Update: Rückstrahlung der Treibhausgase (oder IR-Aktiven Gase) messen

Nach einem schönen Frühlingstag ist die Luft endlich so warm, dass mein bis -60°C reichendes Infrarot-Thermometer auch die Rückstrahlung der Treibhausgase bei klarem Himmel messen kann.

Lufttemperatur 12° im Schatten

Senkrecht in den Klaren Himmel: -55 bis - 60°C
45° in den klaren Himmel: ca 30°C
Senkrecht neben dem Klaren Himmel auf eine dunkle Wolke: -13°C
Senkrecht auf ein helle Wolke, aus der Sonnenlicht durchsickert: - 35°C
45°C auf eine dunkle Wolke: -5°C


Hier nochmal das Ganze mit Erklärungsversuchen:

Senkrecht in den klaren Himmel: -55 bis - 60°C (213 Kelvin)
>>> Endlich haben sich die Treibhausgase soweit erwärmt dass ihre IR-Strahlung ausreicht, um eine Reaktion auf meinem IR-Thermometer auszulösen.

45° Neigung in den klaren Himmel: ca -35°C (248 K)
>>> Der Thermometer empfängt mehr Strahlen aus dem unteren Bereich der Atmosphäre, wo es wärmer ist und die Energiemenge demzufolge höher.

Senkrecht neben dem klaren Himmel auf eine dunkle Wolke: -13°C (260 K)
>>> Der Unterschied von über 40°C zwischen einer Wolkenunterseite und dem klaren Himmel ist schon verblüffend. Wassertröpfchen (Wolken): hohe Rückstrahlung. Unsichbare Treibhausgase einschl. Wasserdampf: relativ niedrige Rückstrahlung.
Zusätzlich befinden sich die Wolken ja im unteren Bereich der Atmosphäre, wo die Temperatur höher ist als im oberen Bereich (Top of Atmosphere / TOA) bei bis über 10 km Höhe.

Senkrecht auf ein helle Wolke, aus der Sonnenlicht durchsickert: - 35°C (248 K)
>>> Das ist eine interessante Erfahrung. Normalerweise könnte ja man meinen, dass das einfallende Sonnenlicht die Temperatur stärker ansteigen lässt. Aber die helle Wolke bleibt ca. 20°C kühler als die dunkle. Warum?
1. Das IR-Thermometer reagiert anscheinend wirklich nicht auf Sonnenlicht, was auch so sein soll.
2. Die durchscheinende Wolke fängt weniger IR-Strahlen auf und sendet auch weniger zurück

45°C auf eine dunkle Wolke: -5°C (268 K)
>>> Zusätzlich zur Rückstrahlung aus der dunkeln Wolke addiert sich die IR-Strahlung der unsichtbaren klimaaktiven Gase aus den unteren, wärmeren Atmosphärenschichten.

Somit scheint die Theorie mit der Beobachtung übereinzustimmen:

• Klimaaktive Gase strahlen IR Strahlung gleichmäßig in alle Richtungen ab
• Je niedriger die Schichten sind, desto höher ist die Energiedichte
• Wassertröpfchen (Wolken) strahlen stärker zurück, als die unsichtbaren Klimaaktivengase, sind also vor allem nachts eine gute Wärmeisolierung der Erde.

Anmerkung 1: Hiermit wird weder ein katastrophale Klimaerwärmung bewiesen, noch dass eine Zunahme des CO2-Gehalts die Temperatur ansteigen lässt.

Anmerkung 2: Bei Kritik an meinen Ausführungen bitte keine Rundumschlag abgeben, sondern exakt zitieren und sachliche Kritik üben.

Nachweis von Infraroter Strahlung aus der Atmosphäre durch IR-Thermometer

Nachweis von Infraroter Strahlung aus der Atmosphäre durch IR-Thermometer. Annahme: 1. Die Atmosphärenanteile Wasserdampf, Wasser in Tröpfchenform, CO2 und Methan nehmen infrarote Strahlung auf und geben sie zeitversetzt entweder

a) durch Infrarote Strahlung in eine zufällige Richtung oder

b) durch Kontakt-Kollision an ein anderes Atmosphärisches Molekül einschließlich O2 und N2 ab.

O2 und N2 können Wärme durch IR-Strahlung weder aufnehmen noch abgeben, sondern nur durch Kontaktkollission.

Es ist davon auszugehen, dass die von der Erdoberfläche ausgehende IR-Strahlung auf die vorhandenen Teilchen auftreffen und diese auch wieder Strahlung zurücksenden. Demnach müsste eine Strahlung aus der Atmosphäre messbar sein.

VERSUCHSAUfBAU:

Infrarot-Thermometer der gehobenen Klasse, Messbereich -60°C bis + 550°C. Messwinkel 1:12

Funktionsweise: Gerät funktioniert durch Vergleich der Eigen/Umgebungstemperatur mit der eingehenden Strahlung mittels einer Thermosäule. Einflüsse durch sichtbares und Sonnenlicht werden weitestgehend abgeschirmt.

Gerät funktioniert nicht durch Direktkontakt und nicht unter Wasser. Infrarote Strahlen können nicht durch Glas hindurch, deshalb wird die Wärmeabstrahlung des Glases gemessen. PE-Folien können teilweise durchdrungen werden.

Voraussetzung: Die Hintergrundstrahlung des Weltalls liegt ca. 3°C über dem absoluten Nullpunkt, also ca. 3 Kelvin oder -270°C. Das ist ein durch Satellitenmessungen allgemein anerkannter Wert. Er liegt damit über 200°C niedriger als das o.g. Thermometer messen kann. Wenn das Thermometer etwas anzeigt, dann ist tatsächlich eine nennenswerte IR-Strahlung Richtung Erdoberfläche vorhanden.

Messungen:

Bodentemperatur ca 0°- 10°C

1. Bedeckter Himmel
senkrecht: ca. -10 bis -5°C
Richtung 45° zum Himmel: ca. -5 bis 0°C
15° über dem Horizont: ca. 0 bis 5°C

2. bei klarem Himmel:

-Senkrecht:  Tiefer als 60°C
-45°C zum Himmel: Kommt in den Messbereich des Thermometers ca. -30 bis -50°C
-15°über dem Horizont 0 bis -20°C

Schlussfolgerungen
a) Bei bedecktem Himmel dominieren die Wolken (Wassertröpfchen)und senden deutlich stärkere IR-Strahlung als bei klarem Himmel aus.

b) bei klarem Himmel (ohne Wassertröpfchen) ist die IR-Strahlung wesentlich geringer, der Thermometer zeigt zig Grade weniger an. Die Wassertröpfchen des bedeckten Himmles senden eine sehr deutliche und kräftige IR-Strahlung aus.

c) Bei Neigung des Messwinkels auf 45° oder bis auf 15° über dem Horizont geht eine deutlich stärkere Strahlung ein als beim Messen senkrecht nach oben. Senkrecht beträgt die Strecke bis zum oberen Ende der Atmosphäre ca. 10 KM, bei Neigung 15° ü. Horizont sind es ca. 40 KM, wobei vermehrt Strahlung aus der unteren und wärmeren Atmosphäre eintrifft.

Durch die Messergebnisse ist anzunehmen, dass die o.g. Atmosphärenbestandteile tatsächlich in Richtung Erdoberfläche zurückstrahlen, wobei Wolken (Wassertröpfchen) einen sehr viel stärkeren Anteil ausmachen. Das lässt sich auch durch die allgemeine Beobachtung bestätigen, dass ein Wolkige himmel wärmere Nächte mit sich bringt als ein klarer Nachthimmel.

Damit lassen sich die im Laboratorium erforschten Eigenschaften der klimasensitiven Anteile der Atmosphäre auch auf die Realität übertragen.

Keine Aussage ist darüber zu machen:
- Wie stark der Einfluss der Rückstrahlung auf das Klima ist.
- Welche Wärmeflüsse ansonsten in der Atmosphäre stattfinden.
- ob eine Erhöhung des CO2-Gehalts die Atmosphäre stark oder auch nur signifikant erwärmt.

Im Sommer wurden auch bei senkrechtem Messungen und wolkenlosem Himmel Temperaturen von - 20°C und höher gemessen - es kommt also auch da tatsächlich IR-Strahlung aus den unsichtbaren Teichen der Atmosphäre an.

Soweit mal die Theorie und die Messungen.

Die Irrtümer der Klimaskeptiker Teil 1: Die CO2-Konzentration ist zu gering als dass sie eine Wirkung haben könnte

Ich beginne hier eine Serie über Aussagen der Klimaskeptiker, die nicht - oder nicht ganz stimmen. Natürlich könnte ihr mit mir auch darüber diskutieren. Wenn ich erwiesenermaßen was falsch schreibe, dann werde ich das korrigieren - oder einen neuen Beitrag darüber schreiben.

Exkurs: Über Alarmisten und Klimaskeptiker
Nur ganz kurz: Fast alle Menschen glauben, dass das Klima sich ändert, dass es in den letzten 100 Jahren wärmer geworden ist, und dass der Mensch durch Verbrennung fossiler Rohstoffe den CO2-Gehalt der Atmosphäre erhöht hat. Gestritten wird nur darüber, wieviel der Anteil des Menschen an der Erwärmung ist - und ob diese Erwärmung zur Katastrophe kommt - oder und zumindest gefährlich wird. Wer letzteres glaubt, wird Klimabefürworter oder Klimaalarmist genannt. Wer nicht glaubt, der wird Klimaleugner oder Skeptiker genannt. Sich selbst nennen sie sich auch Klimarealisten.

Jede Gruppierung hat eine Meinung und Überzeugung - und sucht nach Argumenten dafür. Nicht alle müssen stimmen. Ich beschäftige mich jetzt in loser Folge mit Skeptiker-Argumenten.

Die CO2-Konzentration ist zu gering als dass sie eine Wirkung haben könnte oder wie kürzlich in einem Artikel stand:
"Der Einfluss des Spurengases CO2 auf die Temperaturentwicklung ist dabei völlig nebensächlich, schon aus physikalischen Gründen, aber auch weil auf 10.000 Luftmoleküle nur 4 CO2-Moleküle kommen, da unsere Luft zu 78 % aus Stickstoff, 21 % Sauerstoff und nur zu 0,04 % (400 ppm) aus Kohlenstoffdioxid besteht."

CO2 hat heute einen Anteil von 400ppm in der Atmosphäre. Das sind 400 Teile pro Million, oder 0,4 Promille oder 0.04%. Vor 200 Jahren waren es ca 300 ppm. Aber es gab auch schon Zeiten mit 5000 ppm, und weiter zurück noch hatte die Atmosphäre der Erde viele Prozente CO2.

Nun könnte man meinen, dass CO2 mit so einer geringen Konzentration keinen Einfluss auf die Erdtemperatur haben kann. Dazu muss man zuerst mal die physikalische Wirkungsweise von CO2 kennen.

Fast alle Materialien in diesem Kosmos können Wärmestrahlen abgeben (emittieren) und empfangen (absorbieren) - außer den zweiatomigen Gasen wie O2 (also das Sauerstoff-Molekül) und N2 (das Stickstoffmolekül). CO2 ist dreiatomig und kann das. Trifft nun Wärmestrahlung, auch Infrarote Strahlung genannt, auf ein CO2-Molekül auf, nimmt es die Energie auf und wird wärmer. Im Nanosekundenbereich strahlt es diese Energie wieder infraot in eine zufällige Richtung ab - wenn es nicht zuvor mit einem anderen Molekül zusammengestoßen ist und dabei die Wärme abgegeben hat. Im Schnitt geht die Strahlung also je zur Hälfte nach oben und nach unten.

Die Atmosphäre besteht bis in ca. 10 km Höhe aus der Troposphäre - also dem gut durchmischten und recht dichten Teil. Darüber wird es dünn mit den Gasen.

Die Erdoberfläche wird von kurzwelligem Sonnenlicht erwärmt und gibt die Wärme als langwellige Wärmestrahlung wieder ab - Richtung Weltall, wo es recht kalt ist. Obwohl 1000e von Sternen dort leuchten, kommen uns nur läppische - 270°C entgegen, also 3°C über dem absoluten Nullpunkt, wo sich gar nichts mehr rührt. Man nennt das die Hintergrundstrahlung und Satelliten benutzen sie als Referenzmessung für ihre Thermometer, weil sie so schön gleichbleibend ist.

Nun haben wir also die warme Erdoberfläche und 10 km Atmosphäre mit 400ppm CO2 darüber. Es dürfte jedem klar sein, dass ein ausgehender Wärmestrahl sehr bald auf ein CO2-Molekül trifft. In einem Raumwürfel ist in jeder Richtung ein jedes 16. Molekül ein CO2. In der Praxis ist nach ca. 20m über dem Boden jeder Wärmestrahl absorbiert (- außer diejenigen, die durch das sogenannte Atmosphärische Fenster entwischen. Aber mehr dazu ein andermal).

Die erwärmten Moleküle strahlen also die Wärme nach oben und nach unten ab. Dabei treffen die Strahlen wieder andere Moleküle und es geht in einem Ping-Pong-Spiel auf und ab, aber letzt endlich kommt die Strahlung (innerhalb von Sekunden) doch am oberen Rand der Atmosphäre ab und strahlt von dort in den Weltraum. Auf Englisch heißt das Top Of Atmosphere (TOA). Für CO2 ist TOA schon nach ca. 10 km, denn danach ist nicht mehr, was die Wärmestrahlung bremst.

Nun kann man sich ja vorstellen, dass je mehr CO2 in der Atmosphäre ist, das Pingpongspiel der Wärmestrahlen, bis an TOA ankommen länger dauert, mehr davon wieder auf die Erde zurückgeworfen wird, und die Atmosphäre und unsere Erde etwas wärmer wird. Im Labor hat man das mal berechnet und herausgefunden, dass eine Verdoppelung der CO2-Konzentration die Temperatur der Erde um ca. 1,2°C ansteigen lässt. Aber nur, wenn sich sonst nichts ändert. Diesen Wert nennt man auch Klimasensitivität des CO2.

Also das Argument, dass CO2 in so geringer Konzentration gar keine Wirkung hat stimmt nicht.

Was wir hier nicht behandelt haben:

• welche anderen klima-aktiven Gase es sonst noch gibt und was sie bewirken
• welche andere Faktoren die Temperatur unserer Erde noch regeln könnte

Der australische Mathematiker David Evans hat dazu ein interessantes Modell entwickelt. Hier findet ihr meine deutsche Übersetzung seines Artikels.

Die Gegenstrahlung schlägt zurück! (Teil 4)

Endlich ein bisschen Sonne! Der graue Wolkenhimmel bekommt blaue Löcher. Zeit, die IR-Messungen unserer Atmosphäre mit einer Thermosäule fortzusetzen. Die IR-Pistole hat ein Messverhältnis von eins zu zehn, das sind 5,7 Winkelgrade Also aufpassen, dass man nicht den Horizont oder benachbarte Wolken mitmisst.

Also zuerst mal wieder den Boden gemessen - knapp unter Null.
Dann den bewölkten Himmel - um die 7 Grad weniger. Und nun die Löcher im Wolkenhimmel:
- 30 bis - 50°C und ab und zu Error, denn da kommt das Gerät aus seinem Messbereich unten heraus.

Man sieht also: Wolken strahlen viel mehr Wärme ab als der klare Himmel. Um die minus 40 Grad bedeutet aber nicht, dass das ohne Wolken nichts kommt, denn das Weltall hat eine Hintergrund-Strahlung von 2,7 Kelvin oder 270°C minus. Da geht noch einiges.

Aber eines ist klar, und das wusste man schon: Wolken isolieren wunderbar. Und auch die Klimagase tun das, nur nicht so heftig. Wolken verhindern aber auch, dass die Sonne reinstrahlt und machen somit kälter. Wolken in der Nacht wärmen also sozusagen - oder verhindern Wärmeabstrahlung. Wolken tagsüber kühlen richtig.

Nun noch ein paar Vergleichsmessungen:

• Bedeckter Himmel und schneiender Himmel  - mit Schnee strahlt es ca. 2 Grad wärmer Man misst ja die nahen Flocken mit.
• Blanker Kiesboden und Gras tagsüber - der Kies ist tagsüber 3 Grad wärmer.
• Blanker Boden und Schnee bei ca. 0 Grad - der Schnee ist ca 2-3 Grad kälter.
• Direkt in die Sonne gemessen: Zuerst tut sich nichts, aber bei genauem Zielen komme ich auf 115 Grad. Die Thermosäule reagiert auf Sonnenlicht weniger als auf Wärmestrahlung.
• Zum Vergleich mal in die offene Ofentür in die Flamme messen: 300°C - 400°C - Error - Messbereich nach oben überschritten: Das war Wärmestrahlung pur, wenn auch nicht so hell wie die Sonne.
• Also kann das normale Tageslicht die Messungen nicht wesentlich beeinflussen.

Ergebnis dieser Messreihen:

Die Thermosäule empfängt Wärmestrahlung nicht nur vom Erdboden und all den andere Gegenständen um uns herum, die man auch mit einem normalen Thermometer messen kann. Bewölkter Himmel strahlt so kräftig zurück, dass die Rückstrahlung nur wenige Grade über der des abstrahlenden Bodens ist.

Bei klarem Himmel ist die Gegenstrahlung wesentlich geringer. Einstrahlungen, die einem von Temperaturunterschied von 40°C und mehr entsprechen, wurden gemessen. 

Die Klimagase haben aber auch bei klarem Himmel eine Wirkung: Schwenkt man die Pistole seitlich, und misst sozusagen die niederen Regionen der Atmosphäre, zeigt das Thermometer etwas mehr an.

Aber Wolken, das ist mir klar geworden, die sind die Super-Isolierung.

Wir haben gesehen, dass die Theorie der Klimawirkung der Spurengase CO2, Methan und Wasserdampf nachvollziehbar ist. Es wurde aber nicht untersucht und herausgefunden, wie stark sich eine Änderung der Konzentration der Klimagase auf die globalen Temperaturen auswirkt. Viel mehr als CO2 schwankt der Wasserdampfgehalt in der Luft. Was aber alle diese Effekte übertönen kann ist die Bewölkung. Sie kann je nach Auftreten wärmen oder kühlen. Und zwar ohne Verzögerung, sofort und sehr drastich.

Hiermit ist die kleine Serie über die Gegenstrahlung mal beendet. Mehr gibt es, wenn neue Erkenntnisse auftreten.