Die Klimathesen
Die Erklärung des derzeit diskutierten Klimawandels beruht auf einigen wenigen Thesen. Die Klimathesen, chronologisch:
- Sonnenlicht, das von der Erde absorbiert wird, heizt die Erdoberfläche auf und die erwärmte Oberfläche strahlt Wärme ab.
(Fourier, 1824; und wohl fast jeder Mensch davor & danach)
- Auf der Erde ist es wärmer als es zu erwarten wäre. Ergo:
Manche Stoffe in der Atmosphäre absorbieren Wärmestrahlung (= sind für bestimmte Infrarotlicht-Strahlen undurchsichtig). Diese Stoffe in der Atmosphäre werden durch die absorbierte Strahlung erwärmt (= nehmen diese Wärmestrahlung auf und werden dadurch energiereicher, also wärmer), bzw. strahlen die Energie als Wärmestrahlung in alle Richtungen wieder ab, also auch zurück in Richtung Erdoberfläche. Sie behindern dadurch die direkte Abstrahlung der Wärme der Erdoberfläche in den Weltraum. Dadurch erhöht sich die Temperatur in der Nähe der Erdoberfläche, bzw. es kühlt weniger gut ab (ähnlich wie bei einer Wärmedämmung).
(Fourier, 1824, mit Bezug auf die Solarkochkiste von de Saussure (1767) Treibhauseffekt genannt, obwohl der wesentliche Effekt bei Kochkisten der Glashauseffekt ist)
- Gase, die Wärmestrahlung absorbieren (= Wärmestrahlung blockieren und durch Aufnahme dieser Strahlung erwärmt werden oder angeregt werden und die Strahlung unmittelbar wieder abstrahlen), sind Wasserdampf, Kohlendioxid und andere.
(Eunice Newton Foote, 1856; Tyndall, 1859, durch Experiment; die oben vermuteten Stoffe und ihr Verhalten sind nun bekannt)
- Strahlung folgt physikalischen Gesetzmäßigkeiten (Strahlungsgesetze):
- Kirchhoffsches Gesetz: beschreibt den Zusammenhang zwischen Absorption und Emission. Ein Körper, der gut absorbiert, strahlt auch gut.
(Kirchhoff, 1859) - Stefan-Boltzmann-Gesetz: beschreibt den Zusammenhang zwischen Temperatur und der thermisch abgestrahlten Leistung eines Körpers.
(experimentell: Stefan, 1879; Formel: Boltzmann, 1884, auf Grundlage von Maxwell, 1873) - Wiensches Verschiebungsgesetz (1893/94) und Wiensches Strahlungsgesetz (1896) beschreiben den Zusammenhang von Temperatur und Wellenlänge der Strahlung. Wilhelm Wien bekam dafür den Nobelpreis, er postulierte auch erstmals die Grundlage für die Relativitätstheorie, den Zusammenhang von Masse und Energie/Strahlung.
- Plancksches Strahlungsgesetz: vereint diese Gesetze und leitet daraus die Grundlage der Quantenphysik ab.
(Planck, 1900; Einstein bekam für seinen Beweis der Quantenpysik anhand des Photoelektrischen Effekts im Jahre 1905 den Physik-Nobelpreis des Jahres 1922)
- Kirchhoffsches Gesetz: beschreibt den Zusammenhang zwischen Absorption und Emission. Ein Körper, der gut absorbiert, strahlt auch gut.
Diese Naturgesetze bilden unter anderem die Grundlage unserer Hochtechnologie.
Die Klimaprognose
Damit sind 1896 die physikalischen Gesetze zum Treibhauseffekt beschrieben und man kann rechnen. Arrhenius hat dies 1896 getan. Ohne Computer nahm dies damals mehrere Monate in Anspruch. Das geht zum Beispiel so:
Energiezufuhr
- Sonne strahlt auf den Planeten
- Ein Teil des Lichts strahlt zurück Richtung Weltraum (wir können die Erde sehen) (Strahlungsgesetze)
- Ein Teil des Lichts wird von der Oberfläche absorbiert und erwärmt die Oberfläche (Strahlungsgesetze)
- Das Verhältnis ist abhängig von der Albedo, der Reflektionseigenschaft für die Wellenlängen des Lichts. (Strahlungsgesetze)
- Die Oberfläche strahlt die Wärme ab (Infrarotlicht), Richtung Weltraum (Strahlungsgesetze)
- Es würde sich eine Oberflächentemperatur von global durchschnittlich ca. -19°C einstellen (Strahlungsgesetze)
- Tatsächlich liegt die Oberflächentemperatur erheblich höher (vor 1900 bei in etwa grob 14°C).
- Etwas muss den Abtransport der Temperatur behindern, eine Art Wärmedämmung. Ein Teil der Luft muss für Infrarotlicht undurchsichtig sein und die Abstrahlung behindern. (1824, Fourier)
Atmosphäre
- In der Atmosphäre sind offensichtlich Stoffe, die für Infrarotlicht undurchsichtig sind und einen Teil der Infrarotstrahlung absorbieren (aufhalten, blockieren). (1824, Fourier)
- Das Infrarotlicht wird von diesen Stoffen absorbiert und erwärmt diese Stoffe oder regt diese an. (Strahlungsgesetze)
- Diese erwärmten oder angeregten Moleküle der Luft strahlen Wärmestrahlung gleichmäßig in alle Richtungen ab (Infrarotlicht). (Strahlungsgesetze)
- Eine Hälfte strahlt Richtung Weltraum
- Der andere Teil strahlt Richtung Erde (Gegenstrahlung)
- Die Energie, die auf die Erde zurück strahlt, wird von der Erde absorbiert, die Erde erwärmt sich weiter. (Strahlungsgesetze)
(Eine Analogie zum sichtbaren Licht: In einem Raum, dessen Wände hell sind und daher Licht zurückstrahlen, ist es bei gleicher Beleuchtung heller, als in einem Raum mit schwarzen Wänden, die kein Licht in den Raum zurück strahlen)
- Je mehr Stoffe in der Luft sind, die Wärmestrahlung absorbieren, desto mehr Strahlung wird auch zur Erde wieder zurück gestrahlt. (Strahlungsgesetze)
- Sind keine solche Stoffe in der Atmosphäre, würde sich eine Oberflächentemperatur von ca. -19°C einstellen
- Sind solche Stoffe in der Atmosphäre, hat das den Effekt ähnlich einer Wärmedämmung
- Tyndall beschreibt das Verhalten ähnlich dem eines Staudamms in einem Fluss. Der Abfluss des Wassers wird teilweise blockiert und verzögert. Die Wassertiefe Flussaufwärts wird dadurch erhöht. Die Wassertiefe entspricht dabei der Temperatur, der Staudamm den Treibhausgasen und der Zufluss von Wasser der zugeführten Energie durch die Sonne. (1862)
- CO₂ und Wasserdampf sind Stoffe, die Infrarotlicht absorbieren, also für Wärmestrahlen undurchsichtig sind. (Physikalische Eigenschaften dieser Stoffebezüglich Infrarotstrahlung erstmals dokumentiert durch Foote, 1856 und Tyndall, 1859)
- Wasserdampf hat einen Anteil von 0,4% (4000 ppm) der Atmosphäre, CO₂ heute 0,041% (410 ppm). Während tausenden von Jahren vor der Industrialisierung waren 0,027…0,028% CO₂ in der Luft.
- Obwohl Wasser mit 0,4% nur in Spuren in der Luft vorhanden ist, ist uns die große Bedeutung bewusst. Wir können das Wasser in der Luft oft in Form von Wolken oder Nebel so wie viele der Effekte und Eigenschaften dieses Wassers sehen.
- Wolken haben einen Anteil von 0,004% (40 ppm) an der Atmosphäre. Es ist also die 10-fache Menge an CO2 in der Luft, werglichen mit Wolken. Niemand würde auf die Idee kommen, Wolken würden keinen Einfluss auf Temperatur und Wetter haben, nur weil ihr Anteil an der Atmosphäre so wohnsinnig gering ist.
- Die Menge an Wasser in der Atmosphäre ist abhängig von der Temperatur. Die Aufenthaltszeit des Wassers in der Luft ist relativ kurz. Daher kann der Wasserdampf von sich aus keine stabile Erwärmung aufrecht erhalten. Regnet der Dampf ab, verschwindet der Erwärmungseffekt und es verdampft weniger Wasser.
Der Wasserdampf in der Luft ist also immer ein sekundärer Effekt aufgrund der Erwärmung durch andere Ursachen. Der Wasserdampf wirkt damit wie ein Verstärker, der eine andere Erwärmungsursache verstärkt. Die Erwärmung wird dadurch in etwa verdoppelt.
Erwärmung
- Eine Erhöhung des Anteils an CO₂ (z.B. durch die Industrialisierung) führt zu einer besseren „Wärmedämmung“ der Erde und damit zu weitern Anstieg der Oberflächentemperatur. (1856, Tyndall; 1896, Arrhenius)
- Eine Verdoppelung des CO₂-Anteils in der Atmosphäre hätte einen deutlichen Anstieg der globalen Temperatur von etwa 5°C zur Folge. (Arrhenius, 1896; Callendar, 1938: 2°C; IPCC, 2013: 3°C +/-1,5°C; das zeigt, dass Arrhenius‘ wie auch Callendars Ergebnis innerhalb der heutigen Ergebnisse liegen, also im Rahmen der Möglichkeiten richtig sind)
- Die Pole reagieren deutlich stärker, die Arktis stärker als die Antarktis. (Arrhenius, 1896)
- Die Gefahr einer eventuell aufkommenden Eiszeit kann gebannt werden, in dem der Mensch eine entsprechende Menge CO₂ frei setzt (Geoengineering). (Arrhenius, 1896)
Zu viel CO₂
- CO₂ verbleibt sehr lange im Kohlenstoff-Kreislauf der Natur. Die Industrialisierung muss den CO₂-Ausstoß im Blick haben, sie darf nur eine begrenzte Zeit eine begrenzte Menge CO₂ frei setzen. (Arrhenius, 1896)
- Pflanzen wachsen -> CO₂ wird gebunden
- Planzen sterben -> Das C wird wieder frei, durch Verfaulen oder bei der Verdauung durch Tiere, die dann CO₂ oder Methan abgeben.
- Das meiste CO₂ wird bei der Verwitterung von Silikatgestein wieder fest in der Erde gebunden, nur ein kleiner Teil durch tote Pflanzen und Tiere. Die Verwitterung dauert sehr lange. Hat man zu viel CO₂ in der Luft, dauert es mehrere hunderttausend Jahre um das CO₂ abzubauen (Anm.: außer man findet eine andere praktikable, technische Möglichkeit, CO₂ in großen Mengen zu binden).
Wie wir sehen, die Menschheit kennt die Prozesse und die Risiken zum Umgang mit CO₂ und der Industrialisierung schon sehr lange.
Heute
Was Arrhenius 1896 berechnet hat ist heute eingetreten und nachweisbar.
Die im vorletzten Jahrhundert erarbeiteten Gesetzmäßigkeiten sind bis heute gültig. Sie sind das Fundament modernster Wissenschaft und unserer Hochtechnologie. Es gibt kaum ein modernes Produkt in unserem Elektronikzeitalter, das funktionieren würde, wären diese Erkenntnisse falsch.
Einige Menschen leugnen diese Erkenntnisse und die aktuell stattfindenden Auswirkungen und nutzen dabei Geräte, die nicht funktionieren würden, wären die zu Grunde liegenden Erkenntnisse falsch. Auch wird der Klimaforschung oft unterstellt, sie wäre eine Verschwörung, um uns Geld aus den Taschen zu ziehen, um Windräder und Elektroautos zu bauen oder um die Wirtschaft ganzer Staaten zu ruinieren. Zur Zeit von Arrhenius gab es jedoch weder Autos, noch elektrische Windkraftanlagen oder Solarzellen.
Die Wissenschaftler von damals haben sich nur in einem Punkt wesentlich geirrt. Sie haben nicht erwartet, dass der Verbrauch fossiler Brennstoffe derart rasant ansteigen würde. Bis zum Erreichen kritischer Werte hatten sie uns noch ein paar Hundert Jahre Zeit gegeben. Heute sind wir weit über das „gesunde Maß“ hinaus geschossen und wir reduzieren die CO₂-Emissionen dennoch nicht.
Wir wissen sehr genau, wieviel CO₂ wir freigesetzt haben und wieviel wir freisetzen. Wie bei vielem in der Wissenschaft kann man das über mehrere Wege bestimmen.
- Aus der Buchhaltung kennen wir die Fördermengen und die Mengen, die gehandelt werden.
- Wir messen den CO₂-Gehalt ständig. Wir kennen den heutigen Wert und den von vor der Industrialisierung. Heute haben wir 50% mehr CO₂ in der Luft, als damals. Das waren wir, der Mensch.
- Wir können über die Radiocarbon-Methode bestimmen, wie alt der Kohlenstoff der CO₂-Moleküle ist. Daran erkennen wir, das der Anstieg aus fossilem Kohlenstoff besteht, wieviel davon sich in der Luft anreichert und wieviel in den Meeren.
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Wir wissen sehr genau, welche Strahlung die Erde erreicht und welche sie wieder verlässt.
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- Satelliten messen die Energie, die von der Sonne kommt
- Satelliten messen die Energie, die die Erde verlässt
- Satelliten & Thermometer messen die Temperatur der Erde in verschiedenen Höhen
- Sensoren am Boden messen die Wärmestrahlung, die die Atmosphäre auf die Erde zurück wirft (Gegenstrahlung)
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Jeder CO₂-Sensor einer Belüftungsanlage belegt die Klimawirksamkeit von CO₂.
Die CO₂-Sensoren nutzen zur Messung des CO₂-Gehalts genau die Eigenschaft, die auch den Klimawandel antreibt. Man misst, wieviel der Wärmestrahlung in einem Luftspalt absorbiert wird, auf der Wellenlänge, auf der CO₂ Wärmestrahlung absorbiert. Dadurch lassen sich Sensoren relativ primitiv bauen.
Was wir auch wissenschaftlich untersuchen, es belegt die grundsätzlichen Aussagen, die schon seit über 120 Jahren bekannt sind. Sämtliche gegenteiligen Aussagen lassen sich widerlegen und auf Fehler in diesen Arbeiten zurückführen.
Die einzigen Unsicherheiten, die wir heute noch haben, sind Abschätzungen auf lokaler Ebene und Details. Fragen wie: Wird der Golfstrom versiegen oder nicht? Ab wann wird das Klima komplett in einen neuen Zustand umkippen? Wird das Grönlandeis stetig ins Meer abschmelzen oder wird es plötzliche Ereignisse & Tsunamis geben?
Wesentlich klarer sind Merkmale, die bereits eintreten oder eingetreten sind.
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- sehr schneller, deutlicher CO₂-Anstieg
- sehr schneller, deutlicher Anstieg der Temperatur
- Fortschreitender Verlust von Eis
- Artensterben, z.B. Korallen, 40% sind tot
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Wir können feststellen, dass der Frühling jedes Jahr um ca.1/3 Tag früher beginnt.
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- An der Apfelblüte
- An der Kirschblüte
- An den CO₂-Messwerten
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Und wir können feststellen, dass das zu erheblichen Ernteausfällen führt, wenn es nach Beginn der Blüte nochmal zu einem Kälteeinbruch kommt.
Die Industrie nutzt die aktuellen Erkenntnisse aus der Klimaforschung um damit wirtschaftlich zu arbeiten. Man kann Risiko-Prognosen zu zu erwartenden Naturkatastrophen für Standorte berechnen. Das nutzen Versicherungen und das nutzen Firmen, die einen Standort suchen. Die Prognosen stimmen zu 96% mit der Realität überein.
Die Prognosen der Wissenschaftler sind nicht so exakt. Den Wissenschaftlern heute geht es wie denen des vorletzten Jahrhunderts. Sie schätzen zu vorsichtig, heute aus Angst man könnte bezichtigt werden, ungerechtfertigten Alarm gemacht zu haben.
Einer Studie zufolge ist in 85% der Fälle die Realität schlimmer als von Wissenschaftlern erwartet. Nur 11% der Vorsagen der Wissenschaftler stimmen mit der Realität überein. Die Wissenschaft ist regelmäßig überrascht, wie viel schlimmer es tatsächlich ist. Dennoch nutzen Leugner die 4% der Fälle, in denen ein Ereignis weniger dramatisch ist als erwartet, um die Wissenschaft zu diskreditieren.
Dokumente
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- Fourier
Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires
Burgess, englische Übersetzung von Fourier:
On the Temperatures of the Terrestrial Sphere and Interplanetary Space - Tyndall
Contributions to molecular physics in the domain of radiant - Arrhenius
On the influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Earth
- Fourier
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Links
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- The Discovery of Global Warming
Simple Models of Climate Change
Hier wird die Leistung von Arrhenius sehr spannend und plastisch beschrieben.
Ebenso wird beschreiben, warum CO₂ der entscheidende Faktor ist, auch wenn Wasserdampf das viel wirksamere Klimagas ist. - Idealisiertes Treibhausmodell
Einen ersten Einblick, wie man auf einfachste Weise errechnen kann, wie sich die Temperatur auf einem Planeten einstellt, kann diese Beispielrechnung geben. Sie offenbart nicht alles, zeigt aber ein Grundprinzip. - Menge und Quelle des CO₂ der Atmosphäre
- The Discovery of Global Warming