Gibt es den Treibhauseffekt? Im Teil 2 der Abhandlung schauen wir uns anhand der Physik an, wie die Temperatur auf einem Planeten zustande kommt. Wir untersuchen, was Ursache für die Globale Erwärmung sein kann und wir lernen, wie wir mögliche Ursachen bestätign oder ausschließen können. zu Teil 1.
Energiebilanz
Das Erste, was man tut, wenn man ein System untersucht, in dem es um die Verteilung von Energie geht: Man stellt die Energiebilanz des Systems auf, oder hier die Leistungsbilanz. Daraus leitet sich in diesem Fall direkt die Temperatur des Planeten ab.
Der Planet befindet sich im Vakuum. Er kann daher von und nach Extern Energie nur durch Strahlung austauschen.
Die Leistung, die aus dem Weltraum kommt und von der Erde absorbiert und damit in Wärme umgesetzt wird, ist
P = (1-α) S π r²
Die Leistung der Sonneneinstrahlung (S), Minus die Leistung des reflektierten Sonnenlichts (α S); relevant ist die sonnenbeschienene Fläche.
Die Leistung, die die Erdoberfläche in den Weltraum in Form von Wärmestrahlung abstrahlt, ist
P = ε (σ T⁴) 4 π r²
Stefan-Boltzmann-Gesetz; relevant ist die gesamte Erdkugelfläche.
mit
S: Strahlungsleistung der Sonne, die den Planeten erreicht (~1367 W/m²)
T: Oberflächentemperatur des Planeten (~287 ±1 K)
α: Albedo des Planeten (~0,3)
ε: Emissionsgrad; wird durch die Treibhausgase beeinflusst (≳ 0,6)
r: Radius des Planeten
π: Kreiskonstante
σ: Stefan-Bolzmann-Konstante (5,67e-8 W/m²/K⁴)
Die Erde befindet sich im stationären Fall im Strahlungsgleichgewicht mit ihrer Umgebung, dem Weltraum. Tut sie das nicht, erwärmt sie sich oder kühlt ab, bis der stationäre Fall erreicht wird. Die eintreffende, absorbierte Sonnenstrahlung ist im Mittel also gleich der ausgehenden Wärmestrahlung (Energieerhaltung):
(1) (1-α) S π r² = ε (σ T⁴) 4 π r²
Absorbierte Sonnenstrahlung = Emittierte Wärmestrahlung des Planeten
Daraus ergibt sich, kürzt man π r² weg:
(2) (1-α) S = 4 ε σ T⁴
Diskussion der Leistungsbilanz
Was passiert nun, wenn die Sonnenstrahlung etwa unverändert bleibt, der Emissionsgrad aber durch mehr Treibhausgas verringert wird?
Dann muss T⁴ entsprechend um den Faktor größer werden wie ε kleiner wird. Nach Gleichung (2) gilt:
T⁴ ~ 1/ε
Schüler am Gymnasium können die Gleichung auch entsprechend differenzieren. Beispiel:
Lässt man nur Änderungen des Emissionsgrads (Veränderung des Treibhauseffekts) und Veränderung der Temperatur zu und nimmt man S und α als konstant an, dann erhält man durch Differenzieren:
(3) 0 = 4 𝛥ε (σ T⁴) + 4 ε (4 σ T³ 𝛥T)
Das ergibt:
(4) 𝛥T = – (T 𝛥ε ) / (4 ε)
bzw.
(5) 𝛥T/T = – ¼ 𝛥ε/ε
Ist also 𝛥ε negativ, durch mehr Treibhausgase, so steigt die Temperatur. Sie kann gar nicht anders, wegen der Energieerhaltung (siehe Gleichung (1). – Das geschulte Auge sieht das natürlich auch sofort in der Gleichung (1), zu Beginn der Rechnung.
Ändert sich ε um -2%, dann erhöht sich die Temperatur um 0,5%. Das entspricht auf der Erde einer Erwärmung von etwa 1,4 °C.
Andere Ursachen – Die Sonne?
Man kann auch die anderen Faktoren entsprechend untersuchen. Überprüfen wir die Aussage, die Erwärmung würde durch die Sonne verursacht:
S schwankt natürlich um 0,1%. Aus Gleichung (2) ergibt sich damit, dass dadurch T um 0,025% schwankt. Das sind 0,07°C. Selbst wenn man ein Wasserdampf-Feedback hinzu nimmt, liegt das Ergebnis eine Größenordnung unter der heute festgestellten Temperaturanomalie. Damit haben wir die Aussage „Die Sonne ist Ursache“ erfolgreich falsifiziert. Die Sonne kann nicht Ursache der Globalen Erwärmung sein.
Auch die Albedo schwankt so gering, dass sie ebenfalls nicht Ursache sein kann.
Bleibt als Ursache der Emissionsgrad ε. Der Treibhauseffekt. Das können wir seit der Entdeckung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes (1879, bzw. 1884) rechnen, wie oben dargesellt.
Weitere mögliche Faktoren?
Manche mögen nun anfügen, dass weitere Faktoren möglicherweise nicht berücksichtigt sind. Auch weitere Faktoren kann man untersuchen, indem man sie testweise in der Gleichung berücksichtigt.
So gibt zum Beispiel die Erdwärme ebenfalls Energie an die Oberfläche des Planeten ab und trägt damit zur Erhöhung des Energieniveaus, also der Temperatur, bei. Das kann man in die Gleichung (1) einbauen und untersuchen. Geben wir die Leistungsdichte der Erdwärme mit E in W/m² als Energieeintrag zur gesamten Erdoberfläche an, führt das auf
(1-α) S/4 + E = ε σ T⁴
mit E < 0,05 W/m² und (1-α) S/4 ≈ 239 W/m²
Wir erkennen sofort, was auch Fourier 1824 noch aufwendig mit seinen Untersuchungen festgestellt hat: Der Beitrag der Erdwärme ist viel zu klein. Er ist vier Größenordnungen kleiner als die anderen Faktoren. Zu klein, um einen signifikanten Einfluss haben zu können. Der Wert liegt weit unterhalb der Messungenauigkeit der anderen Werte, geht also im Fehlerrauschen unter und kann damit komplett vernachlässigt werden. Wir müssen den Beitrag der Erdwärme also nicht weiter berücksichtigen, da er das Ergebnis nicht signifikant beeinflusst.
Und ohne Treibhauseffekt?
Wenn wir annehmen, dass es keinen Treibhauseffekt gäbe, dann müssen wir in Gleichung (2) das ε=1 setzen, da nun alle Wärmestrahlung zu 100% die Erde auf direktem Wege verlassen kann. Wir erhalten:
(2b) (1-α)S = 4 (σ T⁴)
Wenn wir diese Gleichung nach T auflösen, dann erhalten wir eine globale Durchschnittstemperatur T von etwa -18°C. Dieser Wert ist offensichtlich falsch. Wie Fourier 1824 bereits feststelle, muss es einen Treibhauseffekt geben. Die Annahme, es gäbe keinen, ist offensichtlich falsch.
Geschichte
Wenn man ganz am Anfang anfängt, dann fängt man bei Fourier an. Der hat 1822 die Gesetze zur Wärmeleitung erforscht. Im Anschluss hat er untersucht, wie die Erde zu ihrer Temperatur kommt. 1824 kam er dabei zu dem Schluss, dass etwas in der Atmosphäre sein muss, das die Abstrahlung der Wärmestrahlung behindert. Anders sind die Temperaturverhältnisse und Temperaturunterschiede nicht zu erklären. Der Treibhauseffekt.
1856 (durch Eunice Newton Foote) und wesentlich genauer ab 1859 (durch John Tyndall) wurden diese Gase experimentell nachgewiesen und erforscht. Damit waren die vorhergesagten Gase gefunden, die den Treibhauseffekt verursachen.
Rechnen konnte man die ganze Sache erst, nachdem man festgestellt hat, dass es sich bei Licht um elektromagnetische Wellen handelt. Die Klimasensitivität des Planeten, und damit der Effekt einer globalen Erwärmung, wurde damit erstmals 1896 berechnet. Ebenfalls wurde untersucht, wie CO2 endgültig aus dem Kohlenstoffkreislauf wieder entfernt wird. Dies geschieht im Wesentlichen in Form von Kalkstein und dauert 1.000e bis 100.000e von Jahren.
Daraus folgend wurde darauf hingewiesen, dass die Industrialisierung nur temporär auf der Verbrennung fossiler Rohstoffe basieren darf. Es ist also seit rund 125 Jahren klar, dass eine Energiewende notwendig ist und dass diese rechtzeitig erfolgen muss, bevor die Erwärmung zu stark wird.
Aus den angeführten Grundlagen ging die Quantenphysik hervor. Diese bildet die Grundlage unserer Hochtechnologie. Ohne diese Gesetze kein Handy, kein Internet, etc. Wenn du der Ansicht bist, diese Wissenschaft sei falsch, dann ist auch dein Handy falsch und dürfte nicht funktionieren.
Fazit
Mit der hier hergeleiteten Gleichung sieht man sofort, dass jeder, der den Treibhauseffekt leugnet, die Grundlagen der Physik leugnet. Die Energieerhaltung wäre falsch und die Erde wäre ein Perpetuum Mobile.
Solche Wissenschaftler kann man fachlich nicht (mehr) ernst nehmen.
Historische Quellen
- Fourier, 1824: Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétai
- Burgess, englische Übersetzung von Fourier: On the Temperatures of the Terrestrial Sphere and Interplanetary Space
- Arrhenius – ON THE INFLUENCE OF CARBONIC ACID IN THE AIR UPON THE TEMPERATURE OF THE EARTH – 1897PASP____9___14A
- Callendar-1938-Quarterly_Journal_of_the_Royal_Meteorological_Society
Nehmen wir den Treibhauseffekt mal als gegeben hin. Die eigentliche Frage ist doch welchen Anteil daran dass CO2 hat. Und dass sollte man doch physikalisch nachweisen können.
D.h. wenn die Erde x% der reinkommenden Energie wieder abstrahlt, dann hat diese Abstrahlung eine definierte Energie, welche durch Wasserdampf, CO2 etc. absorbiert wird. Grob sollte von dieser abgestrahlten Energie 0,04% dem CO2 zugeordnet werden und 0,4% dem Wasserdampf. Praktisch sicher noch weniger, da CO2 nur eine bestimmte Wellenlänge dieser Energie absorbiert und von dieser absorbierten Menge wiederum nur 50% zur Erde zurückkommen.
Das Ergebnis müsste doch eine klare Energiemenge sein, welche Jahr für Jahr weniger in das All abgegeben wird und dieses Delta über mehrere Jahre addiert ergäbe die Temperaturänderungen. Wenn meine Überlegung nun so einfach ist, dann kann man diese doch exakt berechnen.
Dieses Delta hat nun natürlich viele weitere Auswirkungen (mehr Wasserdampf, Erdoberfläche Wälder, usw.). Als Ausgangsbasis würde mir das aber für weitere Überlegungen helfen.
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Du hast die Energieerhaltung nicht verstanden.
Im stationären Fall ist die Einstrahlung immer gleich der Abstrahlung.
Der Treibhauseffekt behindert nun die Abstrahlung.
Es muss also von der Erdoberfläche mehr Strahlung abstrahlen, damit wieder 100% der Einstrahlung im Weltall ankommen werden.
Das bedeutet, die Erdoberfläche muss entsprechend wärmer werden, da die Abstrahlung der Oberfläche von deren Temperatur abhängig ist.
Beispiel: Der Emissionsgrad sei 61%, d.h. 61% der Strahlung der Oberfläche erreichen den Weltraum. Dann muss die Oberfläche um 64% stärker strahlen, als bei einem Emissionsgrad von 100%. D.h. die Oberflächentemperatur muss sich entsprechend um etwa 13% erhöhen.
In der Zeit, in der eine solche Anpassung der Temperatur erfolgt, ist dann natürlich die Leistungsbilanz nicht ausgeglichen.
Der Wasserdampf bleibt nicht eigenstabil in der Atmosphäre. Das Wasser regnet recht schnell wieder ab. Ohne weitere, langfristig in der Atmosphäre verbleibender Treibhausgase würde der Wasserdampf also abnehmen, die Temperatur nimmt ab, was zu noch weniger Wasserdampf führt. (Wolken haben einen Anteil von 0,004% an der Atmosphäre, und wie wir wissen eine erhebliche Wirkung auf Temperatur und Wetter)
Hat man hingegen ein langfristiges Treibhausgas in der Luft, wie das CO2, so führt das zur Erwärmung. Das wiederum führt zu mehr Wasserdampf, so dass sich eine gewisse Verstärkung einstellt. Man kann sich das vielleicht ein bisschen wie einen Transistor-Verstärker vorstellen. Der Hauptstromfluss geht zwar über Kollektor und Emitter, aber ohne Stromfluss über die Basis kommt dieser schnell zum Erliegen.
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Nun ist mein kompletter Kommentar beim Absenden verloren gegangen und ich muss alles noch mal neu schreiben. Ich hoffe, ich finde all meine Gedanken wieder 🙂
Ob Wasserdampf eigenstabil ist oder nicht, spielt doch keine Rolle, wenn im Mittel immer 0,4% Wasserdampf in der Atmosphäre sind.
Auch hat CO2 sicher einen Anteil auf die Energieabstrahlung der Erde ins All. Was ich aber gerne wissen würde, ist die genaue Energie, welche durch 400ppm zurückgestrahlt wird.
Was du mit Energieerhaltung meinst, verstehe ich nicht. Prinzipiell geht Energie nicht verloren. Doch muss diese doch nicht zwangsweise wieder abstrahlen, sondern kann doch auch auf der Erde bleiben. Energieerhaltung muss doch nicht bedeuten, dass alle Energie, welche ich auf einen Körper abgebe sofort wieder zurückfließen muss. Das kann auch zeitversetzt in vielen Jahren geschehen. Halt wie bei einem Akku.
Aber mal eine andere Behauptung, welche ich noch mit keinem diskutieren konnte.
Wenn wir sämtliche benötigte Energie durch Solar erzeugen, dann erhöhen wir doch die Absorptionsmenge. Will sagen, dass ohne Solar die Energie einfach wieder reflektiert wird und mit Solar wir diese speichern. D.h. also erstmal wir geben mit Solar weniger Energie ab als reinkommt. Wenn wir nun diese gespeicherte Energie vereinfach zum Heizen nutzen, dann erwärmen wir die Erde auch und dies CO2-neutral. In Summe ist dann also die Ursache der Erwärmung zu viele Menschen mit einem zu großem Energiehunger. Und dies völlig egal wie wir die Energie erzeugen.
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Die 0,4% würden ja sinken, wenn der Dampf abregnet. Damit sind es weniger als 0,4%. Damit weniger Treibhauseffekt. Damit weniger warm. Damit weniger Verdunstung. Damit weniger Dampf in der Luft, etc. pp.
Der Wasserdampfgehalt würde deutlich absinken, da er sich nicht selbst erhalten kann.
Energieerhaltung:
Würde immer etwas mehr Energie auf der Erde bleiben, würde sie immer wärmer, bis sie wärmer wäre als alles im Universum, und dann würde sie immer noch immer wärmer, bis sie mehr Energie besitzen würde, als das Universum. Das kann aber nicht sein.
Körper streben danach, mit Ihrer Umgebung im Gleichgewicht zu sein.
„Kleine Mengen“ vorübergehenden Ungleichgewichts hatte ich ja angesprochen.
Solarenergie:
Eine Solarzelle hat eine Albedo von etwa 0,3. Das entspricht der durchschnittlichen Albedo der Erde. Auch ein Hausdach hat etwa 0,3. D.h. der Einfluss auf die absorbierte Energie ist vernachlässigbar.
Selbst wenn das nicht so wäre, ist der Beitrag sehr gering, da im Vergleich zur Erdoberfläche recht wenig Solarfläche benötigt wird. Dazu kommt, dass die Natur CO2 ggf. entsprechend weiter herunter regeln würde. Das dauert aber Jahrhunderte oder Jahrtausende. Daher 1896 die Erkenntnis, dass eine Energiewende zwingend notwendig ist. Ist erst einmal zu viel CO2 in der Luft, hat man sehr lange ein sehr ernstes Problem.
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Wenn ich Sie recht verstehe, beschreiben Sie nichts anderes als ein Fließgleichgewicht.
Eine Badewanne mit offenem Stöpsel füllt sich bei ausreichend hohem Volumenstrom aus dem Wasserhahn so lange, bis die zunächst steigende Höhe der Wassersäule den Volumenstrom über den Abfluss auf exakt den Wert des Zuflusses ansteigen lässt.
In diesem Modell ist der Zufluss die Sonneneinstrahlung, der Fluss über den Ablauf die Abstrahlung in das All und der Wasserstand die Oberflächentemperatur. Durch geringe Veränderungen am Durchmesser des Ablaufes ließe sich eine deutliche Veränderung am Wasserstand bewirken (hier also vergleichbar mit dem sog. Treibhauseffekt).
Zwei Dinge sind mir aufgestoßen:
1. Die im Text nicht belegte Setzung „S schwankt natürlich um 0,1%.“
Ist dies in einer Ihrer Quellen belegt? Dann bitte ich um Entschuldigung. Falls nicht, müssen Sie dies nachholen, denn sonst ist der ganze Text wertlos.
2. An keiner Stelle wird auf den tatsächlichen Anteil des CO2 am Treibhauseffekt eingegangen. Eine Quantifizierung der Energieabsorption durch CO2 erscheint mir unerlässlich, fehlt aber leider.
Nicht im Text, aber in der ganzen Diskussion grundsätzlich fragwürdig:
3. Es wird, z.B. in der Diskussion um sog. Kipppunkte, immer so getan, als ob es sich hier um ein System mit ausschließlich positiven Rückkopplungen handelt. Ein solches System ist jedoch instabil und zerfällt unmittelbar nach Entstehung wieder. Das ist beim „System Klima“ offenkundig nicht der Fall. Erdhistorisch hatten wir Phasen mit 6000 ppm CO2 und mehr (warum eigentlich?).
Auch ist nicht nur Kalkstein ein langfristiger CO2-Speicher. Kohle, Öl und Gas sind ja genau das. Und auch die (real feststellbare und ihrerseits wiederum im Fließgleichgewicht mit der CO2-Konzentration stehende) Zunahme an Vegetation speichert CO2.
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Ganz kurz, weil spät ist:
zu 1. muss ich dann ggf. nachholen
zu 2. die genaue Quantifizierung zu CO2 ist nichttrivial
zu 3. Die meisten Feedbacks sind tatsächlich positiv
Ein entscheidendes Feedback ist negativ. CO2 wird hauptsächlich durch Einlagerung in Form von Kalkstein in den Erdmantel aus dem Kohlenstoffkreislauf entfernt. Dieser Prozess ist temperaturabhängig. Je höher die Temperatur, desto mehr CO2 wird entfernt. Dieser Mechanismus hält den CO2-Level bzw. die Temperatur in unserer Klimaphase konstant in einem lokalen Systemgeleichgewicht – wenn man nicht mehr CO2 zu führt, als der Prozess regeln kann.
Die Speicher Kohle, Öl und Gas sind vernachlässigbar, wenn man das mit der Menge an Kalkstein vergleicht. Vegetation ist immer ein temporärer Speicher. Nach dem Tod der Pflanze landet das Gas in der Regel wieder in der Luft.
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