Horst Kleybrink
Arbeitskreis Verlässliche Energie im Gesamtbild von Naturschutz, Klima und Umwelt
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Klimagase verstehen – ganz ohne Angstformeln. Ohne Wasserdampf und \(CO_{2}\) wäre die Erde unbewohnbar. Aber wie viel Erwärmung bewirkt die Erhöhung dieser Gase wirklich? Diese Veröffentlichung bricht die komplexen thermodynamischen Prozesse der Atmosphäre auf verständliche Alltagsphänomene herunter und zeigt auf, wo die physikalische Sättigung einsetzt.
Zum Verständnis der Wirkung von den Klimagasen ist die Kenntnis von zwei physikalischen Mechanismen erforderlich, die jedem aus dem täglichen Leben vertraut sind. Das ist einmal der Energietransport durch Wärmeleitung und der Energietransport durch elektromagnetische Strahlung.
Erstens die Wärmeleitung. Wenn man die Hand auf eine heiße Kochplatte hält spürt man durch den Schmerz sofort was Wärmeleitung bewirkt. Die Wärme eines Materials wird bestimmt über die Intensität der Schwingungen seiner kleinsten Teilchen. Das kann man nicht sehen, außer man nutzt ein 1000 fach vergrößerndes Mikroskop. Berühren sich zwei unterschiedlich warme Materialien, so überträgt sich die Energie des wärmeren Teiles auf das kältere. Nach einiger Zeit haben sich die Temperaturen beider Materialien angeglichen. Man nennt diese Schwingungen nach Ihrem Entdecker Herrn Braun Braunsche Molekularbewegung.
Zweitens der Energie- oder Wärme-Austausch durch elektromagnetische Strahlung. Jeder kennt das. Einmal vom Licht der wärmenden Sonne oder von der Wärmestrahlung durch Infrarot, wenn er sich einem heißen Gegenstand nähert.. Diese beiden Strahlungsarten unterscheiden sich durch die Wellenlänge ihrer Photonen, die die kleinsten Teilchen von elektromagnetischer Strahlung sind. Kurze Wellenlänge bedeutet viel Energiegehalt, lange Wellenlänge bedeutet weniger Energiegehalt. PochPochPoch ist energiereicher als Poch Poch Poch. Warme Materie, also Materie mit einer Temperatur über 0 Grad Kelvin kann elektromagnetische Strahlung aussenden. Die Intensität hängt von der vierten Potenz seiner Temperatur in Kelvin ab. Dabei gibt das Material Bewegungs-Energie ab. Also schwingen seine kleinsten Teilchen etwas weniger. Diese Energie wird in den Photonen mitgenommen. Wenn so ein Photon auf eine passende Materie trifft, kann die darin enthaltenen Energie sich in gesteigerte Schwingung seiner kleinsten Teilchen umwandeln. Die zur Schwingung angeregten Teilchen können dann aber auch selbst wieder Photonen aussenden und dadurch Energie also Schwingungsenergie gleich Braunsche- Molekularbewegung verlieren.
Diese beiden den Physikern allgemein bekannten Mechanismen, liegen den Wirkungen der Klimagasen zugrunde.
Was läuft nun ab? Die Sonne schickt uns ihre Strahlung. Diese geht durch unsere Atmosphäre ungehindert hindurch auf die Oberfläche unseres Planeten, soweit die Wolken nicht durch Streuung das Licht ins All abgelenkt haben. Die Erdoberfläche schluckt die Photonen und heizt sich dabei auf. Wo Schnee liegt, wird 95 % der Strahlung ins All reflektiert, weswegen es an den Polen so furchtbar kalt ist. Die Erwärmung der Erdoberfläche zwingt diese zur Abstrahlung von Infrarotstrahlung. Genauso, wie die Sonne zur Abstrahlung von Licht gezwungen wird. Das Infrarot nun geht nicht ungehindert durch unsere Luft ins All, sondern wird durch die Klimagase absorbiert. Das aller aller wichtigste Klimagas ist das gasförmige Wasser. Es absorbiert fast über das gesamte Wellenlängenspektrum des Infrarot hinweg die dortigen Photonen. Diese Strahlungsenergie bewirkt heftige Schwingungen der Wasser- Moleküle und somit ist die Energie der Photonen in die Bewegungsenergie der Wasser-Moleküle umgewandelt worden. Weil die Wasser-Moleküle sich unmittelbar neben den Molekülen der Luft (O2 und N2) befinden, verteilt sich die Bewegungsenergie des Wassers sofort auf alle Luftmoleküle. Dadurch wird das gasförmige Wasser sofort abgekühlt und unsere Atmosphäre wird erwärmt. Wir haben daher ein warmes Klima. Nun hat das gasförmige Wasser aber eine Lücke im Wellenlängen-Bereich des Infrarot, wo es nicht absorbieren kann. Diese schmale Lücke nennt man das Wasserdampf-Fenster. Zum Glück gibt es aber ein Gas, welches in einem kleinen Bereich dort absorbieren kann. Es ist das CO2, das dort die Lücke ein wenig verkleinert. Es bleibt eine Lücke, wo es keine Gase gibt, die dort Photonen absorbieren könnten. Man nennt diese Lücke das atmosphärische Fenster. Von dort gehen die von der Erdoberfläche ausgesendeten Photonen direkt ins All und kühlen unsere Atmosphäre sofort ab.
Somit ist die Strahlung von der Sonne fast vollständig in eine Erwärmung der Atmosphäre umgewandelt worden. Aber genau so, wie die Sonne und die Erdoberfläche gezwungen sind Energie abzustrahlen müssen das auch die Klimagase tun. Wiederum mit der 4 ten Potenz der Temperatur in Kelvin Graden. Nimmt man irgend eine Luftschicht, so werden dort Photonen abgestrahlt. Weil das in alle Richtungen mit gleicher Wahrscheinlichkeit geschieht, geht die eine Hälfe der Strahlung in Richtung Erdoberfläche und die andere in Richtung Himmel. Die in Richtung Erde abgestrahlten Photonen werden auf ihren Weg nach unten von den dortigen Klimagase absorbiert oder sie kommen bis zur Erdoberfläche durch, wo sie auch absorbiert werden. Dabei geben sie ihre Energie wieder ab und unten wird es wieder wärmer, was die erneute Abstrahlung befördert. Die von der Luftschicht Richtung oben ausgesendeten Photonen werden auch auf ihrem Weg absorbiert oder sie kommen durch bis ins All, und zwar ganz oben, wo nicht genügend Klimagase vorhanden sind.
Wenn man nun bedenkt, dass die Atmosphäre nach oben hin immer kälter wird ( 7 Grad pro Höhenkilometer), so ergibt sich das folgende Bild. Von unten kommen Photonen aus einem wärmen Bereich, wo die Abstrahlung intensiver ist als weiter oben, denn die Intensität der Abstrahlung ist von der 4 ten Potenz der Temperatur abhängig. Deshalb wird immer mehr Strahlung nach oben geschickt als von oben nach unten zurück kommt. Weil nun ganz oben die Luft immer dünner wird, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Photonen nicht mehr absorbiert werden können sondern ins All entkommen. Resultierend gibt es einen stetigen Strom von Energie von unten nach oben. Durch das andauernde Zurücksenden der Energie wird die Abkühlung der Atmosphäre und somit auch der Erdoberfläche nur verzögert.
Die Klimagase wirken wie ein Wintermantel. Der erwärmt auch nicht sondern verlangsamt den Energietransport nach außen. Legt man einem Schneemann einen Wintermantel um, so taut er nicht schneller sondern langsamer, weil nun der Transport von Energie von außen nach innen verlangsamt wird. Die Klimagase erzeugen keine Energie sondern halten sie in unserer Atmosphäre länger fest. Allein die Sonne erwärmt unseren Planeten.
Was bewirkt nun mehr CO2 in unserer Luft. Wenn kein CO2 in der Luft wäre, hätten wir ein kälteres Klima. CO2 absorbiert aber Infrarot-Photonen, die anderenfalls ins All entkommen wären. Für immer mehr CO2 Molekülen stehen aber nicht immer mehr Photonen zur Verfügung, weil deren Zahl von der Sonne bestimmt wird. Als sichtbare Analogie gelte ein Glas Wasser. Gibt man einen Tropfen Tinte hinein wird das Wasser dunkler und es geht weniger Licht hindurch. Jetzt kann man noch mehr Tropfen zusetzen und es wir immer dunkler, bis kein Licht mehr hindurch kommt. Dann hat zusätzliche Tinte keine Wirkung mehr. Genau so ist es mit dem CO2. Er gibt einen angesehenen Professor für Klima, der behauptet, wenn man 100 ppm das sind 1 Promille an CO2 der Atmosphäre hinzusetzt, dann erhöhe sich unsere Klimatemperatur um 1 Grad Celsius. Gibt man nun 10 x mehr hinzu also 1 Promille wären das 10 Grad. Aufstockung auf 1 Prozent bewirkten 100 Grad und dann wieder das 10 fache auf 10 Prozent wären das 1000 Grad und bei 100 Prozent CO2 in der Luft hätte unsere Erde eine Temperatur von wiederum das 10 Fachen von 10000 Grad. Die Sonne ist 5500 Grad heiß. Diese Formeln taugt zu nichts. außer um Angst zu erzeugen.
Das Lambert- Beer Gesetz besagt, dass zusätzliches CO2 immer weniger Klimaerwärmung bewirkt und dieser Effekt strebt gegen Null. Das ist genauso wie eine zusätzliche Wärmedämmung bei Häusern, die immer weniger Effekt hat.
Der Professor für Physik William Happer sagt: Eine Verdoppelung des CO2 könne einen Anstieg der Temperatur von 0,7 Grad bewirken. Wie das Klima sich entwickele könne er nicht sagen, weil die Wolkenbildung zu kompliziert sei. Der Nobelpreisträger für Physik Clauser formuliert : Die Wolkenbildung steuert das Klima.
Nun gibt es Menschen, die sagen, es gäbe einen noch nicht bekannten Mechanismus, der wirksam sei. Das kann man immer sagen, wenn jemandem etwas nicht gefällt. Aber Hundert Erdkugeln haben wir nicht um Experimente zu machen.
Aber wir haben aber eine Dokumentation über die letzten 400 000 Jahre bezüglich Klimatemperatur und CO2 Gehalt in der Luft. Diese Informationen stecken in einem Eisbohrkern aus der Antarktis (Vostok). Die damalige CO2 Konzentration kann aus der in der Vergangenheit eingefangenen Luft bestimmt werden. Die Information über die Temperatur gewinnt man durch Bestimmung der Relation von O18 und O16 in dem damaligen Wasser, das nach Verdunstung als Schnee gefallen war. O18 ist 2 Neutronen schwerer als O16 . Die Wahrscheinlichkeit zu verdunsten ist für ein leichteres H2O16 Molekül größer als für ein H2O18. Bei höheren Temperaturen steigt die Wahrscheinlichkeit für das H2O 18 zu verdunsten an. Wenn mehr O18 im Wasser vorkommt, dann war es damals wärmen. Das Ergebnis zeigt, dass sich immer erst die Temperatur ändert und mit einer Verzögerung von 1000 Jahren das CO2 folgt. Das gilt für Temperatur rauf wie runter. Das leuchtet jedem ein, der das Verhalten von Sprudel oder Bier beobachtet hat. Im Warmen gast das CO2 aus im Kalten geht es gern in Lösung. Die Änderungen des CO2 sind daher kaum relevant. Das Methan hat eine drei Zehnerpotenzen geringere Konzentration als das CO2 und einen schmalen Wellenlängenbereich, wo es absorbieren kann. Es dient wohl als Fluchtweg zu der schwindenden Angst vor dem CO2 ?
Prof. Happer hat in Halle über Forschung zum Meerwasser berichtet. Das Meerwasser ist ohne CO2 alkalisch. Durch das CO2 wird der ph erfreulicherweise etwas zum Sauren hin verschoben. Das Leben im Meer und an Land hängt von der Verfügbarkeit von CO2 ab. Das CO2 ist das Gas des Lebens. Auch an Land gilt : Mehr CO2 und die Pflanzen wachsen schneller und üppiger. Die steigenden Ernten senken den Hunger der Menschheit.
Die Sonne strahlt mit deutlicher Varianz. In den Jahresringen im Holz hat man die Konzentration von C14 bestimmt. Weil man eine geschlossene Reihe von Hölzern hat die 9000 Jahre zurückreichen, kann man aus den damaligen Werten die Konzentration von C14 in der Luft ableiten. Nun schwankt der C14 Gehalt der Luft abhängig von der Aktivität der Sonne. Die Bildung von C14 findet in der Luft satt, wenn ein Neutron auf ein Stickstoffatom trifft und aus diesem ein Proton herausschlägt. Dann ist ein radioaktives C14 Atom entstanden mit einer Halbwertszeit von ca. 5000 Jahren. Die Aktivität der Sonne beeinflusst den Sonnenwind, der bei starker Sonnenaktivität abgeschwächt wird. Dadurch wird die C14 Produktion abgeschwächt und umgekehrt kann man aus dem Gehalt der Luft von C14 die auf Aktivität der Sonne zurückschließen. Eine konstante Strahlung der Sonne gibt es nicht.
Das Klima ändert sich. Der Mensch hat darauf kaum einen Einfluss. Wärmer war immer besser für uns Menschen. Kommen wir doch aus der Wärme von Afrika.