäre strahlt natürlich auch im Infraroten und gibt so die aufgenommene Energie nach oben weiter. Dieser Prozess ist aber so ineffizient, dass der meiste Wärmetransport nach oben durch Konvektion – also aufsteigende warme Luft – passiert. Ohne Konvektion würden die Treibhausgase die Oberfläche viel stärker aufheizen.
[4] Tatsächlich gibt es nicht “den” adiabatischen Temperaturgradienten, sondern den trockenadiabatischen Temperaturgradienten und den feuchtadiabatischen Temperaturgradienten. Und damit ist auch die maximale Häufigkeit des Begriffs “adiabatisch” in einem meiner Artikel erreicht.
[5] Die Strahlungsbilanz in der unteren Atmosphäre ist zwar für den Treibhauseffekt wenig relevant, aber um so mehr für die Oberflächentemperatur. Wenn es wärmer wird, ist in der unteren Atmosphäre mehr Wasserdampf, was diese Schichten zu effektiveren Strahlern macht. Dadurch wird die Erdoberfläche zusätzlich geheizt – ein beträchtlicher Teil der steigenden Temperaturen auf Meereshöhe geht nicht auf CO2, sondern auf die zusätzliche Strahlung bodennnahen Wasserdampfes zurück.
[6] Es funktioniert folgendermaßen: ein Molekül absorbiert nicht einfach “Infrarotlicht”. Die Absorption beschränkt sich auf einzelne, ganz scharf abgegrenzte Wellenlängen, die Quantenübergängen im Molekül entsprechen. Jeder Quantenübergang benötigt eine ganz bestimmte Energie, die einer ganz bestimmten Wellenlänge entspricht, und das Molekül nimmt nur Photonen auf, die genau diese Wellenlänge haben. Passt die Wellenlänge nicht, wird das Licht auch nicht absorbiert. Absorptionslinien sind also – im Rahmen der Unschärferelation – messerscharf. Allerdings stoßen die Gasmoleküle in der unteren Atmosphäre dauernd zusammen. Dadurch übertragen sie untereinander Energie, die bei den Quantenübergängen hinzukommen oder weggehen kann. Durch dieses als Druckverbreiterung bezeichnete Phänomen werden die eigentlich scharf begrenzten Spektrallinien breiter und decken ab nem gewissen Druck große Teile des Infrarotbereichs ab. Nimmt der Druck ab, werden die Absorptionsbanden schmaler. Irgendwann wird das Absorptionsspektrum so “löchrig”, dass die meiste Energie durchkommt. Das ist auch einer der Gründe, weshalb Wasserdampf zwar das wirkungsvollste Treibhausgas ist, aber am grundsätzlichen Mechanismus des Kohlendioxid-getriebenen Klimawandels nichts ändert.
Ein interessanter Artikel! Forscher haben jetzt sogar herausgefunden, dass Weltraummüll wegen des Klimawandels länger im Orbit bleibt. „Erdbeobachtungssatelliten der NASA haben den verantwortlichen Effekt bereits gemessen. Die Dichte der oberen Atmosphäre sinkt demnach, weil diese durch Treibhausgase abkühlt. In der Atmosphäre haben Treibhausgase also gegenteilige Auswirkungen als auf der Erde.“
Folglich gefährdet der Klimawandel Satelliten im Erdorbit stärker als ursprünglich befürchtet.
Laut einer Studie „werde die obere Atmosphäre in den kommenden 50 Jahren doppelt so schnell an Wärme und Dichte verlieren wie in den vergangenen 50 Jahren. Für die Berechnungen nutzten die Forscher:innen um Ingrid Cnossen vom britischen Natural Environment Research Council Computermodelle, die sie mit Klima-, Emissions- und Atmosphärendaten speisten.“
Naja aber grundlegend ist es doch trotzdem der Treibhauseffekt. Sei jetzt mal dahingestellt was im Treibhaus der treibende Effekt für die Erwärmung sei. Vielleicht sollte man ihn Wien’schen Effekt nennen :-). Den adiabatischen Temperaturgradienten nun als Teilfalsifizierung des Treibhauseffektes zu nennen, halt ich nicht für korrekt. Zugegeben: Es ist eine stark vereinfachte Darstellung dessen was passiert. Aber du vermischst selbst Temperatur und Wärme was am Ende auch nur populärwissenschaftlich und vielleicht sogar verwirrend ist. Und da der Temperaturgradient ja etwas kontinuierliches ist kann man im Mittel eben doch davon sprechen, dasss die Atmosphäre undurchlässig für IR-Strahlung wird. Da fand ich die Darstellung mit den Molekülen schon interessanter! Ansonsten: Guter Beitrag!
Spitzen-Analyse!
Super!
Lars Fischer schrieb (02. Jul 2023):
> […] Infrarotstrahlung, die […] von der Erde ausgeht [… und] in den Weltraum strahlt […], muss aus der Atmosphäre kommen
> […] eine bestimmte Temperatur, um die nötige Energie abzustrahlen [so dass] die Energiebilanz der Erde ausgeglichen [wäre]. Man kann das [diese Temperatur] sehr einfach ausrechnen, und kommt auf etwa 255 Kelvin, also -18 Grad Celsius [ https://atmos.washington.edu/academics/classes/2001Q4/211/notes_greenhouse.html ]. Das ist ein ganzes Stück kälter als der tatsächliche Wert hier an der Erdoberfläche.
Die verlinkte einfache Rechnung beinhaltet offenbar u.a. die Vereinfachung, den (mittleren) »Energy Flux«, mit dem die Erdoberfläche (einschl. optisch relevanter Bestandteile der Atmosphäre, insbesondere Wolken) von der Sonne bestrahlt wird, genau gleich dem »Energy Flux« zu setzen, der von einem Schwarzkörperstrahler bestimmter Temperatur (im Wesentlichen als Infrarotstrahlung) abgestrahlt würde. Eine (rechnerisch äquivalente, gemittelten) Atmosphärenschicht, deren Temperatur ein ganzes Stück kälter ist, als die mittlere Temperatur der Erdoberfläche, liegt allerdings in einigen Kilometern Höhe über der (mitteleren) Erdoberfläche, und hat daher eine (etwas) größere Fläche, als die Erdoberfläche. Die betreffende (rechnerisch äquivalente, gemittelten) Atmosphärenschicht sollte deshalb mit entsprechend (etwas) geringerem »Energy Flux« abstrahlen, um die Energiebilanz auszugleichen.
(Der Temperaturwert, der ohne diese Vereinfachung erhalten würde, mag jedoch trotzdem rund 255 Kelvin sein.)
p.s.
Im verlinkten Dokument liest man (offenbar mindestens seit dem dort angegebenen »Last Update[…]: 10/10/2001«):
Dagegen erhalte ich als Ergebnis der beschriebenen Division den Quotientenwert von
rund
42.3 x 10^{8} K^4.p.p.s.
https://scilogs.spektrum.de/uhura-uraniae/astro-meets-archaeo/?unapproved=23858&moderation-hash=a3506b12d04ae344a5c9b01ddb7c4b4f#comment-23858
29.06.2023, 17:50 Uhr
Susanne M. Hoffmann schrieb (25. Jun 2023):
> […] Archäoastronomie […] wir nehmen einen Datensatz und werten ihn aus […]
Demnach ist die Archäoastronomie als eine sogenannte empirische Wissenschaft einzuordnen.
Und sicherlich sind mit dem “Nehmen eines Datensatzes” und “dessen Auswertung” bestimmte nachvolliehbare Festsetzungen verbunden (bzw. dafür vorausgesetzt), die sich damit befassen, was im betreffenden Zusammenhang ggf. als “ein Datensatz” in Frage käme, und wie ein solcher jeweils auszuwerten wäre. Erforderlich und vorausgesetzt ist ein begriffliches System, das insbesondere erlaubt derartige Festsetzungen zu formulieren und mitzuteilen und womöglich logische Konsequenzen herzuleiten, die sich allein schon aus diesen bloßen Festsetzungen ergeben — also eine (bzw. die) Theorie der Archäoastronomie.
(Ergänzend und weitergehend ließen sich mit den selben Begriffen dann auch alle schon erhaltenen Ergebnisse solcher Auswertungen zusammenfassen, bzw. verschiedenste Erwartungen darüber ausdrücken, welche weiteren Ergebnisse womöglich noch durch Auswertung weiterer Datensätze zukünftig ermittelt werden würden — also verschiedene Modelle der Archäoastronomie.)
> […] nicht nach dem von Karl Popper vorgeschlagenen Prinzip des Hypothesentests,
Das von Sir Karl Popper vorgeschlagene (“Wissenschafts”-)Prinzip besteht nach seiner eigenen Aussage aber offenbar gar nicht im Testen von Hypothesen bzw. von Modell-Erwartungen,
sondern (MBMN absurder Weise) im “Testen von Theorien”, also insbesondere dem (vermeintlichen) “Testen” genau derjenigen Festsetzungen, die von vornherein gemacht und für jegliche Auswertung und Ermittlung von Ergebniswerten befolgt werden mussten.
> […] Wir stellen nicht eine These in den Raum und untersuchen, was dafür und dagegen spricht – nein, wir nehmen einen Datensatz und werten ihn aus: die These (die keine Hypothese mehr ist) ist das Ergebnis der Untersuchung […]
Man kann gewiss Daten sammeln und auswerten, ohne sich vorher auf bestimmte Erwartungen hinsichtlich dadurch zu ermittelnder Ergebniswerte einzulassen.
Die Zusammenfassung von Ergebniswerten (womöglich ergänzt von der Erwartung, “dass nichts Überraschendes darüberhinaus” mehr gefunden würde) wird allerdings eher “Standard-Modell” (der jeweiligen Wissenschaft) genannt, anstatt “These”.
Das stimmt, die höhere Atmosphärenschicht hat auch eine etwas größere Abstrahlfläche. Allerdings beträgt ihre Höhe über der Oberfläche weniger als ein Promille des Erdradius, deswegen macht das keinen großen Unterschied.
Danke erstmal für den Versuch, das ganze besser zu erklären, als das bisher sonst üblich.
Dennoch verstehe ich das nicht alles. Jedoch verstehe ich diese Ihre Aussage nicht:
Lars Fischer
03.07.2023, 11:24 Uhr
Das stimmt, die höhere Atmosphärenschicht hat auch eine etwas größere Abstrahlfläche. Allerdings beträgt ihre Höhe über der Oberfläche weniger als ein Promille des Erdradius, deswegen macht das keinen großen Unterschied.
Beispielsweise ist die Oberfläche der Atmosphäre in 10 km Höhe rund 682.751.536 km², die Oberfläche der Erde selbst rund 510.064.471 km². Das sind doch nicht nur Promille oder wie ist das gemeint?
MfG. Harald.
Moin Harald, erstens: eine Höhe ist eine Höhe, keine Fläche. Die strahlende Schicht ist in 5,5 Kilometern Höhe etwa, also weniger als ein Tausendstel des Erdradius.
Ich komm bei der Fläche auch auf andere Zahlen. Die Kugeloberfläche ist 4πr^2. Der mittlere Erdradius ist 6371 km, das plus 6 km sind 6377 km.
4π ist konstant, deswegen berechnet sich das Verhältnis der Flächen als 6377^2 / 6371^2 = 40.666.129 / 40.589.641 ≈ 1,002
Also knapp zwei Promille Flächenunterschied, sofern ich mich nicht auch verrechnet hab.
Danke für die schnelle Antwort. Da hatte ich beim Rechnen einen Denkfehler, korrekt. Nun weiß ich aber zumindest über welche Atmosphärenschicht hier gesprochen wird. Das macht es mir verständlicher.
Danke für diese Darstellung. So habe ich das bisher noch nirgendwo gelesen, auch nicht beim IPCC. Wenn der IPCC einen Bericht mit diesen grundlegenden Aussagen zusammen mit den notwendigen oder sinnvollen Daten und Berechnungen hätte, in dem dann auch die Wirkung der einzelnen Treibhausgase physikalisch komplett beschrieben wäre sowie der “Effekt” der Wasserdampf-Verstärkung, auf dem doch nach meinem Verständnis letztlich der wesentlich höhere Temperaturanstieg als allein durchs CO2 basiert, wäre sehr hilfreich. Aber vielleicht habe ich dies auch nur in den umfangreichen WG1-Reports nicht gefunden.
Nun meine Frage: nach Ihrer Beschreibung des Treibhauseffekts müsste, wenn ich es richtig verstanden habe, die extrem hohe Temperatur auf der Venus auch oder vor allem infolge der extrem hohen Dichte der Atmosphäre hervorgerufen werden und nicht durch den sonst immer wieder dafür verantwortlich gemachten “Rückstrahleffekt” der CO2-Atmosphäre. Stimmt das?
Das habe ich mich beim Schreiben auch kurz gefragt. Anscheinend ist der Mechanismus im Kern der gleiche wie auf der Erde. Die Dichte macht AFAIK nur insofern nen Unterschied, dass man mehr Gas pro Volumen hat und die abstrahlende Schicht dadurch noch weiter nach oben rutscht. Den Punkt mit dem Rückstrahleffekt hab ich im Artikel nur kurz angerissen, aber das ist natürlich der Heizmechanismus der Oberfläche: Die Treibhausgase in der Atmosphäre strahlen im Infraroten nach unten.
Hier würde Dr. Webbaer gerne ein wenig zum terrestrischen Klimasystem ergänzen, fragt abär zuvor an, ob dies gewünscht ist und zumindest potentiell, sofern diese Ergänzung den Ansprüchen genügt, zur Veröffentlichung gelangen könnte.
Er will sich keine Mühe machen, wenn sein diesbezüglicher Kommentar sozusagen automatisch in den “Orcus” gelangen würde.
Mit freundlichen Grüßen
Dr. Webbaer
Automatisch ist hier gar nichts. Aber ehrlich gesagt seh ich schon kommen, dass Ihre “Ergänzungen” mal wieder mit meinem Beitrag nicht allzu viel zu tun haben werden und Sie im Grunde nur meine Reichweite für Ihre Erörterungen abgreifen möchten.
Gibt es eigentlich schon neueste Erkenntnisse über die Klimasensivität von CO2 ? Meines Wissens sind die Annahmen über die Klimasensivität etwas zu hoch angenommen, da so weit ich es immer wieder lese, der gesamte Temperaturanstieg seit 1850 komplett dem CO2 zugerechnet wird, obwohl damals die kleine Zwischeneiszeit noch nicht ganz zu Ende war. ist das soweit richtig? Vor dieser Frage stehe ich schon eine ganze Weile und würde sie gerne mal ideologiefrei beantwortet haben.
Solche Kalkulationen basieren ja nicht nur darauf, dass man einfach Differenzen von Temperatur und CO2 zu bestimmten Zeitpunkten vergleicht. Das macht man zum Beispiel auch mit Computermodellen, die den mechanistischen Zusammenhang zwischen den Komponenten des Klimasystems beschreiben und daraus dessen Verhalten unter bestimmten Bedingungen (z.B. CO2-Verdoppelung) hochrechnen. Dabei spielt die historische Baseline außer vielleicht beim Aufsetzen der Modelle keine so große Rolle, ich bin nicht mal sicher, ob man bei der Validierung der Modelle durch Hindcasting überhaupt so weit zurückgeht. Dann gibt es außerdem paläoklimatische Berechnungen anhand von Proxy-Daten, bei denen das natürlich keine Rolle spielt.
Abgesehen davon ist das alles ohnehin ein ganzes Stück komplizierter. Das eigentliche Problem dabei, die mittlere Oberflächentemperatur mit dem CO2 zu verknüpfen, sind Wechselwirkungen mit anderen Forcings und den gigantischen Wärmesenken Ozean und Kryosphäre. Deswegen ist die angegebene Spanne (2,5 bis 4 derzeit, AFAIK) auch so enorm groß. Und das ist ja erst der Anfang des Ärgers. Die Klimasensitivität hängt mit hoher Wahrscheinlichkeit von der Zeitskala ab und vermutlich ist sie auch unter dem Einfluss von starken Forcings (also jetzt) anders als in einem sich allmählich ändernden Klima. Insofern sind die Unsicherheiten durch solche Faktoren viel wichtiger.
Es deutet entgegen ihrer Aussage sogar einiges darauf hin , dass eine steigende CO2-Konzentration eine nicht-linear ansteigende Klimasensitivität bedingt. Die Wärmemenge also noch mehr zunimmt, als bisher angenommen:
https://pure.mpg.de/rest/items/item_3306808_4/component/file_3306991/content
Wie Lars Fischer schon schreibt hängt dies von vieles Faktoren ab. Das verlinkte Paper gibt ihnen einen ersten Einblick.
Hier ist ein Überblicksartikel über Klimasensitivität auf Carbonbrief von 2018, der zahlreiche Studien mit verschiedenen Methoden zusammenfasst, darunter auch die Abschätzungen mittels Klimamodellen und paläoklimatischen Untersuchungen.
http://www.carbonbrief.org/explainer-how-scientists-estimate-climate-sensitivity/
Die so gemeinte Sensitivität meint eine Erwärmung von ca. + 1,2 K, wenn sich der terrestrische CO2-Gehalt verdoppelt, also einen Dreisatz, sozusagen mit den Mitteln der Bauphysik festgestellt. [1]
So ist aber dem Problem nicht nahe zu kommen.
Linear, wenn ein nicht-lineares System betrachtet und theoretisiert wird.
Insofern wird auch mit negativen und positiven Feedbacks in puncto CO2 hantiert, wobei die negativen Feedbacks “CO2-Senken” genannt werden.
Wer hier, wie bspw. Lennart Bengtsson mit werten für die hier gemeinte sog. Klimasensitivität von ca. + 1K hantiert, kann mit expliziter Gegenrede, die auch ins Persönliche gehen kann, mit politischer Gegenrede also, rechnen, die einige nicht gut finden.
Mit freundlichen Grüßen
Dr. Webbaer
[1]
Dies ist so, auch zu Lennart Bengtssons Arbeiten ist im Web verfügbar, somit allgemein nachlesbar.
Ich werde später mal dazu etwas schreiben, vielleicht am WE, vielen Dank, dass Sie nicht so sozusagen automatisiert ablehnen.
Hoffentlich ist Dr. W bei der “Affenpocken-Geschichte”, Dr. W stellt sich hier auch einen homosexuellen Mann mit Maske bei homosexueller Übung vor, dennoch bei Ihnen willkommen, auch wenn er dort den Ablativ bemüht hat.
Allgemeine Gefährlichkeit ablehndend meinend – und seinerzeit.
Mit freundlichen Grüßen
Dr. Webbaer (der sich gerne also auch später melden würde, gegen Ende der Kalenderwoche 27 – oder noch später)
PS und freundlich einspielend :
-> https://www.youtube.com/watch?v=6CzrYXcXweI (“official video”)
Bei [2] würde ich gerne eine vielleicht etwas kleinliche Korrektur anbringen: ein Molekül muss im Grundzustand kein Dipolmoment aufweisen, um IR-Strahlung zu absorbieren, es genügt, wenn sich ein Dipolmoment induzieren lässt. Prominentestes Beispiel ist ausgerechnet das CO2, das lediglich in einem angeregten Schwingungszustand ein Dipolmoment aufweist, im Grundzustand nicht.
Noch ein Wort zur Wasserdampf-Verstärkung: der beruht auch auf der CO2-Emission. Es wird immer wieder versucht, Wasserdampf als den eigentlichen Temperaturtreiber darzustellen, aber das ist eben Quatsch. Die Wasserdampf-Konzentration in der Atmosphäre hängt von der Temperatur derselben ab, nicht von den Wasserdampf-Emissionen auf der Erdoberfläche. Der Mechanismus geht so: mehr CO2 ergibt höhere Temperatur, dadurch erhöht sich die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre, was dann wieder zur Temperaturerhöhung führt. Will man etwas gegen die Temperaturzunahme tun, muss man ans CO2 ran, an nichts anderes.
Wichtiger als ≥3 Atome im Molekül ist nicht-elementar: das OH-Radikal ist ein fantastisches Modell für Molekülphysik.
Ich durfte davon mal ein Spektrum aufnehmen und auswerten.
Das hat mir irgendwie richtig Vergnügen bereitet 🙂
Und ja, entweder permanentes Dipolmoment (Wasser, OH, CO etc.) oder induziertes (CO2, CH4, SF6 etc.) ist erforderlich.
In Frankfurt beim Comes studiert?
1.)
Einerseits:
[5] Die Strahlungsbilanz in der unteren Atmosphäre ist zwar für den Treibhauseffekt wenig relevant, aber um so mehr für die Oberflächentemperatur. Wenn es wärmer wird, ist in der unteren Atmosphäre mehr Wasserdampf, was diese Schichten zu effektiveren Strahlern macht. Dadurch wird die Erdoberfläche zusätzlich geheizt – ein beträchtlicher Teil der steigenden Temperaturen auf Meereshöhe geht nicht auf CO2, sondern auf die zusätzliche Strahlung bodennnahen Wasserdampfes zurück.
(Zitatende Anmerkung von Lars Fischer)
Andererseits:
Der Mechanismus geht so: mehr CO2 ergibt höhere Temperatur, dadurch erhöht sich die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre, was dann wieder zur Temperaturerhöhung führt. Will man etwas gegen die Temperaturzunahme tun, muss man ans CO2 ran, an nichts anderes.
(Zitatende a.fuscus am 03.07.2023, 16:09 Uhr )
Frage:
Ja was jetzt?
2.)
Zum Thema CO2-Sensivität und auch zur Venus- Problematik siehe auch das Folgende:
Edit LF: Och nö, bitte keine Links zu Klima”skeptikern” und ihren “Wahrheiten”…
Bei den beiden Punkten geht es um Prozesse in unterschiedlichen Höhen. Die Temperatur, die man am Boden wahrnimmt, hängt auch davon ab, wie viel Infrarotstrahlung von oben aus der unteren Atmosphäre kommt, und dass hängt von der Effektivität der atmosphärischen Rückstrahlung ab. Die Wasserdampf-Rückkopplung beim Klimawandel passiert dagegen dort, wo die Strahlung ins All zu entschwinden beginnt. Mehr Wasserdampf absorbiert Teile der Strahlung, so dass die Atmosphäre dort optisch dichter wird und entsprechend die Abstrahlungshöhe steigt.
Besser in eigenen Worten. Die Leute verstehen nicht, das selbst die “gegnerische” Argumentation für ein besseres Verständnis hilfreich ist und…reagieren sowieso immer eigensinnig. Kein FC-Bayern-Fan würde Beispiele aus anderen Clubs anführen. Oder sagen wir…. das wäre so, wenn der FC nicht sowieso immer Meister werden würde. Im Erfolg wird man nämlich generös.
Was irgendwie bedeuten würde, das die Klimaerwärmungs-Lobby” sich in der Defensive wähnt, oder? Und das, obwohl sie ja seit vielen Jahren ständig und extrem offensiv bei der Sache ist.
Tatsächlich ist es viel einfacher: ich hab einfach keine Lust auf Quatsch in den Kommentaren.
@Hauptartikel
Kann das auch sein, dass die Treibhausgase dazu führen, dass die Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre etwas nach oben verschoben wird?
Und dann zusammen mit den niedrigeren Temperaturen dort oben das Entstehen von Schauern und Gewitter fördern, während gleichzeitig länger andauernder Landregen seltener wird.
Die verregneten Sommer im Ruhrgebiet der 1970er waren doch recht anders, als was ich hier die letzten Jahre erlebt habe. Tagelanger Dauerregen, wie damals häufig, gibt es anscheinend kaum noch. Was jetzt aber auch an weniger Luftverschmutzung liegen kann.
Tatsächlich scheint sich die Tropopause nach oben zu verschieben. Aber das entnehme ich nur dieser Quelle, dazu kann ich selbst nichts sagen.
https://www.eumetsat.int/tropospheric-warming-and-stratospheric-cooling-21st-century
Die Troposphäre erwärmt sich und dehnt sich aus – passiert überall, wo dies geschieht, nur ist es dynamisch zu sehen, und die Troposphäre ändert ständig ihre Höhe, gemäß der Temperatur der darunter liegenden Luftsäule. Und solche Höhenveränderungen durch z.B. verschwindendes Meereis, marine und terrestrische Hitzewellen führen dann entlang der Breitengrade zu Höhenunterschieden der Troposphäre – wie Wellen in der Decke – die dann Zirkulationsmuster und Systeme stören können. D.h. das die Höhe der Troposphäre sehr wichtig ist – z.B. wird der Jetstrom durch solche Höhenunterschiede gestört, der dann wie über eine Rampe in die Stratosphäre abrauschen kann was zu einem plötzlichen stratosphärischen Erwärmungsereignis führt, was dann dazu führen kann, dass der Kaltluftwirbel über der Arktis in der Stratosphäre kollabiert, die Luft aus der Stratosphäre zu Boden “kracht” und über weite Gebiete der mittleren Breiten kalte Luft ausbricht und zu extremen Schneestürmen führt. Nur um mal so um Ketten aufzuzeigen, die auch “paradox” sein können, da es regional auch mal kälter werden kann oder mehr Schnee geben kann – aber dann spielen immer Zirkulationsveränderungen eine Rolle. Und die Höhe (Decke) der Troposphäre ist eine wichtige Variable im Erdsystem mit vielen Folgen für die planetare Zirkulation, wenn sie sich verändert über einer Region, die sich extrem erwärmt.
Die Tropopause verschiebt sich nach oben, weil der Flugverkehr in die wichtige Höhe ab 10km das CO² transportiert. Man sollte auch die Raketenstarts reduzieren.
Der terrestrische Klimahaushalt funktioniert in etwa so, der Schreiber dieser Zeilen hat sich als fachfremde Person in etwa wie folgt informieren können, fast ausschließlich sozusagen klimatreuer Klimatologie, die mit dem CO2-zentrierten Erwärmungstrend (auch die sog. Klimasensitivität meinend und den Kohlenstoffzyklus) ist gemeint :
1.)
Klimarelevante Ausgasung gibt es .
2.)
Der Mensch löst durch seine Aktivität nicht nur CO2, sondern auch andere klimasensitive Ausgasung.
Auf dem bekannten Erdtrabanten, dem Mond, ist es ca. 50 K kühler, bei annähernd gleichem Abstand zum Erdstern.
Weitere menschliche Aktivität auf diesem Planeten wird absehbarerweise erwärmend wirken.
3,)
Derart, so festgestellt : ‘Bei ausschließlicher Betrachtung der im Labor messbaren Strahlungswirkung von CO2 ergibt sich bei einer Verdoppelung der Konzentration eine Klimasensitivität von 1,2 °C.’
… funktioniert das terrestrische Klimasystem nicht, es ist nicht in “Dreisätzen” zu fassen.
4.)
Es gibt eine Vielzahl von sog. Forcings (hier gerne mal selbst nachschauen, wie sog. Forcings theoretisiert sind).
Ein nicht lineares System, ein sozusagen chaotisches System kann so nicht bearbeitet werden.
Auch sind indofern keine bspw. “2-Grad-Ziele” anzustreben, sondern eben die Vermeidung von klimarelevanter Ausgasung oder Lösung, wie sich, gerade auch unilateral (ein wichtiges Leistungsmerkmal) im Bereich des sog. Geoengineerings ergeben könnte, in nicht vielen Dekaden.
5.)
Die grundlegenden Datenlagen die terrestrischen Oberflächentemperaturen meinend sind beispielhaft hier verfügbar :
-> https://data.giss.nasa.gov/gistemp/tabledata_v4/GLB.Ts+dSST.txt (sie werden vom “GISS” (hier gerne mal nach Jim Hansen und so nachschauen) stetig aktualisiert)
6.)
Ein hoch komplexes, sozusagen chatotisches terrestrisches Klimasystem liegt vor, dem nur schwerlich in die Zukunft geschaut werden kann.
7.)
Es gibt aktivistische, politische Bedeutung bei diesem per se unsicheren Vorhaben (siehe (8) ), die Prädiktion der Zukunft meinend.
8.)
Dr. W stieß es mehrfach ganz übel auf, wenn Klimatologen, dann “Klimatologen”, mit umrahmenden doppelten Anführungszeichen, klimatologische Arbeit wegstießen, auch so populärwissenschaftlich erniedrigten.
Einen Namen wird Dr. W an dieser Stelle ebenfalls nennen : Axel Rahmstorf.
So geht es nicht ! [1]
Mit freundlichen Grüßen
Dr. Webbaer (der sich hier ga-anz kurz gefasst hat, abär idT mehr als 1.000 Stunden persönliche Lebenszeit investiert hat, um hier schlauer werden zu wollen)
[1]
Vergleiche bei Herrn Rahmstorf auch so :
-> https://www.pik-potsdam.de/~stefan/mare-interview.html (K-Probe : ‘Aus meiner Sicht gibt es in der Naturwissenschaft “die Wahrheit” nicht, es gibt nur mehr oder wenig gut abgesicherte und mehr oder weniger präzise Erkenntnisse.’ – ganz genau, nur warum hält sich Herr Rahmstorf nicht an eigene Erkenntnismenge, wenn er bspw. einem sog. Influencer mit dem Namen “Reso” (“Rezo”?) und seinen nur dull zu nennenden klimatologischen Aussagen streng beispringt?) *
*
Ein Fall für sich, wenn gewünscht wird der Schreiber dieser Zeilen auf den Fall “Rahmstorf-Rezo” und seine Verirrungen gerne einen Gastbeitrag verfassen.
Dies ist auch als Nicht-Klimatologe möglich.
—
Ansonsten ist auch von der Erfassung der Lage die Maßnahme zu trennen, ein bundesdeutsches einzelnes Sparen an wie gemeinter Ausgasung könnte und wird vermutlich auch die Belastung der terrestrischen Atmosphäre mit klimarelanter Ausgasung, die nicht “Treibhausgase” meinen sollen, lol, erhöhren, wenn Produktion in der Folge in Länder ausgelagert wird, die keine wie gemeinten auch bundesdeutschen Auflagen kennen.
Ja, Dr. W hat dieses Argument von Herrn “Prof. em. Dr. Dr. h.c. mult. Hans-Werner Sinn” (Dr. W würde sich so nie nennen lassen, LOL, ein kleines lol an dieser Stelle) geklaut.
Es trifft abär zu.
“Axel Rahmstorf”? Mhm. Ich lass das mal durch – auch um zu demonstrieren, warum ich Ihre Einlassungen gemeinhin, sagenwirmal, wenig erhellend finde.
Mir ist nicht ganz klar über welche Schichten der Atmosphäre wir hier reden. Mit dem adiabatischen Temperaturgradienten bleiben wir in der Troposphäre, deutlich unter der Tropopause. Hier lässt sich grob aus dem Temperaturgradienten auf die Temperatur in der Nähe des Erdbodens schließen, darüber ist eigentlich der Bereich in dem der Energieaustausch nicht mehr durch Konvektion sondern durch Strahlung erfolgt, allerdings steigt die Temperatur in der Stratosphäre mit der Höhe, durch die geringe Luftdichte ist der Wärmeinhalt nicht mehr sehr hoch und damit auch die Fähigkeit Wärme abzugeben. Meine Überlegungen basieren auf: https://de.wikipedia.org/wiki/Stratosph%C3%A4re
Die strahlende Höhe ist irgendwo zwischen 5 und 6 Kilometer, also noch ziemlich in der Mitte der Troposphäre. In der Stratosphäre gelten andere Regeln.
“Ist die Erde zu kalt, um die nötige Energiemenge zu liefern, wird die Erdoberfläche wärmer und strahlt mehr Infrarotenergie ab, bis es wieder passt. Und umgekehrt.”
es ist genau umgekehrt: ist sie zu warm strahlt sie mehr ab…
@Hauptartikel
Unabhängig von verschiedenen Hypothesen zur Klimaerwärmung habe ich eine grundlegende Frage zu einer Grundlage:
Welche Temperatur ist den diejenige, welche praktisch die Erde im Gleichgewicht hält bzw. welche Hauptartikel beschriebenes System zu halten bestrebt ist?
Wenn ich mir als Laie die durchschnittlichen Temperaturen der letzten, sagen wir mal 100 000 Jahre ansehe, ist das Temperaturspektrum doch ziemlich weiten Schwankungen ausgesetzt.
Bei der aktuellen Solarkonstante die besagten 255 Kelvin in der strahlenden Schicht. Wenn die – alles ganz grob überschlagen – bei 5,5 Kilometern liegt und wir nen adiabatischen Temperaturgradienten von 6 Grad pro Kilometern haben, landen wir bei 288 Kelvin auf Meereshöhe als globales Temperaturmittel. Die Temperaturschwankungen kommen durch Treibhauseffekt plus den ganzen unentwirrbaren Rückkopplungsschlonz (Wolken, Wasserdampf, Eis-Albedo etc etc), der die Klimasensitivität auch so kompliziert macht.
Puh, die ersten Absätze sind echt schwer verdaulich:
D.h. die Erde weiß, dass sie nicht schmelzen darf und muss dann sehen wie sie die Wärme wieder los wird?
Und weiter: die Erde kann die nötige Energie nicht liefern, wenn sie zu kalt ist? Dann wird sie halt wärmer, damit sie die liefern kann?
Ursache und Wirkung werden hier fröhlich verwechselt…
Ich finde die Beschreibung der Zusammenhänge in dem Artikel sehr eingänglich. Daher vielen Dank für die Beschreibung! Gewisse Vereinfachungen muss man dazu wohl auch einfach anstellen damit es für Jedermann nachvollziehbar bleibt.
Was mich zu dem Thema Energiebilanz unseres Planeten noch umtreibt ist die Frage nach “unserem Wärmeeintrag”. Es wird viel über “Treibhausgase” gesprochen, um eine Analogie aus der Bauphysik zu bemühen also um die Dämmung der Atmosphäre… Was ist denn mit der ganzen Wärme welche die Menscheit bei der Freisetzung von CO2 emmitiert? Wir erzeugen ja bei fast allen Prozessen “Abwärme”, von der Fortbewegung über die Gebäudebeheizung bis hin zur Industrie.
Ist die Menge, global gesehen, zu vernachlässigen oder darf man da auch mal drüber nachdenken?
Was meinen Sie?
Das ist ne berechtigte Frage, weil wir ja immense Energiemengen erzeugen, und entsprechend viel Wärme. Kann mir gut vorstellen, dass das lokal nen Unterschied macht. Global seh ich das nicht so recht, einfach weil die ankommende Sonnenenergie so gigantisch größer ist. Konkrete Zahlen hab ich da jetzt aber nicht.
wenn die unteren schichten der atmosphäre die infrarot strahlung schon vollständig absorbieren, wie wird die energie überhaupt abtransportiert? also wie wird die energie zur nächsthöheren schicht übertragen?
Strahlung und Konvektion. Die Treibhausgase absorbieren nicht nur, sondern strahlen auch wieder ab – und die Hälfte der Strahlung geht nach oben. Außerdem erwärmt sich die Luft durch die aufgenommene Strahlung und beginnt aufzusteigen.
Ist lange her das ich so ein “aaah jetzt habe ich was gelernt” Gefühl nach einem Text hatte.
Für mich wars immer der Treibhauseffekt wie im Gewächshaus. Vielen Dank
Und wie funktioniert dann der natürliche Klimawandel?
Im Prinzip genau so, nur sehr viel langsamer. Dadurch spielen Prozesse über zigtausende bis Millionen Jahre (Erdbahnparameter, Silikatverwitterung, Plattentektonik, biologische Evolution etc) eine viel größere Rolle für Klimaveränderungen. Im Moment ist praktisch der einzige für Klimaveränderungen relevante Prozess die Akkumulation von Treibhausgasen (neben deren Aufnahme durch den Ozean), und das ist erdgeschichtlich außerordentlich ungewöhnlich. Normalerweise hat man einen ganzen Haufen Prozesse, die parallel wirken.
Danke für die Erklärung, und Danke für die Diskussion, die das ganze akademische Dilemma gut umrissen hat.
Sicher wird man auch weiterhin trefflich über die Details streiten können, zumal der wissenschaftliche Fortschritt auch weiter stetig neue Momente der Klimaprozesse enthüllen wird.
Die grosse Politik wird es freuen, so lange gestritten wird, kann sie weiter täglich eine neue Sau durch Dorf treiben und das Blaue vom Himmel herbeiwünschen, anstatt die durchaus bestehenden Missstände ernsthaft und realistisch anzugehn und wirklich etwas zum Schutz des Klimas in unserem Land beizutragen.
Statt teils trauriger, teils lächerlicher Utopien über den Weltfrieden nach us-amerikanischen Vorstellungen, Kernfusion, neue “Urwälder”, vegane Lebensweise und Elektromobilität, brauchen wir Frieden und selbstbestimmte Entwicklung in der ganzen Welt, eine realistische und belastbare Perspektive für die Menschen und für die Volkswirtschaft in allen Bereichen und politische Rahmenbedingungen, die das Erreichen dieser Ziele nachhaltig fördern.
Der adiabatische Temperaturgradient ist nur in der Troposphäre, darüber ist der Temperaturgradient kleiner und strahlungsbedingt. Die Grenze zwischen beiden ist die Tropopause (schon bekannt seit 1906 Schwarzschild: Über die Stabilität des Strahhlungsgleichgewichts).
Die Strahlung in den Weltraum erfolgt nicht aus einer bestimmten Schicht – sondern aus einer oberen Länge entsprechend der Absorptionslänge. Am schönsten ist das im 15 µm-Bereich zu sehen mit dem Spektrum in den Weltraum: die kürzeste Absorptionslänge recht bis zur warmen Ozonschicht und ist als Spitze zu sehen. Daneben sind Plateaus, die die Stratosphäre abbilden mit weitgehend konstanter Temperatur und noch weiter entfernt steigt die Intensität an, weil die Absorptionslänge in wärmere Bereich steigt.
Ja, das stimmt. Das Bild von der “Schicht” ist natürlich grob vereinfacht und die Höhe stark von der Wellenlänge abhängig. Am Prinzip ändert das aber nichts.
So, das wird mir jetzt langsam zu absurd, was hier Leute so an Phantasiephysik drunterschwafeln. Kommentare geschlossen. ernst gemeinte Fragen gern per Mail, aber ich geb hier echt keine Anfängerkurse Physik, Wahrscheinlichkeitsrechnung und Textverständnis.