Sonntag, 3. November 2019

Direkter Nachweis des menschengemachten Treibhauseffektes

Seit ich mich mit der Propaganda von Leugner des Sachstandes zur Klimaforschung beschäftige, treffe ich auf die Behauptung, dass der Treibhauseffekt nur eine Theorie sei. Nur Modelle würden den Treibhauseffekt zeigen. Oder es wird sogar behauptet, dass irgendjemand mit komplizierten, wirren Herleitungen des Treibhauseffekt widerlegt habe. Gerne zitiert wird dabei auch der Artikel von Gerlich und Tscheuner, der allerdings wissenschaftlich Unsinn ist, worüber damals hier berichtet wurde. Den Treibhauseffekt direkt zu beobachten, ist aufwendig, aber es ist grundsätzlich möglich. Ich möchte hier Artikel dazu vorstellen. Dabei muss man erst einmal wissen, was überhaupt der Treibhauseffekt ist - meistens wird erklärt, wie er funktioniert. Der Treibhauseffekt ist ein Ungleichgewicht des Strahlungshaushaltes der Erde. Die Erde strahlt weniger Energie ins Weltall ab, als sie aus dem Weltall, das heißt, von der Sonne, aufnimmt. Diese Strahlungsdifferenz kann man zum einen vom Satelliten im All messen, zum anderen am Boden. In beiden Fällen ist der Aufwand allerdings beträchtlich.



Zunächst mal möchte ich für die Leser, die sich mit dem Thema nicht so oft beschäftigen, auf die Grundlagen eingehen. Die Temperatur auf der Erde wird unter anderem von der vorhandenen Wärme bestimmt. Je nach Wärmekapazität steigert zusätzliche Wärme die Temperatur. Luft hat eine geringe Wärmekapazität und schon wenig Wärme kann die Lufttemperatur stark erhöhen. In Wasser mit einer viel größeren Wärmekapazität muss schon viel Wärme hineingesteckt werden, damit die Temperatur nennenswert steigt. Wärme ist eine Form von Energie. Für die Energie gilt ein Erhaltungssatz. Sie entsteht oder verschwindet nicht, sondern sie wird zugeführt oder entzogen. Die Wärme der Erde kann sich also erhöhen oder erniedrigen, wenn Wärme auf die Erde zugeführt oder abgeleitet wird. Tatsächlich findet beides statt. Die Sonne strahlt auf die Erde ein und erhöht damit die Wärme der Erde. Die Erde selbst strahlt aber auch Wärme ab. Normalerweise ist das ein stabiles System. Das heißt, die Erde hält meistens ungefähr eine bestimmte Temperatur. Das liegt daran, dass die Menge an Energie, die die Erde abstrahlt, empfindlich von der Temperatur der Erde abhängt. Jeder Wärmeüberschuss erzeugt eine Erde mit erhöhter Temperatur, die viel stärker Energie abstrahlt. Die Energie, die pro Zeit umgesetzt wird, ist eine Leistung. Die misst man in Watt. Viele Watt heißen viele Joule Energie pro Sekunde. Damit man übersichtliche Zahlen hat, betrachtet man bei der Erde, wie groß die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit ist, also Watt pro Quadratmeter (W/m²).

Von der Sonne treffen 1361 W/m² eingehende Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre ein ( auf Englisch "top of the atmosphere" oder kurz "TOA". In entsprechenden Artikeln trifft man auf diese Abkürzung dauernd. Die 1361 W/m² bezeichnet man auch als Solarkonstante, obwohl der Wert auf Dauer nicht wirklich konstant ist. Da die Sonne immer nur auf eine Seite der Erde scheint, kann man berechnen, dass man den Wert durch 4 teilen muss, um die mittlere Strahlungsleistung für die Erde zu bestimmen. Sie ist also im Mittel 440,25 W/m². Ungefähr so viel würde von einer ungestörten Erde auch wieder ins All abgestrahlt werden. Zur Zeit ist es aber weniger. Diese Differenz ist der menschengemachte Treibhauseffekt. Genauer gesagt, der Teil des Treibhauseffektes, der noch nicht durch einen Temperaturanstieg der Erde ausgeglichen wurde, denn irgendwann ist die Erde um so viel wärmer geworden, dass die Abstrahlung wieder auf den Wert der Einstrahlung erhöht wurde.

Wichtig ist zu wissen, dass die Strahlungsflüsse in die Atmosphäre und innerhalb der Atmosphäre oder vom Boden in der Größenordnung von einigen 100 W/m² liegen. Der gesamte menschengemachte Treibhauseffekt liegt hingegen im Bereich von ca. 3 W/m². Und die Veränderung des Treibhauseffektes innerhalb von 2 oder 3 Jahrzehnten liegt im Bereich von einigen Zehntel bis vielleicht einem W/m². Wir betrachten hier also kleine Abweichungen von großen Zahlen, Effekte, die die vierte und fünfte Stelle dieser Zahlen betreffen. Messungen müssen also im Promillebereich genau sein oder besser. Genau aus diesem Grund ist es so schwierig, den Treibhauseffekt nicht nur zu berechnen, sondern ihn direkt zu beobachten.

Zu Beginn will ich eine Arbeit aus 1990 vorstellen, die im Rahmen eines Workshops über globale Klimarückkopplungen am Brookhaven National Laboratory vorgetragen wurde: A. Raval und V. Ramanathan, Observational Determination of the Greenhouse Effect in: Global Climate Feedbacks, Proceedings of the Brookhaven National Laboratory Workshop June 3-6, 1990, Seiten 5 – 16. Gemessen wurde hier der Strahlungsfluss, der von Infrarotdetektoren auf den drei Satelliten des ERBE-Experiments oberhalb der Atmosphäre bestimmt wird. Diesen zieht man von der Strahlung ab, die von der Meeresoberfläche ausgeht. Da die Meeresoberflächentemperatur sich nicht so stark ändert, kann sie mit vertretbarem Fehler bestimmt werden. Der Strahlungsfluss ergibt sich aus der Stefan-Boltzmann-Gleichung mit einem Fehler im Bereich von 5 W/m², in etwa der gleiche Fehler wie die Satellitenbeobachtungen des Strahlungsflusses. Die Stefan-Boltzmann-Gleichung sagt aus, dass bei einem schwarzen Strahler die abgegebene Strahlungsleistung von der vierten Potenz der Temperatur abhängt. Die hier betrachtete Meeresoberfläche ist zwar kein perfekter schwarzer Strahler, aber der Fehler ist nicht größer als ca. 1 Prozent der Strahlung - das ist für diesen Zweck genau genug. Wenn die Atmosphäre weniger Energie verlässt als vom Boden abgestrahlt wird, ergibt die Differenz den Treibhauseffekt, denn das ist die Energie, die in der Atmosphäre verbleibt und sie erwärmt. Man bestimmt die vom Meer abgestrahlte Leistung für wolkenfreie und bewölkte Situationen. Dies wird mit den ERBE-Satellitenmessungen verglichen, bei denen ebenfalls bewölkte und wolkenfreie Beobachtungen unterschieden werden. Generell können nicht erkannte Wolken die Messungen stören und tragen zur begrenzten Genauigkeit bei. In den Messungen war der Treibhauseffekt durch Gase wie H2O, CO2 oder Ozon im Mittel etwa 146 W/m², der Effekt der Wolken zusätzliche 33 W/m². Die Anteile von H2O, CO2 und anderen Treibhausgasen werden hier nicht separat betrachtet, man weiß aber, dass der größte Teil durch H2O erzeugt wird. Die Autoren weisen darauf hin, dass die Satellitenmessungen eine Methode bieten, die Veränderung des Treibhauseffektes durch den Anstieg von CO2-Anteilen direkt zu messen, sofern die Messungen ausreichend genau sind und der Anstieg stark genug ist, ein deutliches Signal zu geben. Das war dann allerdings erst erheblich später der Fall. Hier misst man zunächst den gesamten, auch den natürlichen Treibhauseffekt mit relativ grober Genauigkeit.

Wie schon an der Arbeit von Raval und Ramanathan erklärt, kann man grundsätzlich nicht nur den Treibhauseffekt direkt beobachten als Abweichung der ausgehenden Energie (wie am Satelliten gemessen von der vom Boden abgestrahlten Energie), sondern bei hinreichend langer Beobachtung und präziser Messung kann man auch die von Menschen verursachte Veränderung beobachten. Allerdings bleiben Satelliten mit den entsprechenden Instrumenten nicht so lange in Betrieb, dass man ausreichend lange eine homogene Beobachtungsreihe bilden kann – man muss Messungen verschiedener Satelliten kombinieren und man muss Störungen durch Wolken kompensieren. Das macht präzise Messungen zu einer großen Herausforderung. Alternativ dazu kann man auch beobachten, wie sich die Rückstrahlung aus der Atmosphäre zum Boden verändert. Denn die Rückstrahlung aus der Atmosphäre stellt ja die andere Seite des Treibhauseffektes dar. Nimmt sie zu, muss sich die Temperatur am Boden entsprechend erhöhen. Auch hier versucht man, eine kleine Differenz zwischen zwei sehr großen Zahlen zu bestimmen – die Rückstrahlung aus der Atmosphäre zum Boden ist ebenfalls eine hohe Leistung (mehr als 100 W/m²) und die Veränderung im Laufe eines Jahrzehnts liegt vielleicht im Bereich von Zehntel W/m². Doch am Boden ist es einfacher, mit hochpräzisen Instrumenten eine längere homogene Messreihe aufzubauen.

2015 wurde bekannt gegeben, dass man diese kleine Veränderung durch direkte Beobachtung vom Boden aus bestimmen konnte mit einer Messreihe von Präzisionsmessungen an zwei Standorten von 2000 bis 2010. Die Publikation erfolgte durch Feldman et al. Observational determination of surface radiative forcing by CO2 from 2000 to 2010, Nature 519, 339-343 (2015). Kostenfrei erhält man den Artikel hier. Und hier erhält man dazu Erläuterungen. Die Wissenschaftler haben in Alaska und Oklahoma mit ungeheuer präzisen Infrarotdetektoren die Infrarotstrahlung aus der Atmosphäre über verschiedene Bandbereiche fast täglich 10 Jahre lang gemessen. Zu den Effekten, die dabei berücksichtigt werden mussten, gehörte auch die Wärme der Instrumente, die dadurch selbst Infrarotstrahlung abgeben und die Präzision der Messungen damit begrenzen. Auch der Einfluss des Wetters musste berücksichtigt werden – optimale Messbedingungen bestehen nur dann, wenn der Himmel wolkenlos ist. Die Strahlung von CO2, Methan, H2O, O3 und anderen Parametern konnte durch ihre charakteristischen Spektren identifiziert und ihre relative Änderung im Laufe der 10 Jahre nach Korrektur für Wetteränderungen bestimmt werden. Das Ergebnis ist eine hochpräzise Zeitreihe der Infrarotstrahlung aus der Atmosphäre durch jeden dieser Strahler, auch CO2. Insgesamt änderte sich die Strahlung über diese 10 Jahre um ca. 2 W/m³. Davon erfolgte ein Zehntel durch CO2, dessen Anteil an der Atmosphäre in diesem Zeitraum um etwa 22 ppm (das sind 0,0022 Volumen-% der Atmosphäre) gestiegen war. Da sich Temperatur und Wassergehalt viel stärker auf die Infrarotspektren auswirken als CO2, mussten diese Effekte genau bestimmt und herausgerechnet werden. Dazu wurde zum Beispiel der Wassergehalt der Atmosphäre mit Radiosonden bestimmt. Die Zeitreihe der Infrarotstrahlung von CO2 stimmt mit dem Anstieg und auch der jahreszeitlichen Änderung des CO2-Anteils überein. Zugleich stimmen die gemessenen Strahlungsflüsse mit den berechneten Strahlungsflüssen aus einem Strahlungsflussmodell überein.Zusammen stellt dies einen direkten Nachweis des Anstiegs des anthropogenen Treibhauseffektes durch CO2 dar. Das Ergebnis ist der Anstieg der integrierten Strahlungsleistung für CO2 aus der Atmosphäre am Boden von 2000 bis 2010 hier in der Abbildung (Erläuterungen in der angegebenen Publikation).

Anstieg des Klimaantriebs (in W/m²) durch den Treibhauseffekt von CO2 nach Feldman et al. 2015, Bild aus Nature - Zitat oben im Text.
Von Feldman et al. gibt es auch eine direkte Beobachtung des Treibhauseffektes von Methan. Erläuterungen dazu findet man zum Beispiel hier.


Zum Schluss will ich noch auf den Klassiker verweisen - die Beobachtung des menschengemachten Treibhauseffektes aus dem All. Auch dieser Nachweis hat immer hin bis 2001 auf sich warten lassen. Berichtet wird davon durch Harries, Brindley, Sagoo und Bantges, Increases in greenhouse forcing inferred from the outgoing longwave radiation spectra of the Earth in 1970 and 1997, Nature 410, 355–357 (2001). Auch hier gibt es die Möglichkeit, den Artikel ohne Bezahlgrenze aufzurufen, nämlich über diesen Link.

Das Prinzip ist einfach: man beobachtet von verschiedenen Satelliten das Spektrum der Infrarotstrahlung, die von der Erde kommt und zieht ein mittleres Spektrum von 1970 von dem in 1997 ab. Die Differenz ordnet man aufgrund der Lage und Form der Ausbuchtungen im Spektrum einzelnen Treibhausgasen zu. Daneben berechnet man, was die Theorie auf Basis der Veränderungen von Treibhausgasanteilen, Feuchte und Temperatur aussagt und vergleicht beides. Das Resultat ist hier, dass beides übereinstimmt. Der Anstieg der Treibhausgase führt zu einer Abnahme der Abstrahlung von der Erde in den Banden der Treibhausgase entsprechend einer niedrigeren Emissionstemepratur. Die niedrigere Temperatur der Abstrahlung der Treibhausgase kommt dadurch zustande, dass der Bereich, in dem die Atmosphäre durch die Treibhausgase optisch dicht ist, dicker wurde und der Oberrand nun in größeren und damit kühleren Höhen liegt. Die geringere Abstrahlung der Erde führt zu einer Wärmeaufnahme von der Sonne und dadurch zu einer globalen Erwärmung. In der Praxis ist natürlich erhebliches an qualitätssichernder Arbeit zu erledigen. Brauchbar ist nur der Vergleich über dem Meer und ohne die Störung durch Wolken - entsprechende Tage und Regionen sind aus den mehreren Monaten an Beobachtungsdaten zu extrahieren. Es sind realistische Profile von Temperatur, Feuchte und Treibhausgasmischungsverhältnissen zu bestimmen und daraus die theoretischen Spektren zu berechnen. Die neuen Satellitendaten von 1997 haben eine deutlich höhere Auflösung. Für den Vergleich müssen sie über Frequenzbereiche gemittelt und so vergröbert werden, damit keine Scheinspitzen in den Spektren erzeugt werden. Bei der Beurteilung der Differenzen der Spektren müssen die vorhanden Unsicherheiten berücksichtigt werden, um die Ergebnisse nicht überzuinterpretieren. Das Ergebnis ist zusammengefasst in dem Bild des Vergleiches zwischen der beobachteten Differenz und den beiden Berechnungen für die Differenz (entweder nur Pazifik oder für den Bereich zwischen den 60. Breitengraden Nord und Süd) (mittlerer Teil der Abbildung - 1b).

Vergleich des IRIS und IMG Spektrums (oberes Bild), Vergleich der Differenzen der beiden Spektren über dem Zentral Pazifik (obere Kurve), simulierte Differenz (mittlere Kurve) und beobachtete fast globale Differenz (untere Kurve) (alles im mittleren Bild), Anteile im simulierten Differenzspektrum, die auf bestimmte Treibhausgase zurückgehen. Abbildung aus oben zitiertem Nature-Artikel.


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Die Wissenschaftler haben in Alaska und Oklahoma mit ungeheuer präzisen Infrarotdetektoren die Infrarotstrahlung aus der Atmosphäre über verschiedene Bandbereiche fast täglich 10 Jahre lang gemessen. Zu den Effekten, die dabei berücksichtigt werden mussten, gehörte auch die Wärme der Instrumente, die dadurch selbst Infrarotstrahlung abgeben und die Präzision der Messungen damit begrenzen. Auch der Einfluss des Wetters musste berücksichtigt werden – optimale Messbedingungen bestehen nur dann, wenn der Himmel wolkenlos ist. Die Strahlung von CO2, Methan, H2O, O3 und anderen Parametern konnte durch ihre charakteristischen Spektren identifiziert und ihre relative Änderung im Laufe der 10 Jahre nach Korrektur für Wetteränderungen bestimmt werden. Das Ergebnis ist eine hochpräzise Zeitreihe der Infrarotstrahlung aus der Atmosphäre durch jeden dieser Strahler, auch CO2. Insgesamt änderte sich die Strahlung über diese 10 Jahre um ca. 2 W/m³. Davon erfolgte ein Zehntel durch CO2, dessen Anteil an der Atmosphäre in diesem Zeitraum um etwa 22 ppm (das sind 0,0022 Volumen-% der Atmosphäre) gestiegen war. Da sich Temperatur und Wassergehalt viel stärker auf die Infrarotspektren auswirken als CO2, mussten diese Effekte genau bestimmt und herausgerechnet werden. Dazu wurde zum Beispiel der Wassergehalt der Atmosphäre mit Radiosonden bestimmt. Die Zeitreihe der Infrarotstrahlung von CO2 stimmt mit dem Anstieg und auch der jahreszeitlichen Änderung des CO2-Anteils überein. Zugleich stimmen die gemessenen Strahlungsflüsse mit den berechneten Strahlungsflüssen aus einem Strahlungsflussmodell überein.Zusammen stellt dies einen direkten Nachweis des Anstiegs des anthropogenen Treibhauseffektes durch CO2 dar. Das Ergebnis ist der Anstieg der integrierten Strahlungsleistung für CO2 aus der Atmosphäre am Boden von 2000 bis 2010 hier in der Abbildung (Erläuterungen in der angegebenen Publikation).

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https://www.wallstreet-online.de/diskussion/500-beitraege/1309467-1-500/beobachtung-treibhauseffektes#beitrag_61282872u Beginn will ich eine Arbeit aus 1990 vorstellen, die im Rahmen eines Workshops über globale Klimarückkopplungen am Brookhaven National Laboratory vorgetragen wurde: A. Raval und V. Ramanathan, Observational Determination of the Greenhouse Effect in: Global Climate Feedbacks, Proceedings of the Brookhaven National Laboratory Workshop June 3-6, 1990, Seiten 5 – 16

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