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ZETTELS KLEINES ZIMMER

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Kommentare/Diskussionen zu "Zettels Raum"  
Zettel

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05.12.2010 15:17
Physik des Treibhauseffekts antworten

Zitat von Gansguoter
a) Soweit ich verstanden habe, soll das CO2 die Wärmeabstrahlung von der Erde stören und Wärme zurückreflektieren, so dass es dadurch zum Treibhauseffekt kommt. Warum lässt das CO2 die Strahlung von der Sonne zwar rein, aber nicht raus?


Berechtigte Frage, wenn es so wäre. Aber dieser "Treibhauseffekt" funktioniert eben gerade nicht wie im Treibhaus des Gärtners.

Dort kommt die Erwärmung dadurch zustande, daß sich die Luft im Inneren durch die einfallende IR-Strahlung erwärmt und diese Wärme nicht vollständig durch Konvektion an die Umgebung abgegeben wird, weil Glas ein guter Isolator ist. Das ist das Schöne an Fenstern: Sie schirmen kaum gegen elektromagnetische Wellen ab, sind aber gute Isolatoren. Ich kann deswegen jetzt auf das weiße Feld da draußen gucken und habe es trotzdem mollig warm.

Beim sogenannten "Treibhaus-Effekt" ist es ganz anders; eben nicht wie im Treibhaus oder wie in meinem Arbeitszimmer. Nämlich, kurz zusammengefaßt, so:

Die Erde ist kein Schwarzer Körper, sondern sie reflektiert einen Teil der einfallenden IR-Strahlung. Hätte sie keine Atmosphäre, dann würde sich ihre Oberflächentemperatur allein durch das Verhältnis von einfallender und reflektierter Strahlung bestimmen, der Albedo. Diese sogenannte effektive Temperatur der Erde liegt bei ungefähr 255 Grad Kelvin, gleich -18 Grad Celsius.

Daß wir tatsächlich eine mittlere Temperatur von ungefähr 15 Grad Celsius auf der Erde haben, liegt am Treibhauseffekt, für den hauptsächlich Wasserdampf verantwortlich ist.

Wasserdampf wirkt nicht wie das Glas im Treibhaus als Isolator, der Konvektion verhindert. Konvektion spielt bei diesem Mechanismus überhaupt keine Rolle, denn der die Atmosphäre umgebende Weltraum kann sich mangels Molekülen nicht durch Konvektion erwärmen.

Der Mechanismus ist ein anderer: Der Wasserdampf in den höheren Schichten der Atmosphäre, wie auch das CO2 und andere Treibhausgase erwärmen sich durch die von der Erdoberfläche reflektierte Strahlung und wirken dadurch ihrerseits als Wärmequelle. Sie strahlen nach allen Richtungen Wärme ab; auch in den Weltraum, aber eben ungefähr zur Hälfte auch zurück auf die Erde. Dadurch ist es auf der Erde um rund 33 Grad wärmer, als es ihrer effektiven Temperatur entspricht. Wir haben sozusagen neben der entfernten Sonne noch eine zweite Heizung, direkt über unseren Köpfen. Wie wirksam sie ist, kann man sehen, wenn man eine sternklare Winternacht mit einer wolkigen vergleicht.

Zitat
b) Wie ist zu erklären, dass eine Veränderung im Zehntel-Promille-Bereich für Temperaturveränderungen im Grad-BEreich verantwortlich sein soll? Der Unterschied zwischen Venus und Erde liegt auf der Hand; der Unterschied von 0,038 auf 0,041 % sieht minimal aus.


Die Venus hat eine effektive Temperatur von ungefähr 220 Grad Kelvin (-58 Grad Celsius). Also niedriger als die Erde, obwohl die Venus näher an der Sonne ist; das liegt an ihrer anderen Albedo.

Diese effektive Temperatur der Venus von 220 Grad Kelvin wird durch den Treibhauseffekt auf 730 Grad Kelvin erhöht. Die tatscächliche Temperatur beträgt also fast das dreieinhalbfache (331 Prozent) der effektiven Temperatur. (Bei Grad Kelvin kann man so rechnen, weil es sich, anders als bei Grad Celsius, um eine Verhältnis- und nicht eine Intervallskala handelt).

Die effektive Temperatur der Erde liegt, wie erwähnt, bei 255 Grad Kelvin. Sie wird durch den natürlichen Treibhauseffekt auf 288 Grad Kelvin erhöht. Die tatsächliche Temperatur beträgt also das 1,3fache der effektiven Temperatur.

Die CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre ist zwischen 1960 und 2010 von 315 auf 385 ppmv gestiegen; ein Anstieg also auf das ungefähr 1,22fache.

Der Anstieg der globalen Temperatur zwischen 1960 und 2010 liegt in einer Größenordnung von vielleicht 0,4 Grad Celsius.

Der natürliche Treibhauseffekt der Erde (hauptsächlich aufgrund von Wasserdampf und CO2) liegt, wie gesagt, bei einer Erhöhung der Temperatur um rund 33 Grad Celsius.

Die Größenordnung der jetzigen globalen Erwärmung ist also geringfügig im Vergleich zu der Erwärmung (gegenüber der effektiven Temperatur) durch den natürlichen Treibhauseffekt. Ebenso ist die Zunahme des CO2 in der Atmosphäre zwar als solche beträchtlich, in Relation zur Gesamtheit der Treibhausgase (der Effekt des CO2 liegt bei einem Zehntel bis einem Viertel des Gesamteffekts) aber ebenfalls geringfügig.



Abwegig ist die Rückführung der globalen Erwärmung auf die Zunahme von CO2 von den Größenordnungen her somit nicht.

In welchem Umfang und mit welcher Genauigkeit die gemessene Erwärmung auf die erhöhte Konzentration von CO2 zurückgeführt werden kann, hängt aber natürlich von den konkreten Modellannahmen an, bei denen Rückkopplungsprozesse besonders kritisch sind. Ein solcher Rückkopplungsprozeß besteht zum Beispiel darin, daß mit steigender Temperatur mehr Meerwasser verdampft und dadurch die Wolkenbildung zunimmt.

Die Wolkendecke hat nun dummerweise einen doppelten Effekt: Einerseits ist der Wasserdampf in der Atmosphäre, wie gesagt, ein Treibhausgas. Andererseits wirken Wolken aber auch als ein Reflektor, der weniger Wärmestrahlung durchdringen läßt. Im Schatten ist es kühler als in der Sonne.

Das sind die Punkte, wo - soweit ich das beurteilen kann - die Modellannahmen unsicher sind und wo man schlicht mehr Messungen braucht. Modelle werden, ich habe es schon einmal erwähnt, in dem Maß weniger wichtig, in dem man Daten hat.

Zitat
c) Hat man experimentell überprüft, wie sich eine Atmosphäre mit 0,038 und mit 0,041 % CO2 verhält? Ich denke da als Versuchanordnung an zwei hermetisch abgeschlossene Gewächshäuser, die in gleicher Weise der Sonne ausgesetzt sind. In dem edinen Gewächshaus müsste es doch dann wärmer werden. Oder?


Es ist, wie erläutert, ja ein ganz anderer Effekt.

Vermutlich kann man die Vorgänge beim Treibhauseffekt mehr oder weniger im Labor simulieren; ich weiß nicht, ob das gemacht wird.

Um den Mechanismus nachzuweisen, ist das nicht erforderlich. Dieser ist als solcher gängige Physik. Die Frage ist nur, wie stark er sich auf das Klima auswirkt.

Herzlich, Zettel

Nachtrag: Siehe auch den Beitrag von Michel, den ich erst gesehen habe, nachdem ich diesen Text geschrieben hatte. Er weist zu Recht auf den logarithmischen Zusammenhang zwischen CO2-Konzentration und Anstieg der Temperatur hin, den ich auch hätte erwähnen sollen.

Auch dieser ist als solcher nicht strittig; es geht um Rückkopplungsprozesse, die ja übrigens grundsätzlich auch negativ sein könnten, also den Effekt verringern. Kritisch ist das besonders bei der Wolkendecke.


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