Montag, 29. Dezember 2014

Klimawirksamkeit von CO2 - gibt es die? Und wie groß ist sie? Wieder mal ein Versuch.

Bei Beantwortung begebe ich mich auf Glatteis. Denn ehrlich gesagt: Ich kann es nur vermuten. Es gibt wissenschaftliche Erkenntnisse, auf die man Theorien aufbauen kann. Und Erklärungsmodelle. Aber Atmosphäre und die darin vorkommenden Einflüsse sind sehr komplex.

Deshalb gibt es keine Grundaussage oder eine kleine Formel, mit der das Klima erklärt werden kann. Die oft gehörte Aussage:

CO2 reflektiert Wärmestrahlen zurück auf die Erde und hält sie warm>>> mehr CO2 reflektiert mehr Wärmestrahlung auf die Erde und macht sie zu warm.

stimmt so nicht. Mehr CO2 in der Atmosphäre seit ca 17 Jahren führt zu keiner wärmeren Erde:

http://woodfortrees.org/plot/esrl-co2/plot/hadcrut3vgl/from:1959/normalise/scale:100/offset:300/mean:13/plot/rss/normalise/scale:100/offset:300/mean:13



Hier ist die original Keeling Kurve (CO2 Mount Mauna, Hawaii in PPM = 0,001 Promille) verglichen mit Satelliten- und Bodenmessungen.

Während die Kurve bis ca 1998 zu stimmen scheint, tut sich ab da gar nichts mehr. Außerdem stimmen die Ausschläge der Temperatur in keinem Maß mit dem CO2 überein. Also kann hier ganz klar postuliert werden:

CO2 beeinflusst laut tatsächlichen Beobachtungen weder in jährlichem Rhythmus noch auf 10-bis 20jähriger Basis die Globaltemperatur.

(Es gibt noch 3 Versuche, die ursprüngliche Aussage zu retten:

  • CO2 bleibt bis zu hundert Jahren in der Luft, bevor es sich wieder abbaut, deshalb erfolgt die Klimaerwärmung zeitverzögert
  • Die entstanden Wärme wird in den Ozeanen gespeichert und erhitzt später überproportional die Atmosphäre
  • Neu überarbeitete Temperaturdatensätze, die mit dem CO2-Gehalt in der Atmosphäre übereinstimmen
Es erscheint immer bedenklich, wenn es für eine wissenschaftlich (d.h. real beobachtet) widerlegte Aussage Zusatzkonstruktionen braucht, um sie am Leben zu erhalten. Als diese o.a. Aussage über den direkten Einfluss des CO 2 getätigt wurde, brauchte man keine dieser 3 Konstrukte. Über sie werde ich mal gesonderte Betrachtungen schreiben.)

***

Nun kommen wir aber mal zu den tatsächlichen Beobachtungen über das CO2 und Co.

In Laborexperimenten kann eindeutig nachgewiesen werden, dass die Spurengase Wasserdampf, CO2 und Methan infrarote Wärmestrahlung in gewissen Frequenzbereichen aufnehmen und in den selben Frequenzbereichen wieder in alle Richtungen abstrahlen.

Und nun kann man daraus Modelle entwickeln, die das Geschehen in der Atmosphäre erklären sollen.

Das gängigste Modell ist folgendes:
  • Kurzwellige (teilweise sichtbare) Sonneneinstrahlung erwärmt die Erdoberfläche.
  • Diese strahlt die Wärme als infrarote Strahlung Richtung Weltall durch die Atmosphäre ab.
  • (Zusätzlich wird etwas Luft durch Bodenkontakt erwärmt und die erwärmte Luft steigt durch Umwälzung/Konvektion auf)
  • Die meiste kurzwellige Strahlung trifft irgendwann in der ca. 100 km hohen Atmosphäre auf Moleküle der o.g. Spurengase und wird von ihnen aufgenommen (absorbiert).
  • Die erwärmten Spurengas strahlen Wärmestrahlung wieder gleichmäßig nach allen Seiten (also zur Hälfte nach oben und zur Hälfte nach unten) ab. Auch diese Wärmestrahlung wird großteils wieder von Spurengasen absorbiert und allseitig abgestrahlt.
  • Durch diese mehrfache Umlenkung der Wärmestrahlung wird die eingestrahlte Wärmemenge der Sonne langsamer abgegeben und die Erde bleibt deswegen wärmer, als sie es ohne Spurengase wäre.
  • Im oberen Bereich der Atmosphäre finden sich nur sehr wenige Luftmoleküle. Deshalb wird fast alle von Spurengasen nach oben abgestrahlte IR-strahlung ungehindert ins Weltall abgegeben und verhindert somit eine Überhitzng der Atmospäre. Denn: Wärme von der Erde kann nur über Strahlung ins Weltall abgegeben weden.
Das wäre mal das Grundprinzip des Modells der klimawirksamen Gase.

Noch ein paar Feinheiten dazu:
  • In bestimmten Frequenzbereichen nehmen Spurengase keine Wärmestrahlung auf (absorbieren) und strahlen sie auch nicht ab (emittieren). In diesen Banden kann die IR-Strahlung ungehindert passieren.
  • Spurengase strahlen die erhaltene Wärmemenge nicht sofort wieder ab, sondern erst, wenn sie eine bestimmte Wärmemenge aufgenommen haben.
  • Die Spurengase in der Atmosphäre haben zusammen weinger als ein Prozent Volumen aller Gase. Alle anderen Gase können weder Wärmestrahlung aufnehmen noch abgeben.
  • Wasseredampf ist das häufigste Spurengas und sein Volumenanteil in der Luft verändert sich ständig. Wolken und Nebel sind kein Wasserdampf, sondern Tröpfchen. Sie haben wieder andere Eigenschaften als die Spurengase.
  • Alle Atmosphärengase können durch Kontakt zueinander oder zu festen und flüssigen Materieteilchen Wärmeenergie aufnehmen und abgeben.
***

Auf diesen Bausteinen kann man nun über den Wärmetransport in der Atmosphäre und den daraus resultierenden Temperaturen spekulieren. Es wurde noch nicht festgestellt
  • wie warm die Erde bei einem bestimmten CO2-Gehalt wird
  • ob zusätzliches CO2 die Globaltemperatur steigen lässt
Es gibt nun ein paar Theorien über die Funktion und die Auswirkungen des CO2-Gehalts in der Atmosphäre.

Eine besagt, das CO2 keine Wärmestrahlung Richtung Erdoberfläche zurücksendet. Man begründet wird das mit folgenden Thesen:
  • CO2 strahlt nur in Richtung Weltall ab (aufgrund irgendwelcher physikalischen Wirkungen, die ich nicht verstanden habe).
  • Es gibt keinen Wärmetransport von einem kälteren Gegenstand auf einen wärmeren - 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Deswegen ist es nicht erlaubt, dass das CO2 Richtung Erde Wärmestrahlen sendet.
und dann noch eine relativ nachvollziehbare:
  • CO2 in Bodennähe ist umgeben von anderen Luftmolekülen, die durch den Kontakt mit den Spurengasen erwärmt werden und durch Konvektion aufsteigen und somit das CO2 ständig kühlen und somit verhindern, das es soviel Energie aufnimmt, dass es zu einer Abstrahlung kommt. Erst in den oberen Schichten der Atmosphäre hört dieser Kontakt auf und dann strahlen die Spurengase eben ab.
Zu letztere Theorie ist zu sagen, dass der Wärmetransport durch Kontakt etwa zäher vorangeht als durch Strahlung. Zudem haben die Luftteilchen irgendwann alle eine gleiche Temperaturniveau erreicht. Deshalb führt dann jede neue Erhöhung der Energiemenge durch Einstrahlung zur Überhöhung des Energeiniveaus des Spurengases und zur Abstrahlung.

Immerhin kann man ja einiges messen, was mit dem grundlegende Modell übereinstimmt
  1. Vom oberen Rand der Atmosphäre per Satelliten die kurzwellige solare Einstrahlung von der Sonne
  2. Vom Erdboden aus die kurzwellige solare Einstrahlung, die von der Atmosphäre durchgelasen wurde.
  3. Am Boden die langwellige Wärmestrahlung, die vom Erdboden abgestrahlt wird.
  4. Am Boden die langwellige Wärmestrahlung, die von Atmosphäre zurückgeworfen wird.
  5. Am oberen Rand der Atmosphäre die langwellige Wärmestrahlung, die von der Atmosphäre aus in den Weltraum abgestrahlt wird.
Die gemessenen Werte stimmen mit den errechneten in der grundsätzlichen Theorie überein, womit man also mal von deren Gültigkeit ausgehen kann - solange bis nichts anderes bewiesen wird. Allerdings melden einige Skeptiker Zweifel bei der unter Nr. 4 aufgelisteten sogenannten Gegenstrahlung an, da diese nicht direkt gemessen werden kann, sondern etwas umgerechnet werden muss. Allerdings wird in diesem Modell die Atmosphäre wie eine black box angeschaut, wo beobachtet wird, was hinein- und herausgeht. Und das scheint alles schlüssig zu stimmen, incl. Nr. 4.


Bei vielen Menschen, die dem grundlegenden Modell der Kimawirksamkeit der Spurengase zustimmen, gibt es folgende Theorie:
  • Spurengase absorbieren und emittieren Wärmestrahlung. Je mehr sie in der Atmosphäre vorhanden sind, desto früher trifft ein Wärmestrahl ein Spurengasmolekül und desto mehr Wärmestrahlung wird zurückgeworfen. Und desto wämer wird die Erdoberfläche. Und irgendwann wird es dann so heiß, dass durch die Erwärmung der wasserdampfgehalt in der Atmosphäre zusätzlich ansteigt und die Temperatur unkontrolliert ansteigt - mit katastrophalen Folgen für Umwelt und Menschheit.
Die andere These heißt ungefähr so:
  • Spurengase absorbieren und emittieren Wärmestrahlung. Je mehr sie in der Atmosphäre vorhanden sind, desto früher trifft ein Wärmestrahl auf ein Spurengasmolekül und desto mehr Wärmestrahlung wird zurückgeworfen. Jedoch treten jetzt weitere Wirkungen auf:
    • Erhöhte Temperatur erzeugt höhere Konvektion, die die Wärme schneller wegtreibt
    • Erhöhte Temperatur erzuugt mehr Luftfeuchtigkeit und damit Wolken. Wolken reflektieren eingehende Sonnenstrahlung und vermindern der Wärmeeintrag auf die Erde.
    • Es gibt eine große Reihe von Einflüssen auf das Weltklima, wie Solarstrahlung, Ozeanzyklen, Verschiebung der Erdachse und der Umlaufbahn und Vulkantätigkeit, die einen so bedeutenden Einfluss haben, dass das CO2 nur noch einen verschwindenden Einfluss auf die Globaltemperatur hat.
  • Im großen und ganzen - übereinstimmend mit den reell gemachten Beobachtungen trägt CO2 nur geringfügig zur Klimaerwärmumg bei. Wechselwirkungen und Rückkopplungen können dazu führen, dass die bisher gemessene globale Erwärmung eher von näturlichen Einflüssen als von Spurengasen herrührt. Wenn überhaupt, habt die leichte Klimaerwärmung eher positve als negative Auswirkungen.


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