Wie ist es erklärbar, dass ein Anstieg von 200 ppm Kohlendioxid in der Atmosphäre einen Temperaturanstieg in der Größenordnung von 1 - 2 K bewirkt?
Die Erdatmosphäre enthält unter anderem, je nach Wetterbedingungen, bis zu 4 % Wasserdampf. Ein Wassermolekül ist im IR- und NIR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums ein sehr potentes Teilchen hinsichtlich seiner Absorptionsfähigkeit. Nach meiner Erfahrung mit der NIR-Spektroskopie schätze ich Wirkung eines Wassermoleküls als deutlich stärker ein als die eines Moleküls von Kohlendioxid. Und da etwa 100-mal mehr Wasser in der Atmosphäre ist als CO2, fällt es mir schwer, dem Einfluss von Änderungen der CO₂-Konzentration im ppm-Bereich Bedeutung zuzumessen. Kann jemand erklären, warum die Zunahme eines Klimagases im unteren Prozentbereich aller Gase eine derart katastrophale Wirkung haben kann?
7 Antworten
Alsooo ...
Die Sonne sendet ca. 1350 W/m^2 zur Erdumlaufbahn (senkrecht zur Einstrahlrichtung). Hierdurch wird die Erdoberfläche, mit allem was da drauf ist, erwärmt. Im Wesentlichen durch die Erdoberfläche wird auch die Atmosphäre erwärmt. In der Atmosphäre sind vor allem Wasserdampf (und auch kondensiertes Wasser in Wolken), aber auch Kohlendioxid, Methan usw. die die Wärme aufnehmen und wieder abstrahlen. Hierdurch entsteht eine "warme" Atmosphäre. Oder:
Dieser Teil des Prozesses führt zur Aufwärmung der Erde und des Klimas.
Nun wird es auf der Erde nicht immer und immer wärmer, die Wärme wird auch wieder abgestrahlt. Solange die Konzentration von Wasserdampf und im zweiten von CO2 oder bspw. auch C2H6 hoch genug ist, strahlen H2O-Moleküle Infrarotstrahlen ab und andere Moleküle absorbieren sie wieder. Das gleiche für CO2 et al. In diesen Luftschichten ist die Wärme im Gleichgewicht.
In höheren Luftschichten wird die Konzentration im Besonderen von CO2 dünner, hier gibt es immer noch CO2-Moleküle, die Infrarot abstrahlen, aber weniger, die es wieder aufnehmen. An diesem "CO2-Spiegel" (als Analogon zu Wasserspiegel) wird netto Wärme wieder in den Weltraum abgestrahlt.
Dieser Teil des Prozesses führt dazu, dass sich die Erde nicht immer weiter aufheizt.
Betrachten wir nur einmal den CO2-Spiegel. Die Temperatur des CO2-Spiegels bestimmt, wieviel Wärme abgestrahlt wird. Das ist zueinander proportional. Läge der CO2-Spiegel etwas niedriger, wäre die Temperatur etwas höher und es würde mehr Wärme abgestrahlt.
Durch immer mehr CO2 in der Atmosphäre ist der CO2-Spiegel aber gestiegen. Seine Temperatur ist niedriger und dadurch wird netto weniger Wärme abgestrahlt.
Et voilà: Es kommt zur Klimaerwärmung.
(Anm.: Daher kann CO2 mit einem Anteil von rund nur 400 ppm das Klima so stark beeinflussen.)
Vereinfacht formuliert, wird dadurch der Anteil der IR Strahlung, der eigentlich wieder ins Weltall reflektiert werden soll, zurückgehalten. Die Energie muss ja irgendwo hin, wird also an die Umgebung abgegeben. Ich hab mal ne Folie von meiner Env Chem Klasse beigefügt.
S ist die Solarkonstante.
Die Erde besitzt eine Blackbody Temperatur von -18°C (Te). Du siehst jetzt schon, dass sehr viel Energie von der Erde abgegeben wird, und eigentlich wieder zurückmöchte. Das passiert aber nicht, wenn CO2 im Weg ist.
Wenn Du Dir mal anschaust, was eigentlich alles reflektiert und absorbiert wird, sollte Dir eigentlich sofort klar werden, dass 200 Moleküle mehr bei den Mengen an Energie schon was bewirken können. Vereinfacht gesagt, spielt das Gesetz von Stefan-Boltzmann mit rein:
Die Energie, die von einem Körper ausgestrahlt wird (Schwarzkörper) ist proportional zur 4. Potenz der (Körper)Temperatur. Durch das Aufheizen (langsames) aufheizen summiert sich das sehr schnell.
Du verwechselt da den Anstieg an Prozentpunkten mit dem prozentualen Anstieg.
Vorindustriell 280 ppm (=0,028%), inzwischen 415ppm (=0,0415%).
Dieser Anstieg ist etwas höher als eine einprozentiger Zuwachs ;-)
Ich verwechsle gar nichts. Ich bezog auf die Gesamtheit der Klimagase einschließlich des Wassers. Hatte aber aufgrund einer falschen Basis von 2,6 % ohnehin einen Fehler in meiner Überschlagsrechnung, da Wasser in der Atmosphäre nur zu 0,4 % vorhanden ist. Da machen 200 ppm schon 5 % Zuwachs und erklären damit hinreichend 1 - 2 K Temperaturanstieg.
Kennst du diese Grafik hier?
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d3/Atmospheric_Transmission_de.png
Es kommt ja nicht nur darauf an, wie stark das jeweilige Molekül bei der jeweiligen Wellenlänge absorbieren kann, sondern auch wie viel dort emittiert wird. (und natürlich wieviel Energie das Molekül überhaupt aufnehmen kann).
Jenseits von 20um, wird halt wenig emittiert, zwischen 10 und 20um deutlichmehr und Richtung 10um absorbiert H2O kaum noch, die größte Intensität bei der Emission liegt aber knapp über 10 um.
Und beim H2O könnten auch Sättigungseffekte auftreten, gerade dort wo die Intensität niedrig ist - mehr als alles absorbieren geht nicht.
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Das heißt natürlich nicht, daß Wasserdampf keinen Beitrag leistet und nicht potent ist, allerdings können wir den Wassergehalt in der Atmosphäre im besten Falle mittelbar beeinflussen.
Leider sind die Spektren für mich nicht sonderlich erhellend, weil keine Angaben zu erkennen sind, wie diese angefertigt wurden. Ungewöhnlich auch, dass viele Banden einfach bei 1 abgeschnitten sind. Wenn ich davon ausgehe, dass die Spektren mit den gleichen Maßstäben für die Absorption versehen sind, dann liefert die Integration über das Wasserspektrum einen ungleich größeren Wert als der des CO2. Und wenn ich dann noch berücksichtige, dass die Wasserkonzentration in der Atmosphäre bis zu 100-fach höher ist als die momentane CO2-Konzentration, dann verstehe ich nicht, dass 100 ppm CO2 mehr die Auswirkungen auf das Klima haben soll, die ihm zugemessen werden. Ich möchte hier nicht den Klimaskeptiker spielen, ich möchte es nachvollziehen und verstehen können.
Ungewöhnlich auch, dass viele Banden einfach bei 1 abgeschnitten sind.
Prozentuale Angaben haben nunmal Werte von 0 bis 1. Zunächst einmal müßtest Du beim Emissionspektrum integrieren, um überhaupt mal zu sehen, wie viel Energie im Verhältnis für die Brreiche zur Verfügung steht.
Letztlich kann nur absorbiert werden, was auch da ist und auch nur bis zur Sättigung.
Die Grafik erschwert das insofern, als daß die Darstellung logarithmisch ist.
Dort wo beide konkurieren kannst du dann anfangen Dir Gedanken über das Stoffverhältnis zu machen. Nur bitte nicht auf Basis des Globalverhältnisses. Aus dem gleichen Grund aus dem die Dichte in der Höhe abnimmt, ändert sich auch das Verhältnis der Verbindungen zueinander.
Wie dem auch sei, ein erster Schritt wäre wohl mal die Strahlungskurve für 255K zu nehmen und über die Bänder je Molekülart zu integrieren, um zu sehen aus welchen Energiemenge jeweils geschöpft werden kann. Das Verhältnis ist ganz grob 1:1. Hatte ich erwähnt, daß H2O für 60% des natürlichen Treibhauseffektes verantwortlich gemacht wird?
von dieser Konzentration hängt das Gleichgewicht von ein- und ausgehender Strahlung empfindlicher ab als von den meisten anderen Stoffen. Dazu kommt, dass das globale Klima empfindlicher von der Durchschnittstemperatur abhängt als die meisten anderen thermischen Prozesse (ein oder zwei Grad klingt ja nicht nach viel, aber die Balance zwischen Polareis und kein Polareis braucht nicht viel um zu kippen).
Der Wasserdampf hat einen größeren Effekt als das CO2 - aber er ist konstant. Außer bei Erwärmung, die erhöht den Wassergehalt und verstärkt dadurch die Erwärmung :-(
Der Wasserdampf absorbiert aber noch nicht die gesamte Strahlung der Erde, besonders wenig in dem Bereich (15 - 20 µm), in dem das CO2 absorbiert. So dass sich die beiden perfekt ergänzen.
Die Erhöhung des CO2 ist "vernachlässigbar", wenn man den gesamten Treibhauseffekt betrachtet, der dafür sorgt, dass die Erde für uns bewohnbar ist - der macht so um die 30 Grad Unterschied. Da kommt es auf 3 Grad mehr oder weniger nicht an, die Erde ist weiterhin für Menschen bewohnbar. Nur nicht für so viele, und nicht dort, wo sie heute wohnen.
Zusätzlich 200 ppm mehr Klimagas (CO2) zu bereits vorhanden von durchschnittlich 2,6 % sind weniger als ein einprozentiger Zuwachs. Sorgte vorher die Summe aller Klimagase für einen Treibhauseffekt von 33 K, dann würde ich nach meiner Logik erwarten, dass dadurch die Temperatur um rund 0,3 K ansteigen sollte. Aber offenbar ist das alles nicht so simpel.
> zu bereits vorhanden von durchschnittlich 2,6 %
ich schätze, Du meinst damit den Wasserdampfgehalt der Luft? Das wären 30 g/m³, so viel Wasser hast Du vielleicht im tropischen Regenwald, denn dafür brauchst Du mindestens 30°C, da sind das dann 100% relativer Luftfeuchtigkeit.
Die relative Luftfeuchtigkeit liegt meist deutlich tiefer, die Temperatur in Bodennähe im Mittel 15°C, macht dann vielleicht noch 10 g/m³. In der Höhe wegen geringerer Temperatur noch deutlich weniger. Und schon sind die 200 ppm Zuwachs mehrere Prozent des vorhandenen...
Vielen Dank. Ich hatte die 2,6 % irgendwo gelesen und jetzt noch einmal verschiedene andere Quellen recherchiert. Da wird dann meist ein Massenanteil von 0,4 % Wasserdampf genannt. Mit diesem Wert sieht dann die Rechnung schon sehr plausibler aus. Da macht ein Plus von 200 ppm CO2 schon 5 % aus. Und 5 % von 30 K des natürlichen Treibhauseffektes sind immerhin schon 1,5 K.
Danke, das ist mir alles bekannt, aber: Zusätzlich 200 ppm mehr Klimagas (CO2) zu bereits vorhanden von durchschnittlich 2,6 % sind weniger als ein einprozentiger Zuwachs. Sorgte vorher die Summe aller Klimagase für einen Treibhauseffekt von 33 K, dann würde ich nach meiner Logik erwarten, dass dadurch die Temperatur um rund 0,3 K ansteigen sollte.