Fakten zum Klimawandel

In der öffentlichen Diskussion ist wahrzunehmen, dass es Menschen gibt, die den Klimawandel nicht als Fakt und wissenschaftlichen Konsens betrachten, sondern meinen, der Klimawandel sei eine kontrovers und politisch zu diskutierende These. Energiedepesche-Leser Georg Nowak hat diesen Irrtum, der teilweise auch auf unseren Leserbriefseiten anzutreffen ist, zum Anlass genommen, eine wissenschaftlich-physikalische Faktensammlung zusammenzustellen.

(10. August 2021) Wir Menschen haben aus psychologischer Sicht interessante Verhaltensmuster entwickelt. Sobald wir einzelne Teilaspekte einer Sachfrage verstanden haben, neigen wir zur Selbstüberschätzung und meinen trotz objektiver Unwissenheit Gesamtzusammenhänge und komplexe Systeme vollends verstanden zu haben. Bestehende Wissenslücken gleicht unser Gehirn mit naheliegenden Vermutungen aus, sogenanntem „scheinbaren Wissen“, das wir fälschlich für echte Fakten halten. Kurz gesagt, wir neigen dazu, unsere eigene Kompetenz zu überschätzen und sind zugleich nicht in der Lage, unsere tatsächliche Inkompetenz zu erkennen – man spricht vom sogenannten „Dunning-Kruger-Effekt“. Unabhängig davon versuchen bestimmte Interessengruppen die öffentliche Meinung in der Klimawandelfrage zu lenken. Darüber berichtete Ihnen bereits Dr. Eva Stegen in „Marionetten der Fossilwirtschaft“. Diese Hintergründe der Klimawandelleugnung sollen daher im Folgenden nicht weiter beleuchtet werden, sondern die physikalischen Hintergründe des anthropogenen – daher vom Menschen verursachten – Klimawandels.

Wikipedia: Dunning-Kruger-Effekt
skepticalscience.com: Die Geschichte der 5 Techniken der Wissenschaftsleugnung
Wikipedia: Klimawandelleugnung

Eingeständnisse

Selbst Naturwissenschaftler, sogar promovierte Physiker, können bestimmte Teilaspekte übersehen, sodass der wirklich springende Punkt niemandem auffällt. Im Rahmen wissenschaftlicher Publikationen sollen derartige Fehler durch den sogenannten „Peer-Review-Prozess“ auffallen, in dessen Rahmen vor der Veröffentlichung Stellungnahmen anderer Wissenschaftler aus der gleichen Fachrichtung eingeholt werden. Dies funktioniert jedoch nicht immer: Eine Streitschrift von Gerlich und Tscheuschner, die im renommierten „International Journal of Modern Physics“ aufgrund falscher Annahmen behaupteten, den Treibhauseffekt gäbe es nicht, war vor gut zehn Jahren ein ziemlicher Flop des Peer-Review-Prinzips. Genau diese Publikation dient jedoch auch heute noch als Referenz für Klimawandelskeptiker.

Es gibt jedoch auch den umgekehrten Effekt: Forscher des Energiekonzerns ExxonMobil bestätigten in den 1970er Jahren in einem unternehmensinternen Forschungsprojekt den Klimawandel sowie den Einfluss der firmeneigenen Produkte auf den Klimawandel und untersuchten die sich daraus ergebenden unternehmerischen Gefahren. Diese Forschungsergebnisse wurden gezielt vor der Öffentlichkeit verborgen und erst vor wenigen paar Jahren aufgedeckt.

Stoffkreislauf

Dass ausgerechnet über Kohlenstoffdioxid (kurz „Kohlendioxid“ oder „CO₂“) geredet wird, das ein unvermeidliches Verbrennungsprodukt der heutigen Industriegesellschaft ist, ist logisch: Die Natur hat eine Tendenz zum Einhalten von Gleichgewichten. Aus natürlichen Quellen treten ständig irgendwelche Gase aus; diese Gase werden aber auch ständig wieder gebunden und abgebaut. Wasserdampf steigt auf und fällt irgendwann als Regen auf den Boden. Kohlenstoff lagert vor allem in Carbonatgestein, der Kohlenstoffkreislauf wird in langen Zeiträumen über Wettervorgänge geschlossen. Kohlendioxid ist jedoch im Vergleich mit anderen Gasen in der Atmosphäre sehr stabil. CO₂ reagiert auf elektromagnetische Strahlung. Darum wird es im Folgenden vor allem gehen, wenn auch das dargestellte Prinzip für jedes Gas gelten kann. (Wikipedai: Kohlenstoffzyklus)

Hohe Wirksamkeit

Der Mensch greift bei der Verbrennung von fossilem Kohlenstoff, der vor zigmillionen Jahren in der Erde abgelagert wurde, in das natürliche Gleichgewicht ein. Unser Zeitalter ist gekennzeichnet von Geräten, die nur durch Energiezufuhr funktionieren. Manche Argumente laufen dennoch darauf hinaus, dass Kohlendioxid „nur“ in einer Konzentration von 400 ppm vorliegt – also 400 Teilchen auf eine Million Luftteilchen, oder anders ausgedrückt: Der Volumenanteil liegt bei 0,04 Prozent. CO₂ ist dennoch ein bedeutendes Treibhausgas, denn es absorbiert und emittiert Infrarotstrahlung in unserer Atmosphäre. Dass die geringe Prozentzahl dabei nicht über die Bedeutung hinwegtäuschen sollte, zeigt ein Blick aus dem Fenster: Die grünen Pflanzen, die Sie in der Natur sehen, sind ein Resultat der auf CO₂ basierenden Photosynthese.

Strahlung und Materie

Alle Energie, die im Folgenden erwähnt wird, kommt ursprünglich als elektromagnetische Strahlung von der Sonne. Diese elektromagnetische Strahlung lässt sich sowohl durch Teilchen wie durch Wellen beschreiben, wobei die Teilchen Photonen genannt werden. Die Energiemenge von Photonen lässt sich auch als Wellenlänge, Frequenz oder Wellenzahl ausdrücken. Das Licht der Sonne dringt dabei großenteils durch die Atmosphäre auf die Erde und trifft hier auf den Erdboden und das Ozeanwasser.

Würde die Erde die eingestrahlte Energie vollständig absorbieren, würde alles Leben binnen kürzester Zeit den Hitzetod sterben. Die wichtigste Bedingung für die Existenz von Leben auf der Erde ist daher ein Gleichgewichtszustand, in dem die Erde so viel Energie in das Weltall abgibt, wie sie von der Sonne aufnimmt. Weil die Gase der Atmosphäre jedoch auch einen Teil der Energiemenge aufnehmen, kann man die Bedingung erweitern zu: Das System „Erde+Atmosphäre“ muss im Gleichgewichtszustand so viel Energie nach außen abgeben, wie ihm durch die Sonne zugeführt wird. Erde und Atmosphäre tauschen natürlich auch untereinander Energie aus. Wie dies geschieht, also ob durch Wärmestrahlung und/oder Konvektion, ist eine „innere Angelegenheit“ des Systems Erde+Atmosphäre, die in der Wissenschaft der Meteorologie behandelt wird. Bei unserer grundsätzlichen Frage der Klimaerwärmung geht es aber weniger um das Wetter, sondern das Gleichgewicht der eingestrahlten Sonnenenergie und der Energie, die aus dem System Erde+Atmosphäre wieder austritt.

Wärmestrahlung wird jedoch nicht nur von der Sonne abgegeben. Auch die durch die Sonne erwärmten Festkörper, Flüssigkeiten und Gase geben ihrerseits Wärmestrahlung ab. Die Wärmestrahlung, die von einer Fläche auf der Erde ausgeht, entspricht dabei der lokalen Temperatur der Fläche. Auch die aus Gasen bestehende Atmosphäre strahlt Photonen aus, jedes Volumenelement entsprechend seiner Temperatur. Wichtig dabei: Die Erdoberfläche strahlt nur nach oben ab; die Atmosphäre dagegen ringsum, also nach oben, nach unten und seitwärts, wie bereits Albert Einstein vor über einem Jahrhundert analysiert hat. (Wikipedia: Spontane Emission)

Treibhauseffekt

Erdoberfläche und Atmosphäre tauschen untereinander Energie aus – als Gesamtsystem müssen sie aber Energie nach außen loswerden, um nicht zu kochen. Die Erdatmosphäre verliert dabei nur sehr wenig Materie mit zugehöriger Energie in den Weltraum. Der größte Anteil der Energieabgabe des Systems Erde+Atmosphäre in den Weltraum erfolgt auf dem gleichen Weg, wie diese Energie von der Sonne zur Erde gelangt ist: über Strahlung. Je durchlässiger die Atmosphäre für Wärmestrahlung ist, desto kühler wird das System Erde+Atmosphäre. Je undurchlässiger die Atmosphäre für Wärmestrahlung ist, desto wärmer wird die Erde samt Atmosphäre. Der Begriff „Treibhauseffekt“ beschreibt also den Umstand, dass Wärmestrahlung in das System Erde+Atmosphäre eindringt und im System gehalten wird.

Rückstrahlfähigkeit

Würde die ankommende Lichtenergie vor Eintritt in das System Erde+Atmosphäre reflektiert, würde sich die Erde gar nicht über eine niedrige Grenztemperatur erwärmen. Wäre die Erde völlig schwarz, würde sich eine sehr hohe Gleichgewichtstemperatur einstellen. Die Albedo, so nennt man die „Weißheit“ und damit die Rückstrahlfähigkeit eines Körpers, ist also mitentscheidend für die Erdtemperatur. Die Wolkenoberseite als auch die Eisflächen der Pole, Grönlands, der Gletscher und hellere Flächen auf der Erdoberfläche mit ihrer großen Albedo wirken kühlend. Meeresoberflächen haben dagegen eine besonders kleine Albedo und damit eine geringe Rückstrahlung von Sonnenlicht. Ebenso senken Rußteilchen auf großen Eisflächen und Straßen mit Asphaltdecke die Albedo der Erde. Eine Verminderung der Albedo gegenüber einem ursprünglichen Zustand trägt somit zur Verstärkung des Treibhauseffekts genauso bei wie das nachfolgend beschriebene Geschehen in der Atmosphäre. Der Klimawandel ist eine Verminderung der Fähigkeit, Strahlung aus dem Erde+Atmosphäre-System loszuwerden.

Wärmestrahlungsbilanz

Die Erdoberfläche absorbiert Sonnenstrahlung und sendet im Gegenzug Wärmestrahlung im Infrarotbereich aus. Das breite Spektrum umfasst Wellenlängen ab etwa 5 bis 50 µm mit einem Maximum bei etwa 10 µm. Die Atmosphäre ihrerseits emittiert ebenfalls Wärmestrahlung in Richtung Erde und in Richtung Weltraum. Lediglich geringe Teile der irdischen Wärmestrahlung werden auf dem Weg in den Weltraum nur geringfügig geschwächt. Diese Spektralbereiche heißen „Atmosphärische Fenster“. Das Wichtigste in diesem Zusammenhang liegt zwischen etwa 8 und 13 µm Wellenlänge.

Zusammenfassend lässt sich feststellen:

Lichtstrahlung von der Sonne trifft auf das System Erde+Atmosphäre
- Ein kleinerer Teil dieser Strahlung wird in Abhängigkeit von der Rückstrahlfähigkeit reflektiert
- – Ein größerer Teil wird von der Atmosphäre und auf der Erde absorbiert
Wärmestrahlung wird von der Erde in Richtung Weltraum abgegeben
- Ein kleinerer Teil dieser irdischen Strahlung verschwindet durch das Atmosphärische Fenster
- Der größere Teil wird von der Atmosphäre absorbiert
Die Atmosphäre strahlt selbst in jeder Höhe entsprechend der lokalen Temperatur in jede Richtung
- Ein Teil dieser Wärmestrahlung wird in den Weltraum entlassen
- Der andere Teil tritt als Gegenstrahlung auf die Erde

Bei näherer Betrachtung lassen sich weitere Details erkennen:

Die Atmosphäre hat einen bestimmten Temperatur- und Druckverlauf – jeweils mit zunehmender Höhe abnehmend
Die bodennahe Atmosphärenschicht strahlt mit einer Temperatur nahe der Bodentemperatur
Die oberste Atmosphärenschicht strahlt mit der dortigen Temperatur
Bestimmte Atmosphärengase absorbieren einen Teil der Strahlung, die aus jeder Richtung kommt
Die absorbierenden Moleküle erwärmen ihre Umgebung
Ein durch Photonenabsorption erwärmtes Atmosphärenelement strahlt stärker

Aus diesen grundlegenden Erkenntnissen ergeben sich folgende weitergehende Fragen:

Welche Molekülarten der Atmosphäre absorbieren beziehungsweise emittieren welche Anteile der irdischen Wärmestrahlung?
Was hat die Konzentration einer Molekülart mit der Strahlungsintensität zu tun?

Molekülschwingungen

Moleküle bestehen aus Atomen und diese wiederum aus positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen wobei sich die Elektronen in fest definierten Bahnen um die Kerne bewegen. Die Atome von Molekülen können sich auch relativ zueinander bewegen – aufeinander zu oder voneinander weg. Den fest definierten Bahnbewegungen und Molekülschwingungen entsprechen festen Energieniveaus. Wir betrachten für unseren Ausflug in die Klimawandelgrundlagen unserer Atmosphäre im Folgenden vor allem solche Moleküle, die Dipole bilden können. Dipole reagieren nämlich auf elektromagnetische Strahlung wie unser Sonnenlicht und die Wärmestrahlung der Erde.

Ein Wechsel der Elektronenbahnen und der Molekülschwingungen ist immer mit der Aufnahme oder Abgabe einer Portion Energie verbunden. Bei allen elementaren Vorgängen der Energieabgabe oder Energieaufnahme werden Photonen bestimmter Energie/Frequenz/Wellenlänge/Wellenzahl erzeugt oder absorbiert. Die Wellenlängen, die den Wechseln zwischen Energiezuständen entsprechen, werden im folgenden Hauptlinien genannt. Für einzelne dipolfähige Moleküle stehen die Schwingungseigenschaften sogar in der Wikipedia: Die CO₂-Hauptlinie liegt bei etwa 15 μm. Absorptionsspektren werden in Datenbanken wie HITRAN geführt und in Simulationsprogrammen wie Spectraplot genutzt.

Absorption

Tatsächlich sind die Moleküle ständig in Bewegung. Sie stoßen einander an und ändern damit ihre Richtung sowie Geschwindigkeit. Die statistisch verteilten Geschwindigkeiten und Stöße der Moleküle lassen sich mit den physikalischen Größen Temperatur und Druck beschreiben. Passiert elektromagnetische Strahlung die Atmosphäre erfolgt durch die unterschiedlichen Bestandteile der Luft eine unterschiedlich starke Aufnahme von Energie. Die Absorption wiederum erfolgt – je nach Gas – in unterschiedlichen Bereichen des Spektrums. Die Bewegungen und Stöße der Moleküle verändern die Absorptionslinien zu breiten Absorptionsbanden.

Mit zunehmender Höhe über dem Erdboden verteilen sich die Luftmoleküle auf einen größeren Raum bei geringerer Anziehung durch die Erde. Die Moleküle haben mehr Platz zur Verfügung, stoßen seltener aufeinander und haben geringere Geschwindigkeiten. Das führt mit zunehmender Höhe zu sinkender Temperatur, sinkendem Druck und sinkender Absorption. Die Wärmestrahlung der Erde, die – über große Bodenflächen gemittelt – ein gleichmäßiges Spektrum besitzt, wird nur in einem Teil des Spektrums, dem schon erwähnten „Atmosphärischen Fenster“, durch keines der in der Atmosphäre vorkommenden Gase stark absorbiert. Der größere Teil der Strahlung wird hingegen durch die Gase in der Atmosphäre unterschiedlich stark absorbiert.

Optische Dicke

Mit dem Begriff der „optischen Dicke“, einer einfachen Zahl, wird angegeben, wie stark ein Medium eine bestimmte Strahlung absorbiert. Die Ausdrucksweise „bestimmte Strahlung“ soll darauf hinweisen, dass für verschiedene Anteile der Strahlung unterschiedliche optischen Dicken gelten können. Die symbolische Abkürzung für die optische Dicke ist „Tau“ (τ). Je größer Tau, desto weniger Strahlung kommt am Ende einer Schicht heraus. Bei Tau = 1 werden rund 63 Prozent absorbiert, bei Tau = 2 sind es rund 87 Prozent und bei Tau = 5 rund 99,4 Prozent.

Ein Beispiel: Wenn eine Nebelwand für Licht eine optische Dicke von Tau = 5 hat, sind auf der anderen Seite nur noch etwa 0,6 Prozent zu sehen. Genauso ist es in der Atmosphäre: Wenn die strahlungswirksame Atmosphäre für die Hauptabsorptionslinie eines Gases die optische Dicke Tau = 5 hat, wird die Photonenenergie eines Ausgangsstrahls nahezu komplett in Wärme umgesetzt. Entscheidend für die Stärke des Treibhauseffekts ist die Gesamtabsorption aller Spektralbereiche in der Atmosphäre.

Wirkung von CO₂

Zur Bestimmung von Tau für verschiedene Spektrallinien können wir die bereits genannte Seite Spectraplot verwenden. Zum leichteren Verständnis bietet es sich an, nicht die genauen Werte von Tau zu vergleichen, sondern den Lichtweg zu betrachten, nach dem Tau = 1 erreicht wird. Je weiter ein Lichtstrahl hierbei kommt, umso weniger trägt er zum Treibhauseffekt bei.

Eine Beispielsimulation mit dem Gas CO₂ auf der Wellenlänge 14.095 μm (nahe der 15-μm-Hauptabsorptionslinie) in der heutigen Konzentration von 400 ppm: Am Boden und bei einer Temperatur von 300 Kelvin (rund 27 °C) ist Tau = 1 nach 550 m erreicht, in 6.100 m Höhe (-24,6 °C, 466 hPa) erst nach einer Strecke von 4.200 m. Erhöhen wir die Konzentration von CO₂ beispielhaft auf 800 ppm, wird Tau = 1 am Boden bei 300 K bereits nach 280 m erreicht und in 6.100 m Höhe (-24,6 °C, 466 hPa) nach 2.100 m. Hier zeigt sich auf den ersten Blick, dass ein höherer CO₂-Wert in der Atmosphäre zu einer stärkeren Aufheizung der Atmosphäre durch die von der Erdoberfläche ausgehende Wärmestrahlung führt; einerseits werden die sowieso schon stark absorbierenden Hauptlinien noch stärker, andererseits werden die zuvor schwach absorbierenden Bandenbereiche stärker. Insgesamt wird mehr Wärmestrahlungsenergie in der Atmosphäre absorbiert. Kurzum: Das System Erde+Atmosphäre wird mit steigendem CO₂-Anteil in der Atmosphäre stärker erwärmt und kann gleichzeitig durch eine stärkere Gegenstrahlung der Atmosphäre schlechter abkühlen – die Temperatur steigt.

Sonderfall Flugverkehr

Die von hochfliegenden Flugzeugen erzeugten Kondensstreifen mit Rußeinschlüssen oberhalb der höchsten Wolkendecke (Tropopause) sind problematisch. Selbst wenn die Streifen sich verteilen, sorgen die verbleibenden Kondensstreifen-Zirren für eine Bedeckung des Himmels von bis zu zehn Prozent, wie eine Studie des DLR für den Bereich über Europa herausgefunden hat. Diese Zirren stellen nur ein schwaches Hindernis für das ankommende Sonnenlicht dar, streuen jedoch das eintreffende Licht in viele Richtungen und reflektieren nachts die von der Erde ausgehende Wärmestrahlung besonders gut. Licht wird zudem teilweise von den Wassermolekülen absorbiert, die sich dadurch erwärmen. Die DLR-Studie kommt im Ergebnis zu dem Schluss, dass die aus den Kondensstreifen von Flugzeugen entstehenden Zirren einen stärkeren Effekt auf die Erderwärmung haben als das von den Flugzeugen ausgestoßene CO₂.

Klimagase

Seit Beginn des industriellen Zeitalters wird die Zusammensetzung der Atmosphärengase jedoch nicht nur im Hinblick auf die CO²-Konzentration verändert. Einerseits wurden diverse anthropogene Gase wie beispielsweise Fluor- und Chlorverbindungen neu in die Atmosphäre eingeleitet, zum andern wurde der Anteil vorhandener natürlicher Gase verstärkt. Dazu zählen beispielsweise Methan insbesondere in der Landwirtschaft und Wasserdampf durch den Flugverkehr in großen Höhen. Die Mengen an hinzugekommenen treibhausrelevanten Gasen können berechnet werden. Die mittlere Lebenszeit und die genauen Spektren der Gase sind ebenfalls bekannt. Die genannten Simulationsprogramme ermöglichen Analysen, welches Gesamtspektrum und welche emittierte Strahlungsintensität zu erwarten sind. Dabei ergeben sich interessante Erkenntnisse: Methan ist beispielsweise 25-mal wirksamer als CO₂, einige Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW) sogar bis zu 14.800-mal so effektiv wie CO₂. Die letztgenannten Stoffe sind bereits in kleinsten Mengen so schädlich, dass Lecks in einzelnen industriellen Fertigungsstätten detektierbar sind (siehe „Illegale FCKW-Freisetzungen“). Nur weil es „stärkere Gifte“ gibt, sollte man jedoch nicht vergessen, dass der Einfluss von CO₂ für den Treibhauseffekt und den Klimawandel entscheidend ist.

Gesamtbetrachtung

Was in diesem Artikel am Beispiel CO₂ rechnerisch demonstriert wurde, ließe sich auch mit anderen Gasen machen. Tatsächlich ergänzt sich die Wirkung aller Gase durch ihre ineinander verschachtelten Spektren. Unter bestimmten Umständen dominiert aber das eine oder das andere Gas. Es gibt auch keinen linearen Zusammenhang zwischen Gaskonzentration und Temperatursteigerung.

Ein zukünftig mitentscheidender Einflussfaktor wird die Erwärmung der Arktisregion sein. Die großen Vorkommen von Methanhydrat in den arktischen Schelfgebieten und von Methangas in Permafrostböden stellen wesentliche Kippelemente dar, bei deren Freisetzung es schwierig bis unmöglich sein wird, eine katastrophale Entwicklung noch aufzuhalten.

Wenn Sie selbst die Absorptionswirkung relevanter Klimagase nachvollziehen möchten, können Sie neben der Seite Spectraplot auch eine Klimasimulation der Universität Chicago für verschiedene Erdregionen mit unterschiedlichen Gaskonzentrationen durchführen.

Nach einer Vorlage von Georg Nowak

Dieser zusammenfassende Artikel wurde auf Basis eines Leserbriefes von Georg Nowak durch Louis-F. Stahl für die Energiedepesche erstellt

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