CO2-Strahlungsantrieb und CO2-Klimasensitivitaet 

Fortsetzung der Diskussion um die inhaltlichen Probleme der  Monografie zur "Klimaphysik"

*Unter heutigen klimatischen Verhältnissen beträgt die maximale Direktabstrahlung der Erdober­fläche ins All, bei global klarem Himmel, etwa 63 W/m² - exklusiv in den Wellenlängen des IR-Strahlungs­fensters. Innerhalb der Wellenlängen des IR-Strahlungsfensters wird der dort emittierte  Teil der Bodenwärmeabstrahlung unmittelbar ins All abgestrahlt, weil er in diesem Wellenlängen­bereich auf keine Absorber der hauptsächlichen IR-aktiven Gase in der Atmosphäre trifft (mit Ausnahme von troposphärischem Ozon, das hierbei vernachlässigt werden soll). Mit Trenberth et al. [1], 2009, teilt sich diese Nettostrahlung für mittlere klimatologische Verhältnisse, insbesondere mittlere globale Bewölkung, jedoch in einen Teil, der trotz Wolken direkt ins All emittiert wird, und in einen Teil, der innerhalb des Fensters von vorhandenen Wolken absorbiert, nach oben transportiert und schließlich in die Atmosphäre emittiert wird, auf. Der Direktabstrahlungsteil ist mit 40 W/m² ausgewiesen. Für die Abstrahlung aus den Wolken werden etwa 30 W/m² ausgewiesen. Nach Miskolczi [2] beträgt der Gesamtanteil im IR-Strahlungsfenster 61 W/m²; nach dem Autor [3] wird er im Mittel mit 63 W/m² angegeben¹. In jedem Falle gilt: Was vom Boden innerhalb des IR-Strahlungs­fensters emittiert wird, gelangt entweder direkt ins All oder wird an der Bewölkung absorbiert. Es verbleibt ein Strahlungsanteil, der vom Boden in Richtung Atmosphäre emittiert wird, der aus der Gesamtabstrahlung minus der Abstrahlung innerhalb des Strahlungsfensters besteht: im Mittel 396 W/m² - 63 W/m² = 333 W/m². Und dieser Strahlungsteil trifft – ebenfalls außerhalb des IR-Strah­lungs­fensters – auf eine atmosphärische Gegenstrahlung von genau der gleichen mittleren Intensität von 333 W/m², die von einer effektiven Temperatur von rund 277 K aus der unteren Atmosphäre stammt.

Hin- und Gegenstrahlung kompensieren sich; s. dazu noch einmal das dazugehörige Bild:.

Die maximal mögliche Direktabstrahlung der Erdoberfläche bei global klarem Himmel von etwa 63 W/m² erweist sich als eine Schlüsselgröße der Klimatologie.

Es gibt nur eine Möglichkeit, das IR-Strahlungsfenster teilweise oder ganz für Bodenwärmestrahlung zu verschließen, nämlich in Abhängigkeit vom globalen Wolkenbedeckungsgrad. Bei klarem Himmel werden unter heutigen mittleren globalen Verhältnissen die genannten  63 W/m² direkt vom Boden ins All abgestrahlt. Beträgt die Wolkenbedeckung global 100%, muss man davon ausgehen, dass keine Bodenstrahlung direkt ins All emittiert wird. Beträgt sie im Mittel etwa 60%, wie heute gegeben, werden die von Trenberth et al.[1], 2009, angegebenen 40 W/m² direkt ins All emittiert. S.dazu das Bild:

 ¹Ozawa et al. [4] weisen einen Wert von 66 W/m² als mittlere Nettostrahlung aus, die - gedacht - in einem Atmosphärenpool mit der Effektivtemperatur von 255 K zur Abstrahlung ins All landet. Diese Nettostrahlung kann mit der behandelten Bodenabstrahlung im IR-Strahlungsfenster in Verbindung gebracht werden, indem man sie mit Direktabstrahlung und  Umweg-Abstrahlung über Wolken identifiziert.

*Der atmosphärische CO₂-Strahlungsantrieb ist null. Die Atmosphäre enthält bekanntlich  IR-aktive Gase, darunter das CO₂. Sie könnte folglich prinzipiell auf Wärmestrahlung, die von der Erdoberfläche emittiert wird, reagieren. Wenn jedoch, s. oben, keine Wärmestrahlung der Oberfläche in die untere Atmosphäre eindringen kann, entfällt eine Absorption, selbst wenn mit CO₂ ein dazu bereites Gas vorhanden ist. Im plan-parallelen Modell stehen sich mit unterer Atmosphäre und Erdoberfläche zwei Strahler gegenüber, die in etwa mit gleicher Intensität gegeneinander strahlen.

Die dabei übertragene mittlere Wärme an jeweils den Halbraum (Eddingtonfluss) beträgt nach

    H/Pi = mittlere Strahlungsintensitaet von oben - mittlere Strahlungsintensitaet von unten   

annähernd null. Es wird durch Strahlung keine Wärme vom Boden in die untere Atmosphäre einge­tragen, ebenso wie auch durch die untere Atmosphäre keine radiative Wärme in die Erdoberfläche eingetra­gen wird. Beide Emitter werden „warmgehalten“, d. h. behalten im stationären Fall ihre Temperatur bei.

Damit ist der  atmosphärische Strahlungsantrieb, d. h. der Nettostrahlungsfluss, beispielsweise des CO₂ gleich null. (Das gilt exakt nur für das Modell. In der Realität kann es durchaus vorkommen, dass  die beiden betroffenen Strahlungs­intensitäten nicht exakt gleich sind. Dann wird in geringem Maße Wärme übertragen, und zwar ist das sowohl nach oben als auch nach unten möglich; eine leichte Erwärmung oder Abkühlung kann folglich eintreten.)

*Unbenommen davon ist, dass das CO₂-Molekül IR-aktiv ist. Es kann ihm daher physikalisch eine Klimasensitivitaet zugeordnet werden. Obwohl das CO₂-Molekül nicht, wie das Wassermolekül, über ein permanentes Dipolmoment verfügt, ist es ebenfalls ein IR-aktives Molekül. Ursache sind Defor­mationsschwingungen, hauptsächlich Biegeschwingungen, die das Molekül im Strahlungsfeld aus­führt. Das geschieht vorzugsweise im IR-Wellenbereich, da hier die Wellen energetisch im Schwin­gungs­bereich  der Molekülbindungen liegen. Es stehen folglich im Molekül bewegte elektrische Ladungen zur Verfügung, die ein nicht-permanentes Dipolmoment hervorrufen.

Das Zusammenspiel von Strahlungsantrieb (Radiative Forcing, RF) und Klimasensitivitaet (Lambda) kann nach  einfachen Modellannahmen wie folgt beschrieben werden:

    Delta TS  =  RF  Lamda

Delta T_S  - näherungsweise die Änderung der Oberflächentemperatur bei Auftreten eines Strahlungs­antriebs  RF und Vorhandensein eines IR-aktiven Gases, ausgedrückt durch die Klimasensitivitaet Lambda  (besser wäre hier der Begriff IR-Sensitivität).

Für CO₂ wurde seitens IPCC eine Klimasensitivitaet von etwa Lambda = 1 K/3,7 W m^-2 angegeben. Bei einer Verdoppelung der CO₂-Konzentration soll nach IPCC ein Strahlungsantrieb von 3,7 K m^-2 auftreten. Das würde dann für CO₂ eine Änderung der globalen Oberflächentemperatur von 1 K bedeuten – ohne jede weitere Berücksichtigung von Rückkopplungs- bzw. Verstärkungseffekten. Stattdessen wurde oben dargestellt, dass der atmosphärische CO₂-Strahlungsantrieb null sein muss. Damit kann auch keine positive Änderung der Oberflächentemperatur eintreten – trotz nachweislich vorhandener Klimasensitivitaet des CO₂. Um eine Temperaturerhöhung oder -erniedrigung auf dem Strahlungsweg zu erreichen, muss nach der angeführten Gleichung sowohl eine absorbierbare Strahlung, damit ein Strahlungsantrieb als Änderung des bisherigen Strahlungsgleichgewichts, als auch das Vorhandensein IR-aktiver Gase, mit einer messbaren Klimasensitivitaet, gegeben sein.

*Im Unterschied zum CO₂ führt die Zufuhr von anthropogenem Wasserdampf zu einer nachweis­lichen Klimawirkung. Abschließend sei ein Vergleich zwischen Kohlenstoffdioxid und Wasser hin­sichtlich der Klimawirkung angestellt. Während, s. o., Kohlenstoffdioxid bezüglich der Veränderung seiner Menge in der Atmosphäre offenbar keine oder nur eine sehr geringe Klima­wirkung (und das dann auch noch sowohl in Richtung Erwärmung wie in Richtung Abkühlung) entfalten kann, muss der Wassergehalt anders beurteilt werden. Die Kalt- und Warmzeiten des Pleistozäns weisen darauf hin, dass eine sehr geringe Wasserentzugs- bzw. –zufuhrrate über eine sehr lange Zeit große klimatische Wirkungen zeigen kann, auch wenn der damit verbundene Energieeinsatz (durch Veränderung der Insolation) verschwindend klein im Vergleich zur mittleren Sonnenstrahlung ist. Allein die Zufuhr (oder der Entzug) von Wasser als materieller Substanz vermag über die Klimagröße  Wassergehalt der Atmosphäre die Ausbildung einer pseudo-adiabatischen Temperatursenkungsrate, die durch den globalen adiabatischen Aufstieg von Luft­paketen in der Atmosphäre generiert wird, zu beeinflussen. Je höher der Wassergehalt, desto kleiner die Rate. Es bedeutet: mehr Wasser – höhere Globaltemperatur, weniger Wasser – niedrigere Globaltemperatur (wie die eiszeitlichen Warmzeiten – feuchter und wärmer als heute oder die eiszeitlichen Kaltzeiten – trockener und kälter als heute ausweisen). Ähnlich wie die eiszeitlichen Temperatur­wechsel auf Grund mehr oder weniger Wasser in der Atmosphäre kann man sich vorstellen, dass auch der Mensch mit seiner Wirtschaftstätigkeit den Wassergehalt in der Atmosphäre – zwar nur geringfügig, das jedoch über lange Zeit – beeinflussen kann. (Dass das keine rein akademische Frage ist, zeigt die heutige Entscheidungssituation: Der heute bevorzugte Erdgaseinsatz in der Energie­wirtschaft bedeutet spezifisch mehr Wasserdampffreisetzung in die Atmosphäre als bei Kohle oder Kernenergie – schließlich ist Erdgas bei seiner Verbrennung wegen seiner 4 Wasserstoffatome gegenüber 1 Kohlenstoffatom der am meisten „wasserhaltige“ Brennstoff.)

Literatur:

[1] Trenberth et al.: 2009 earth´s global energy budget. Bull. Am. Met. Soc., 90, 2009, 311-323.

[2] Zagony, M.: The saturated greenhouse effect theory of Ferenc Miskolczi.

http://www.scribd.com/doc/25071132/The-saturated-greenhouse-effect-theory-of-Ferenc-Miskolczi

[3] Brune, W.: Klimaphysik. Leipzig: Edition am Gutenbergplatz, 2011.

[4] Ozawa et al.: The second law of thermodynamics and the global climate system: A review of the maximum entropy production principle. Review of Geophysics, 41, 4/1018, 2003.

http://www.wolfgang-brune.eu/Klimaphysik.html

info@wolfgang-brune.eu

© by Wolfgang Brune, 2011/2012