Willkommen bei Teil 5 meiner kleinen Serie “Klimakrisen-Wahlempfehlung” – einem persönlich geprägten Blick auf die Physik der Klimakrise, motiviert durch meine Sorgen darüber, dass weite Teile der deutschen Politik- und Medienlandschaft die Klimakrise nicht ernst genug nehmen.

Richtiger Umgang mit Unsicherheiten

Ein nicht allzu seltener Einwand von Seite derjenigen, die andere überzeugen wollen, dass die ganzen Anstrengungen beim Klimaschutz gar nicht nötig wären, ist, dass die entsprechenden Vorhersagen “nur Modellrechnungen” oder “nur Simulationen” wären, und dass eine Reihe der Dinge, um die es da geht, noch nicht vollständig verstanden wären. Vorab: Ja, ganz klar gibt es Prozesse und Effekte beim Klimawandel, bei denen noch Forschungsbedarf besteht. Das ist in der Wissenschaft eigentlich immer so – an irgendeiner Stelle lässt sich bei so gut wie jedem Thema weiterforschen. Wichtig ist, dass man mit solchen Unsicherheiten angemessen umgeht. Zugespitzt gesagt: Nur weil z.B. in der Gravitationstheorie noch nicht vollständig verstanden ist, wie das Innere realistischer, rotierender Schwarzer Löcher aussieht, sollte man nicht darauf vertrauen, in der Luft schweben zu bleiben, wenn man über eine Dachkante hinaus spaziert. Angemessener Umgang mit Unsicherheit berücksichtigt, was wir wissen und wo die Unsicherheiten liegen.

Anders gesagt: In einer Risikosituation wie jener, dass ein Mensch scheinbar unachtsam auf die Dachkante zu spaziert, sollten wir nicht automatisch annehmen, dass das, was wir über die Situation nicht wissen – dass unten ein Sprungkissen liegen könnte, oder der Mensch für uns unsichtbar angeseilt ist – dafür sorgt, dass das alles nicht so schlimm ist. Was wir sehr sicher über Schwerkraft wissen und über die biologischen Folgen, wenn ein menschlicher Körper mehrere Stockwerke tief fällt, sollten wir nicht ignorieren. Nur wenn wir sicher sind, dass jene grundlegenden Umstände in dieser speziellen Situation nicht entscheidend sind (Sprungkissen, Sicherung durch Seil) sollten wir darauf verzichten, jenen Menschen zu warnen. “Mensch, der vom Dach zu fallen droht, ist in Gefahr” ist der Default.

Auch in einer Situation wie “die Menschheit bläst pro Jahr die Menge XY an zusätzlichem CO2 in die Luft” sollte man aus dem Umstand, dass es bei den detaillierten Simulationen des Einflusses jenes CO2 (und der anderen Treibhausgase, und des Gesamtsystems) noch Unsicherheiten gibt, nicht blind schließen, dann werde das alles nicht so schlimm sein. Auch dort gibt es grundlegende Umstände, die man tunlichst nicht vernachlässigen sollte. Erstens, und da liefern uns die Basisinformationen gar nicht die Klimaforscher*innen, sondern die Menschen, die sich mit Atom- und Molekülphysik beschäftigen: CO2 ist extrem effektiv darin, Infrarotstrahlung im Bereich von Wellenlängen um die 15 Mikrometer zu absorbieren. Würden außerirdische Astronom*innen die obersten Atmosphärenschichten unserer Erde aus der Ferne untersuchen, würden sie ein Spektrum wie dieses hier bekommen (Daten von hier):

Die außerirdischen Astronom*innen wären vermutlich außer sich vor Aufregung über die linken beiden grau hinterlegten Areale: Ein Planet mit Wasser, und mit mehr Sauerstoff, als man den chemischen Umweltbedingungen nach erwarten würde – das sind Zeichen für Leben, nämlich für Organismen wie Grünalgen, die Sauerstoff freisetzen! Der rechte “Berg” rund um 15 Mikrometer würde ihnen dagegen sagen, dass da eine beträchtliche Menge an CO2 in der Atmosphäre ist.

Wie tief wir gucken können

Dass CO2 so effektiv absorbiert ist wichtig, weil es heißt, dass man vom Weltraum aus bei den betreffenden Wellenlängen überhaupt nicht von außen bis zum Erdboden sehen könnte. Umgekehrt heißt das: Die (Infrarot-)Strahlung, die die Erde in den Weltraum schickt, stammt bei den betreffenden Wellenlängen aus jenen hochliegenden Atmosphärenregionen. Strahlung aus tieferliegenden Bereichen schafft es nicht nach außen, sondern wird zwischendurch absorbiert.

Die entscheidende Größe heißt “optische Dicke”, und die allermeisten von uns dürften sie aus Situationen kennen, in denen das Absorptionsvermögen der uns direkten Atmosphärenanteile auch im sichtbaren Licht unnatürlich hoch ist: bei Nebel, wenn winzige Wassertröpfchen das Licht streuen. Bei Nebel sehen wir mit eigenen Augen, oder eben gerade nicht, dass einige Bereiche unserer Umgebung hinter einem weißen Schleier ganz oder teilweise verborgen sind. Dieses Bild von Matthias Süßen, es zeigt Bodennebel in Ostfriesland (Moordorf), macht das sehr anschaulich:

“Streuen” heißt in diesem Falle: von seiner geraden Bahn ablenken. Objekte sehen wir nur dann richtig, wenn uns das Licht von jenen Objekten hinreichend ungestört erreicht. “Richtig sehen” heißt in dem Zusammenhang, dass wir die Geometrie der Objektoberfläche rekonstruieren können, eben weil uns z.B. das Licht der oberen Objektpartien von etwas weiter oben erreicht, das der unteren Objektpartien von etwas weiter unten.

Sobald wir ein streuendes Medium zwischen uns und dem Objekt haben, kommt es darauf an. Streut jenes Medium zu stark, dann erreicht uns wenig bis gar kein Licht des Objekts auf direktem Wege. Allenfalls auf Umwegen erreicht uns jenes Licht, und daraus kann unser Auge kein Bild des Objekts rekonstruieren. Im Falle des Nebels sehen wir tatsächlich vor allem das auf Umwegen gestreute Sonnenlicht; was uns an Licht der hinter dem Nebel liegenden Objekte erreicht, ist für uns nicht mehr auszumachen.  Der Nebel ist “optisch dick”. 

Physikalisch wird das, was da passiert, durch die sogenannte optische Dicke oder optische Tiefe beschrieben, die wir jeder Strecke innerhalb des Mediums zuordnen können. “Optische Dicke gleich 1” heißt dabei, dass von dem ursprünglichen Licht über jene Strecke hinweg nur noch ein Anteil von 1/e übrigbleibt (mit e der Eulerschen Zahl, der Basis der Exponentialfunktion), also rund 37 Prozent. In einem homogenen Medium bleibt nach der doppelten Strecke entsprechend nur noch 1/e² übrig, 13.5%. Umgekehrt können wir fragen: Wenn wir von außen auf ein solches Medium schauen, sei es auf Nebel, sei es auf die Erdatmosphäre, wie tief können wir dann überhaupt blicken? Für die Antwort ist die Strecke, die einer optischen Dicke 1 entspricht, eine gute Abschätzung. (In Wirklichkeit verlieren wir natürlich nicht abrupt ab einer bestimmten Tiefe alle Informationen, insofern ist es immer eine Näherung, einem so allmählichen Prozess eine einzige Zahl zuzuordnen.) Ein Medium, dessen Ausdehnung so gering ist, dass die optische Dicke 1 bei weitem nicht erreicht wird, heißt “optisch dünn”. Eines, in das wir nur sehr begrenzt hineinsehen können, heißt “optisch dick”. 

Wo unsere Atmosphäre undurchsichtig ist

In weiten Wellenlängenbereichen ist die Atmosphäre optisch dick. In der folgenden Grafik von Robert Rohde ist das dargestellt, samt Aufschlüsselung für die verschiedenen Beiträge:

 

In der Spalte “Kohlenstoffdioxid” ist der graue Berg direkt links neben dem Wort “Kohlenstoffdioxid” derselbe wie bei der obigen Undurchlässigkeits-Abbildung aus Sicht der außerirdischen Astronom*innen. Weitere Treibhausgase, insbesondere Wasserdampf und Methan, sind ebenfalls eingezeichnet. Ganz unten ist noch der Effekt der Raleigh-Streuung zu sehen, also jener Streueffekte, die für das Blau des Himmels und das Rot von Sonnenunter- und aufgängen verantwortlich sind und die nur bei kurzen Wellenlängen wichtig ist.

Angesichts derjenigen Bereiche, in denen unsere Atmosphäre optisch dick ist, kann man dann fragen: Bis in welche Höhe sieht man denn dann von außen in die Atmosphäre hinein, in jenen Wellenlängenbereichen? Oder anders ausgedrückt: aus welchen Höhen kommt in jenen Wellenlängenbereichen die Strahlung, die unsere Atmosphäre ins Weltall hinaussendet?

Wie hoch liegen die “Strahlungsquellen”?

Die Antwort lässt sich mit vergleichsweise einfacher Physik ausrechnen. Dafür schauen wir uns bei der Atmosphäre an, wie Größen wie Temperatur, Druck, Abstrahungsvermögen etc. sich mit der Höhe ändern. Dass einige der dafür verwendeten Zusammenhänge etwas vom Ort abhängen, vernachlässigen wir und rechnen mit globalen Durchschnittswerten. Wer es genauer nachvollziehen möchte: die Rechnungen sind in dem Artikel Jeevanjee 2023 dokumentiert (aber Vorsicht: in der für das Folgende wichtigen dortigen Formel (21) ist das Vorzeichen im Argument der Exponentialfunktion falsch – offenbenbar ein Tippfehler, denn in den grafischen Darstellungen und der weiteren Rechnung ist dann alles richtig).

Der Fachartikel nutzt, wie in der Atmosphärenphysik üblich, den Druck als Variable anstatt der Höhe. Ich habe das Ergebnis im Folgenden mal mit der barometrischen Höhenformel auf Höhen umgerechnet. Rund um die 15-Mikrometer-Absorptionsstruktur des Kohlenstoffdioxids sieht die Lage dann so aus: 

Aufgetragen ist jeweils die Höhe (über dem Erdboden) der Regionen, die ein*e Beobachter*in von außen sieht. Bei einer Wellenlänge von 14 Mikrometern kann solch ein*e Beobachter*in von außen also Regionen in der Atmosphäre rund 8.5 Kilometer über dem Erdboden sehen. Was dahinterliegt, ist neblig-verschwommen, schlecht bis gar nicht mehr auszumachen. Die waagerechte gestrichelte Linie im Diagramm bei 12 km ist der Übergang zwischen Troposphäre und Stratosphäre. 

In die Formel für die optische Dichte geht direkt ein, wie viele streuende Moleküle vorhanden sind: je mehr Moleküle, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass ein Lichtteilchen in einer dünnen Schicht jenes Mediums auf ein Molekül trifft und gestreut wird. Die obige Kurve ist für eine CO2-Konzentration von 280 ppm gerechnet. Verdoppeln wir die Konzentration, dann ergibt sich die rote Kurve in der folgenden Abbildung:

Der Effekt des CO2 ist deutlich: In den Bereichen, wo die Höhenkurve von Null abweicht, stammt die Strahlung, die in den Weltraum entkommt, bei jeder Wellenlänge aus höheren Atmosphärenschichten als bei der geringeren CO2-Konzentration.

Eine Frage des Gleichgewichts

An dieser Stelle kommen zwei Umstände hinzu: einer aus der Atmosphärenphysik, einer aus der Thermodynamik. Zum einen: Je höher wir in der Atmosphäre gehen, umso kälter wird es. Im Durchschnitt wird es in der Troposphäre, also der direkt an den Erdboden anschließenden Atmosphärenschicht, für jeden Kilometer, den wir nach oben gehen, 6.5 Kelvin (oder 6.5 Grad Celsius) kälter. Ab der Stratosphäre, in rund 12 Kilometern Höhe über dem Erdboden, wird die Temperaturänderung dann deutlich langsamer. In dem hier betrachteten vereinfachten Modell wird die Temperatur in den uns interessierenden unteren Stratosphärenschichten auf konstant 210 Kelvin (rund -63 Grad Celsius) gesetzt. Hinter dem Temperaturverlauf in der Troposphäre steckt der Einfluss der Konvektion, also des Umstandes, dass je nach Dichte auf- bzw. absteigende, Wärme transportierende Luftpakete das Temperaturprofil wesentlich mitbestimmen. Die ersten entsprechenden Modellrechnungen hat in den 1960er Jahren Syukuro Manabe durchgeführt, und u.a. dafür 2021 den Physik-Nobelpreis bekommen.

Der zweite Umstand: Wieviel Strahlung Gas aussendet, wird zumindest im lokalen Wärmegleichgewicht – alles geht langsam genug, dass die lokal nebeneinanderliegenden Gaspakete ins thermische Gleichgewicht kommen können – von seiner Temperatur bestimmt. Die entsprechende Plancksche Strahlungsformel markiert den Beginn der Entwicklung der Quantenmechanik Anfang des 20. Jahrhunderts; um sie erklären zu können, musste Max Planck annehmen, dass Strahlung nur in diskreten Paketen, eben in Quanten, ausgesandt wird. Dabei gilt: Je niedriger die Temperatur, umso weniger Strahlung wird ausgestrahlt.

Setzen wir diese Bausteine zusammen, dann kommt heraus: Bei höherer CO2-Konzentration stammt die Strahlung, die in den Weltraum gelangt (synonym “die ein*e Beobachter*in im Weltraum erreicht”) in dem betrachteten Wellenlängenbereich aus zunehmend höheren Schichten. Solange wir uns noch in der Troposphäre befinden, gilt: jene Schichten sind jeweils kälter als die darunterliegenden Schichten. Insgesamt gilt deswegen: Eine höhere CO2-Konzentration verringert die Strahlung, die die Erde in dem betrachteten Wellenlängenbereich abgibt. Einen Ausgleich, dass etwa in einem anderen Wellenlängenbereich bei erhöhter CO2-Konzentration mehr Strahlung freigesetzt würde, gibt es nicht. Die Abstrahlungsleistung der Erde in Richtung Weltraum verringert sich insgesamt.

Das führt zu einer Aufheizung, denn die Einstrahlung bis hin zum Erdboden erfolgt vornehmlich bei deutlich geringeren Wellenlängen, im sichtbaren Bereich. (Auch das ist in der obigen Grafik von Robert Rohde mit gezeigt.) Die Energie, die uns von der Sonne erreicht, bleibt daher in diesem Szenario im wesentlichen gleich. Was wir im Infrarotbereich abstrahlen, wird dagegen weniger. Damit heizen sich Erdboden, Ozeane, Atmosphäre unweigerlich auf, denn irgendwo muss jene Zusatzenergie ja bleiben, die wir nach wie vor von der Sonne erhalten, aber nicht mehr in den Weltraum abgeben.

Ein neues Gleichgewicht, in dem die Erde genau so viel Energie in den Weltraum abstrahlt, wie sie von der Sonne empfängt, ist erst bei einer insgesamt höheren Temperatur erreicht. Jener Temperatur nämlich, bei denen die aufgrund der CO2-Konzentration nach oben verschobenen Abstrahlungs-Regionen der Atmosphäre insgesamt gerade so viel mehr Strahlung abgeben, dass die Wirkung des nach-oben-Verschiebens der Abstrahlungs-Regionen exakt ausgeglichen ist. Das ist der Erwärmungs-Effekt aufgrund der höheren CO2-Konzentration.

Da geht noch mehr, aber…

Für die Profi-Rechnungen sind solche einfachen Überlegungen natürlich nur ein erster Schritt. Das betrifft zum einen die Vereinfachungen des Modells, also z.B. die Frage, was sich ändert, wenn man die Stratosphärentemperatur realistischer modelliert, oder wenn man in entsprechenden Simulationen Temperaturvariationen von Ort zu Ort auf der Erdoberfläche einberechnet. Auch physikalische Effekte höherer Ordnung kommen hinzu – Jeevanjee in dem zitierten Artikel hat beispielsweise noch das Wasserdampf-Feedback modelliert, also den Umstand, dass sich bei erhöhter Temperatur auch der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre ändert; Wasserdampf ist ebenfalls ein Treibhausgas und hat, siehe das Rohde-Diagramm, insgesamt sogar einen größeren Effekt als CO2. Dann kommen noch die Effekte hinzu, die über die reine Physik hinausgehen: Letztlich gibt es ja einen Kohlenstoff-Zyklus, bei dem Kohlenstoff von den Ozeanen bzw. über Bäume etc. vom Erdboden aufgenommen wird. Die modernen Klimamodelle versuchen, all das dem besten verfügbaren Wissen nach mit zu berücksichtigen.

Aber die hier beschriebene Rechnung ist die physikalische Basis des Ganzen. Und swer den ganzen komplizierten Modellrechnungen nicht traut, kann nicht einfach sagen: da sind Unsicherheiten, also nehme ich einfach an, CO2 habe überhaupt keine Wirkung auf das Klima. Selbst wenn wir alle Simulationen ignorieren, sind wir immer noch bei den beschriebenen grundlegenden Umständen: Erhöhung der CO2-Konzentration sorgt dafür, dass die Atmosphäre bei bestimmten Wellenlängen optisch dicker wird. Dann erfolgt die Abstrahlung aus dem Weltraum aus höheren Schichten. Jene höheren Schichten sind zunächst einmal kälter. Ein Energiefluss-Gleichgewicht kann erst hergestellt werden, wenn sich die Temperatur insgesamt erhöht, nämlich auch am Erdboden. Bevor das Gleichgewicht erreicht ist, kommt mehr Sonnenenergie auf der Erde an als von der Erde (inklusive Atmosphäre und allem) abgestrahlt wird; diese Energie bewirkt eine Aufheizung.

Insofern: Klar gibt es bei verschiedenen Eigenschaften des Klimas noch Unklarheiten und Forschungsbedarf. Aber auch eine vernunftgetragene skeptische Haltung gegenüber den Klimawissenschaften kommt schlecht an der grundlegenden Physik vorbei. “CO2 bewirkt Aufheizung” ist der Default. Was darin zur optischen Dicke eingeht, kennen wir vom Nebel; der lineare Temperaturverlauf ist durch hunderte Wetterballon-Messungen nachgemessen; der Zusammenhang von Temperatur und Strahlung ist ein Schlüsselresultat der Quantenmechanik. Man muss schon viel an Physik selektiv ignorieren, um an diesem Default vorbeizukommen.

Von der grundlegenden Physik zu meiner persönlichen Eigenschaften der gesellschaftlichen Konsequenzen: Die extremen Klimawandel-Leugner-Positionen kann ich nicht zuletzt auf Basis der in dem einfachen Modell enthaltenen Physik nicht mehr ernstnehmen. Angesichts der Risiken einer andauernden Erderwärmung folgt für mich bereits aus diesem einfachen Modell entsprechend der grundsätzlichen Überlegungen zur Risikobewertung die ich in diesem Blogartikel hier beschrieben hatte,  dass es unverantwortlich wäre, zu ignorieren, was dort mit großer Wahrscheinlichkeit passiert.  Ich kann entsprechend nur jedem/jeder zu raten, dem Thema bei der Wahlentscheidung zur morgigen Bundestagswahl mit angemessenem Gewicht zu berücksichtigen. Ich sehe angesichts der Zeitskalen jeden und jede von uns in der Verantwortung, so zu wählen, dass wir der Klimakrise so entschieden wie möglich begegnen. Sprich: Von der Wahl von Parteien, die die Klimakrise als Ganzes leugnen, aber auch von Parteien, die sich bei eigener Regierungsbeteiligung oder von den öffentlichen Aussagen her als Klimakrisen-Abwiegler und/oder Klimaschutz-Verzögerer hervorgetan haben, rate ich dringend ab. (Tipp: Es ist durchaus aufschlussreich, sich anzuschauen, welche prominenten Parteimitglieder sich wie über die Klimakrise äußern. Wenn jemand sich fast nur zum Thema äußert, um ein langsameres Tempo anzumahnen, nimmt der oder die die Klimakrise meiner Einschätzung nach nicht ernst genug.)

Themenübersicht

Ich habe mir für diese Serie die folgenden Themen überlegt:

• Physikalische Intuition statt magischer Erzählungen
• Energie-Größenordnungen
• Menschen-Temperaturen
• Hebelwirkungen für Strahlungsflüsse
• Physikalische Grundlagen: Treibhauseffekt ohne Simulationen (dieser Beitrag hier)
• Änderungsraten und Zustandsgrößen
• Erwärmung und Kipp-Punkte
• Risiken und der Umgang mit Unsicherheiten

Die Themenauswahl spiegelt wieder, was ich selbst für mein Verständnis der Klimakrise für entscheidend halte – und damit für den Umstand, dass ich die Klimakrise als extrem dringend einstufe. Dass die Themen physik-basiert sind, ergibt sich aus meinem persönlichen Hintergrund. Ich nähere mich dem Thema eben von der Physik her.

Damit die Diskussion in den Kommentaren nicht ins unübersichtlich-unkonstruktive abgleitet, die bei mir bei potenziell kontroversen Themen üblichen Regeln: keine Beleidigungen oder beleidigende Unterstellungen/Pauschalisierungen; bitte nur Beiträge mit direktem Bezug zum Inhalt des Blogbeitrags (kein allgemeines Forum); bitte respektieren Sie die Lesezeit der Mitlesenden und fassen Sie sich so kurz wie möglich; bitte keine Tatsachenbehauptungen ohne entsprechende Quelle bzw. entsprechendes Link. Beiträge, die sich nicht an die Regeln halten, schalte ich ggf. gar nicht erst frei.