Ist die Kohlendioxidkonzentration zu klein, um etwas zu bewirken?

Im Beitrag waren Korrekturen nötig - siehe weiter unten.

Manche behaupten, Kohlendioxid könne den Klimawandel nicht beeinflussen, weil der atmosphärische Anteil von derzeit etwa 387 ppm zu gering sei, um den Strahlungshaushalt der Erde zu beeinflussen. Vergleiche, die dann kommen, sind etwa die von einem Regenschirm, der 0,0387 Prozent des Himmels bedecke. Solche Vergleiche funktionieren nur, weil viele Menschen keinen anschaulichen Begriff dafür haben, was eigentlich ein Mischungsverhältnis von 387 ppm bedeutet.

Spurengase wie CO2 sind in sehr geringen Anteilen in der Luft enthalten und werden in Teilen pro Millionen Teile Luft angegeben, auf englisch parts per million oder kurz ppm. Noch kleiner ist ppb für parts per billion oder Teile pro Milliarde Teile Luft. Die Eigenschaft, die in diesem Fall bei CO2 interessiert, ist die Strahlungseigenschaft. Wie dicht ist die Luft eigentlich durch CO2 für den Durchtritt von Licht in dem Bereich, in dem CO2 Strahlung aufnimmt und abgibt?

Einen Anhaltspunkt gibt es, wenn man sich die Farbe von Flüssigkeiten anschaut, bei der die Färbung durch Bestandteile im ppm-Bereich erzeugt wird. Dafür kann man Kaliumpermanganat nehmen. Das kann man für wenige Euro in der Apotheke kaufen. Wenn man sich 3,4 Gramm davon abwiegen lässt und das in 1 Liter Wasser auflöst, hat man eine Lösung mit 387 ppm Kaliumpermanganat. Die ist deutlich violett gefärbt. Man kann das Wasser in mehrere Wassergläser einfüllen. Schaut man durch ein Glas hindurch, ist es noch recht durchsichtig. Stellt man aber die Gläser hintereinander und schaut durch alle zusammen hindurch, wird die Wassersäule schnell undurchsichtig. Man kann sich so anschaulich machen, daß durch eine Wassersäule von einem Meter mit 387 ppm Kaliumpermanganat praktisch kein sichtbares Licht in dem Absorptionsbereich von Kaliumpermanganat dringt.

Luft ist natürlich nicht so dicht wie Wasser. Das Gasgesetz beschreibt die Dichte von Luft. Bei 0 Grad Celsius enthalten 1,245 Kubikmeter Luft bzw. 1245 Liter Luft so viele Moleküle wie 1 Liter Wasser. Wenn ich in Wasser mit 387 ppm Kaliumpermanganat nach einem Meter Schichtdicke nichts mehr sehe, dann muss ich das in der Luft auf die geringere Dichte umrechnen und daher mal 1245 nehmen. Dann brauche ich für den gleichen Effekt also 1245 Meter Schichtdicke. Wenn also nach 1 Meter die Lösung mit 387 ppm Kaliumpermanagnat völlig blickdicht ist, dann entspräche das auf die Luft umgerechnet einem Weg von 1,245 Kilometern bei Bodendruck. Der Luftdruck nimmt aber mit steigender Höhe ab. Dadurch habe ich eher mehr als 1,5 Kilometer Luft zu vergleichen. Das ändert aber an der grundsätzlichen Betrachtung nichts mehr.

Was man aus dieser Betrachtung ziehen sollte: Lassen Sie sich nicht erzählen, 280 ppm CO2 (vorindustrieller Wert) oder 387 ppm CO2 (aktuell) seien so geringe Mengen, dass die keinen Einfluss darauf haben könnten, wie stark die Luft Strahlung schluckt. Auf den ersten Kilometern ist die Luft für Infrarot (Wärme)-Strahlung in den Bereichen, in denen CO2 anspricht, undurchsichtig. Das Weltall sieht also nicht die Wärmeabstrahlung des Bodens, sondern die der Luft in einigen Kilometern Höhe. Deshalb können Menschen schon mit Änderungen des CO2 im Bereich von ppm einen Effekt auf den Strahlungshaushalt der Erde haben.

Während ich leider immer noch zu faul war, mal Lösungen anzusehen und das Ergebnis abzufotographieren, hat dies inzwischen ein Blogschreiber mit dem Namen chlorobium gemacht, was wiederum Georg Hoffmann veranlasste, dazu einen Blogbeitrag zu erstellen.

Anmerkungen:

(Gunnar Ries hat darauf hingewiesen, daß ich mich beim Molekulargewicht von Kaliumpermanganat verrechnet habe - Murphys Gesetz. Ein Mol wiegt nicht 148, sondern 158 Gramm, wie man sehr leicht nachrechnen kann.)

Kaliumpermanganat hat ein Molekulargewicht von 158. D.h. 158 g KMnO4 sind gerade ein Mol (eine auf die Zahl der Moleküle bezogene Mengeneinteilung). Wasser hat das Molekulargewicht 18. Also sind 18 g Wasser gerade ein Mol. 1 Liter Wasser gleich 1000 Gramm enthalten 55,56 Mol Wasser. 3,4/148 Mol KMnO4 / 55,56 Mol Wasser ergeben gerade 0,000387 bzw. 387 ppm.

Das Gasgesetz lautet pV = nRT (p = Druck in Pascal, V = Volumen in m³, n = Menge des Gases in Mol, R = Gaskonstante = 8,313 J/K/Mol, T = absolute Temperatur in Kelvin). Löst man nach V auf und ist n=1, erhält man bei 273 Kelvin (=0 Grad Celsius) und 101300 Pascal (Bodendruck, stark gerundet) 0,0224 m³ als Volumen von einem Mol Gas.

Positionspapier zur Darstellung des Klimawandels

Der Klimawandel und seine Ursachen stehen in der öffentlichen und politischen Diskussion. Zugleich handelt es sich dabei um ein naturwissenschaftliches Thema, das mit naturwissenschaftlichen Mitteln zu beantworten ist. Für die Darstellung des Themas in der Öffentlichkeit ergibt sich damit ein Dilemma, da zum einen für die Ansprache an das Publikum sehr klare Aussagen erforderlich sind, andererseits die Aussagen im naturwissenschaftlichen Sinne korrekt sein müssen. In naturwissenschaftlichen Darstellungen ist es aber üblich, Unsicherheiten und offene Fragen herauszuheben. Man muss darauf Rücksicht nehmen und daher einige Punkte beachten.

1. Man sollte Aussagen, die man sicher treffen kann und solche, bei denen nur mit Wahrscheinlichkeiten argumentiert werden kann, deutlich trennen. Der Öffentlichkeit ist zunächst zu vermitteln, was bereits nicht mehr fraglich ist. Eine Wahrscheinlichkeitsaussage als Nebensatz zu einer Aussage, die sicher getroffen werden kann, wird vom Laien nicht getrennt betrachtet, sondern auch auf die sichere Aussage bezogen.
2. Das breite Publikum folgt nicht den in den Naturwissenschaften üblichen Sprachregelungen. Z.B. ist ihm nicht bewusst, wie die Abfolge von Spekulation, Hypothese und Theorie ist, und dass eine Theorie üblicherweise eine hinreichend bewiesene Erklärung eines Gegenstandes bezeichnet. Für die meisten Menschen ist eine Theorie im üblichen Sprachgebrauch eine Spekulation. Das heißt, dass dringend zu empfehlen ist, naturgesetzliche oder aus Naturgesetzen abgeleitete Feststellungen als solche zu bezeichnen und nicht Theorie zu nennen. Das missverständliche Wort Theorie sollte man möglichst vermeiden.
3. Das Publikum hat große Schwierigkeiten, die Größen und Verhältnisse in atmosphärischen Systemen zu begreifen. 280 ppm CO2 z.B. sagen dem Laien gar nichts. Man muss solche Größen anschaulich machen. Z.B. entsprechen 360 ppm etwa 3 Gramm Kaliumpermanganat auf 1 Liter Wasser. Kaliumpermanganat kann jeder billig in der Apotheke kaufen und sich so anschauen, was 360 ppm bedeuten: eine intensiv violett gefärbte Flüssigkeit, die bei größerer Schichtdicke undurchsichtig wird.
4. Das Publikum hat ein gesundes Misstrauen gegenüber Aussagen, bei denen man Einflussnahme vermuten könnte – von Lobbygruppen, von staatlicher Seite, durch politische Interessen. Man sollte daher immer auch den Hintergrund der Aussagen zum Klimawandel darstellen. Also darstellen, wie breit eigentlich der Konsens ist, der dahintersteht. Nach welcher Methodik die Aussagen gewonnen wurden. Ob Aussagen voneinander abhängen oder die Widerlegung einzelner Aussagen ohne Auswirkung auf die anderen Aussagen ist. Ob die Untersuchung von Aussagen der Klimaforschung frei von Interessen vorgenommen werden konnte.
5. In der öffentlichen Diskussion stehen weniger naturwissenschaftliche Feststellungen in Frage als die daraus abzuleitenden Schlussfolgerungen für das individuelle Verhalten. Man muss daher darauf achten, darzustellen, welche Schlussfolgerungen man aus dem erkannten Wissensstand ableiten kann und welche abhängig vom persönlichen ideologischen Hintergrund sind.
6. Es gibt nur eine Erde. Vergleichende Experimente mit einer Erde ohne menschlichen Einfluss sind nicht möglich. Daher sind Aussagen darüber, wie groß der menschliche Einfluss war, grundsätzlich zu einem gewissen Grad unsicher, während Aussagen darüber, ob es einen menschlichen Einfluss gab oder gibt, und dass bestimmte Veränderungen am System Erde zwingend zu Reaktionen führen müssen, sicher sein können. Diesen Unterschied muss man deutlich machen. Man sollte sich bevorzugt auf Aussagen stützen, die in diesem Sinne sicher getroffen werden können.
7. Man sollte sich vor der Formulierung von Stellungnahmen zum Klimawandel mit der Argumentationsweise von Verschwörungstheoretikern zu dem Thema befassen und übliche Einwände bereits durch angepasste Formulierungen vorweg nehmen. Man sollte sich zugleich im Klaren darüber sein, dass eine Diskussion mit Verschwörungstheoretikern grundsätzlich nicht möglich ist. Mit Menschen, die naturwissenschaftliche Grundsätze nicht akzeptieren, und für die die Feststellungen des IPCC eine allein politische Veranstaltung sind, wird man sachlichen Argumenten keine Ergebnisse erzielen. Solche Menschen werden sich nicht überzeugen lassen, noch nicht mal durch das unmittelbare Eintreten des Gegenteils von dem, was sie behauptet haben.

Was ist der Treibhauseffekt? (Teil 1)

Der Treibhauseffekt ist die Änderung des Strahlungshaushaltes eines Planeten und seiner Oberflächentemperatur durch die Anwesenheit einer Lufthülle, die infrarote Strahlung schlucken kann. Der Treibhauseffekt hat nichts mit dem Prozess zu tun, der in Treibhäusern für die erhöhte Temperatur sorgt - der Name hat rein historische Gründe.


Der Treibhauseffekt leitet sich aus physikalischen Gesetzmäßigkeiten ab, die Naturwissenschaftlern gut bekannt sind. Es handelt sich dabei also um eine abgeleitete Gesetzmäßigkeit und nicht etwa um eine Hypothese, die man erst beweisen müßte. Der Treibhauseffekt ergibt sich daraus, daß auch für die Erde der Satz der Energieerhaltung gilt. Dadurch strebt die Erde ein Strahlungsgleichgewicht mit der Umgebung an - also Sonne und Weltall. Wie Körper ein solches Strahlunsggleichgewicht erreichen, wird aber von bekannten physikalischen Gesetzen beschrieben.


Der Satz der Energieerhaltung lautet für dieses Problem:

Von der Sonne eingestrahlte Energie ist gleich der von der Erde zurückgestrahlten Energie plus Klimawandel.

Mit Klimawandel sind dabei Erwärmung der Meere, der Erde, der Luft, zusätzliche Verdampfung von Wasser, das Abschmelzen oder Verdampfen von Eis und andere Formen der Energieaufnahme des Systems Erde gemeint. Die Erhöhung der Temperatur am Boden ist dabei nur die augenfälligste Wirkung.

Wenn sich sonst nichts ändert, treten Einstrahlung und Abstrahlung ins Gleichgewicht. Die Erderwärmung ist gleich Null.

Die Einstrahlung der Sonne kann man messen. Sie wird als Solarkonstante angegeben mit ca. 1368 W/m². Das ist die Strahlung, die von der Sonne auf der beschienenen Seite der Erde ankommt, als Leistung pro Fläche. Die Einstrahlung auf der gesamten Oberseite der Atmosphäre pro Fläche ist natürlich geringer, wenn man die nicht direkt bestrahlte Fläche mitrechnet. Dazu muß man das Verhältnis der beschienenen Scheibe (pi*r²) und der gesamten Kugeloberfläche (4*pi*r²) kennen. Die Strahlung der Sonne gemittelt für die gesamte Kugeloberfläche ist also die Solarkonstante geteilt durch 4.

Von dieser Strahlung der Sonne wird ein Teil reflektiert, an der Oberseite der Atmosphäre, an Wolken und am Boden. Diese Reflektion heißt Albedo und beträgt etwa 30% der Sonnenstrahlung. Man kann die Albedo mit Satelliten messen. Die Albedo ist allerdings abhängig von der Wellenlänge der Strahlung, und die hier angegebenen 30% gelten für die gesamte Strahlungsleistung. Die tatsächliche Strahlung von der Sonne, die pro Flächeneinheit am Boden oder in der Atmosphäre aufgenommen wird, ist also 70% der Solarkonstante durch 4 bzw. (Solarkonstante minus Albedo) durch 4.

Die Abstrahlung der Erde hängt von ihrer Temperatur ab. Idealisiert ergibt sich die Strahlung eines Körpers in Abhängigkeit von der Temperatur und über alle Wellenlängen nach dem Planckschen Strahlungsgesetz. Daraus kann man die Stefan-Boltzmann-Gleichung ableiten, die allerdings schon vorher experimentell bestimmt wurde. Sie legt fest, wie stark die gesamte Strahlungsleistung eines Schwarzen Körpers abhängig von der Temperatur ist. Die Erde ist nicht wirklich ein Schwarzer Körper. Aber die daraus erforderlichen Korrekturen ändern nichts am grundsätzlichen Lösungsweg.

Die Strahlungsleistung eines Körpers ist demnach proportional der vierten Potenz der Temperatur. Kleine Änderungen der Temperatur ändern also die Abstrahlung eines Körpers erheblich – steigt die Temperatur um 0,5 % (bei Raumtemperatur gleich 1,5 Grad), steigt die Strahlungsleistung um 2% (um ca. 8 Watt/m2). Also alle 40 m² wird ein zusätzlicher Deckenfluter mit 300 Watt Leistung aufgestellt. Das wären auf der gesamten Erde 13 Millionen mal Millionen oder 13 Billionen Deckenfluter.

Die Temperatur der Erde im Gleichgewicht von Einstrahlung und Abstrahlung läßt sich also berechnen, indem man beide Strahlungen gleichsetzt und nach der Temperatur auflöst.

(1 - 0,3) * S0 / 4 = σ T^4
T = 4te Wurzel (0,7 S0 / (4 * σ ))

σ = 5,67*10^-8 W/m²/K4, S0 = 1368 W/m²
Daraus ergibt sich T = 255 Kelvin bzw. -18 Grad.

Das alles gilt für eine Erde mit transparenter Atmosphäre und optimalem Temperaturausgleich. Verringert man z.B. den Temperaturaustausch zwischen Tag- und Nachseite oder zwischen Äquator und Polen, dann gibt es eine ungleichmäßige Temperaturverteilung auf der Erde. Die sorgt dafür, daß die Abstrahlung insgesamt stärker wird, weil die wärmeren Teile des Planeten mehr zusätzliche Energie abstrahlen als die kälteren Teile weniger abstrahlen. Hier schlägt die Abhängigkeit von der vierten Potenz der Temperatur durch. Aufgrund dieser einfachen Überlegung erkennt man bereits, daß ein Planet ohne Treibhauseffekt nur kälter sein kann, als die oben hergeleitete Temperatur bestimmt. Die -18 Grad Celsius sind die maximale Temperatur, die die Erde ohne Treibhauseffekt haben kann. Im Grunde ergibt sich der Treibhauseffekt schon aus der Differenz zwischen der berechneten Temperatur und der tatsächlich gemessenen Temperatur von im Mittel 15 Grad Celsius. Im zweiten Teil möchte ich aber den Treibhauseffekt noch deutlicher zeigen.

Einleitung und Grundsätze für den Blog Globales Klima

In den nächsten Wochen möchte ich hier einen neuen Blog starten, der Informationen zum Klimawandel in verständlicher Weise präsentieren soll. Da hier bedenklich viele Seiten existieren, auf denen Halbwissen und Verschwörungstheorien angeboten werden, ist es wünschenswert, daß auch einige Seiten angeboten werden, die im Einklang mit Beobachtungen und Lehrbuchwissen informieren.

Grundsätzlich gilt:

1. Der Klimawandel ist ein naturwissenschaftliches Phänomen.
2. Naturwissenschaftliche Fragen werden von Naturwissenschaftlern in Fachzeitschriften und Fachtagungen diskutiert, und können nur in diesem Rahmen entschieden werden. Blogs, Zeitungsartikel oder "graue" Literatur tragen zum Erkenntnisprozess deshalb nichts bei, weil sie dem wichtigsten Prozess in den Wissenschaften, der Begutachtung durch sachkundige Spezialisten (peer review), nicht unterworfen sind.
3. Wer den Feststellungen eines durch sachkundige Spezialisten begutachteten Übersichtsartikels (review), der die Feststellungen vieler Fachartikel zusammenfaßt, widersprechen möchte, der muß selbst eine entsprechende Recherche betreiben. Einzelartikel können keine seriöse Erwiderung auf einen solchen Übersichtsartikel darstellen, es sei denn, es könnte glaubhaft gemacht werden, daß genau dieser Einzelartikel eine so bedeutende Feststellung enthält, daß damit ein gewaltiger Sprung in dem wissenschaftlichen Kenntnisstand erfolgt.
4. Im Bereich des Klimawandels existieren solche Übersichtsartikel mit den Berichten des Internationalen Expertenbeirats für Klimawandel (International Panel for Climate Change IPCC). Darin wird nicht etwa eigene Forschung des IPCC präsentiert, sondern der Wissensstand der Forschung weltweit zusammengefaßt.

In diesem Blog möchte ich häufige Fragen zum Klimawandel und Antworten darauf mit Verweisen auf Quellen zusammenstellen. Da ich nur selten Zeit für diesen Blog habe, werde ich hier auch nicht in erster Linie diskutieren. Aus meiner Sicht ist die Grundsatzdiskussion bereits gelaufen, und wir sind schon längst an einem ganz anderen Punkt. Welche politischen Schlußfolgerungen zieht man aus dem wissenschaftlichen Kenntnisstand zum Klimawandel? Das ist eine Frage, auf die es viele mögliche Antworten gibt, und die nicht in den Rahmen dieses Blogs fällt.