Wie CO2 unsere Atmosphäre sowohl erwärmt als auch abkühlt
Von Jim Steele
Wenn wir uns nur auf den Erwärmungseffekt von CO2 konzentrieren, verzerrt dies unser Verständnis davon, wie sich die Atmosphäre erwärmt und abkühlt. Noch wichtiger ist, dass dabei außer Acht gelassen wird, wie entscheidend CO2 für die Abkühlung unserer Atmosphäre ist. Sauerstoff und Stickstoff machen 99 % unserer Atmosphäre aus. Diese Moleküle absorbieren oder emittieren keine Strahlung. Unsere Luft wird durch Kollisionen mit sonnengewärmten Oberflächen und wärmeren Molekülen in der Atmosphäre erwärmt. Wir müssen also verstehen, wie Sauerstoff und Stickstoff ihre absorbierte Energie abgeben, damit sie wieder ins All zurückgelangen kann.
Nur die Sonnenstrahlung fügt unserer Welt Wärme hinzu. Von der einfallenden Sonnenwärme werden 30 % reflektiert, ohne die Erde zu erwärmen. 20 % erwärmen direkt die Atmosphäre und nur 50 % erwärmen die Erdoberfläche.
Etwa 25 % dieser Oberflächenwärme (12 Einheiten) werden sofort in Wellenlängen, die nicht von Treibhausgasen beeinflusst werden, zurück ins All abgestrahlt.
Etwa 14 % (7 Einheiten) der Oberflächenwärme erwärmen die Luft über der Oberfläche durch Kollisionen mit dieser erwärmten Luft, die durch aufsteigende Konvektion von der Oberfläche wegtransportiert wird.
Etwas weniger als 50 % (23 Einheiten) der Oberflächenwärme verursachen Verdunstung, wobei feuchte Konvektion ebenfalls Wärme von der Oberfläche abführt.
Die Oberfläche strahlt nur 16 % (8 Einheiten) der absorbierten Wärme ab, die jedoch ebenfalls von Treibhausgasen, vor allem Wasser und CO2, abgefangen wird. Treibhausgase lenken jedoch einen Teil dieser Wärme zurück zur Oberfläche und verlangsamen die Abkühlungsrate der Erde.
Letztendlich müssen die Treibhausgase an der Obergrenze unserer Atmosphäre (der Troposphäre) etwa 58 % der gesamten einfallenden Sonnenwärme zurück ins All abstrahlen.
Dieses Diagramm veranschaulicht die physikalischen Vorgänge, die zeigen, wie die Erde gemäß dem Planckschen Gesetz durch die Abstrahlung von Infrarotwärme zurück ins All abkühlt.
Die gestrichelte Linie bei 320 k gibt an, wie viel Wärme über jede Infrarotwellenlänge theoretisch zurück ins All abgestrahlt werden sollte, wenn keine Störung durch Treibhausgase vorliegt. Hier stammt sie von der Oberfläche der Sahara, wenn diese auf 47 Grad Celsius erhitzt wird. Diese theoretische Linie basiert auf solider, reproduzierbarer und zuverlässiger Wissenschaft.
Die anderen gestrichelten Linien zeigen, wie viel Wärme jede Wellenlänge bei kühleren Temperaturen abstrahlen sollte. Diese kühleren Temperaturen treten in höheren Lagen auf, wie aus der Tabelle auf der rechten Seite ersichtlich ist.
Die durchgezogene schwarze Linie zeigt, welche Wellenlängen der Wärme von Satelliten tatsächlich beim Verlassen der Erde gemessen wurden. Die dünnen roten Linien sind Modellvorhersagen. Nur Infrarotwärme mit Wellenlängen zwischen 10 und 13 Mikrometern sowie zwischen 8 und 9,5 Mikrometern entspricht der Theorie. Das liegt daran, dass Treibhausgase diese Wellenlängen nicht beeinträchtigen, sodass 25 % der Oberflächenwärme sofort entweichen können.
Wasserdampf absorbiert ebenfalls Infrarotwellenlängen zwischen 14 und 25 Mikrometern sowie zwischen 6 und 8 Mikrometern. Satelliten erfassen diese Wellenlängen, jedoch mit Intensitäten, die darauf hindeuten, dass die Wärme von kühleren Temperaturen abgestrahlt wurde. Satelliten können die latente Wärme, die bei der Verdunstung von Wasser an der Oberfläche absorbiert wird, nicht erfassen, aber sie sehen die Wärme, sobald sie freigesetzt wird, wenn Wasserdampf abkühlt und kondensiert, um in 1 bis 4 Kilometern Höhe Wolken und Regen zu bilden. Oberhalb der Kondensationshöhe von Wasserdampf hat Wasserdampf einen unbedeutenden Treibhauseffekt, da die Luft sehr trocken ist.
CO2 absorbiert hauptsächlich Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 15 Mikrometern, aber Satelliten erfassen keine Wärme mit einer Wellenlänge von 15 Mikrometern, die von der Erdoberfläche oder der unteren Atmosphäre ausgestrahlt wird. Eine zweite wichtige Frage lautet daher: Warum erfassen Satelliten keine Wellenlängen von 15 Mikrometern bis zur Obergrenze der Troposphäre und Stratosphäre? Es ist erwiesen, dass Strahlungswärme von CO2 absorbiert und ausgestrahlt wird.
Die Treibhausgas-Theorie besagt, dass die von CO2 absorbierte Infrarotstrahlung gemäß dem folgenden Modell in der Nähe der Oberfläche eingeschlossen wird.
Die Oberflächenwärme strahlt nach oben, wird jedoch teilweise von Treibhausgasen abgefangen.
Diese Gase absorbieren die Infrarotwärme, geben sie jedoch schnell wieder ab. Etwa die Hälfte wird jedoch zurück zur Oberfläche reflektiert, wodurch sich die Abkühlungsrate der Oberfläche verlangsamt.
Die Infrarotstrahlung, die weiter nach oben gelangt, wird erneut abgefangen, wobei die Hälfte zurück zur Oberfläche reflektiert wird
Dieser Prozess wiederholt sich, sodass in einer Höhe von 2 bis 4 Kilometern praktisch keine von CO2 absorbierte und abgegebene Oberflächenstrahlung entweicht. Satelliten können sie daher einfach nicht erfassen.
Durch denselben Abklingprozess wird auch die Menge der von höheren Höhen abgegebenen Infrarotstrahlung reduziert, die die Oberfläche erreichen kann. Daher glauben die meisten Wissenschaftler, dass die Erwärmung durch den Treibhauseffekt hauptsächlich in den unteren Schichten der Atmosphäre stattfindet.
Dieser Prozess erklärt jedoch nur teilweise die Erwärmung der Atmosphäre.
Diese Treibhausgas-Theorie berücksichtigt nicht, wie Kollisionen, wie sie durch Newtons Wiege veranschaulicht werden, Energie von Treibhausgasen auf Nicht-Treibhausgase und umgekehrt übertragen.
Wasser und CO2 speichern absorbierte Infrarotwärme nicht, sondern geben sie innerhalb von Millisekunden nach der Absorption wieder ab. Dies wird als Relaxationszeit bezeichnet.
Vergleichen Sie nun die gut untersuchten Kollisionshäufigkeiten mit den Relaxationszeiten.
In der Nähe der Oberfläche können Stickstoffmoleküle in nur einer Sekunde 6 Milliarden Mal mit CO2 kollidieren. Bevor also ein CO2-Molekül relaxieren und Strahlung abgeben kann, kollidiert Stickstoff 600.000 Mal mit CO2, entzieht ihm die absorbierte Energie und überträgt sie durch weitere Kollisionen auf andere Moleküle in der Atmosphäre.
Kollisionen mit Stickstoff und Sauerstoff entziehen dem CO₂ ständig Wärme, und da Stickstoff und Sauerstoff diese Wärme nicht abstrahlen, erfassen Satelliten keine Wellenlängen um 15 Mikrometer, bis das CO₂ diese Wärme in der Stratosphäre abgibt.
Die von Sauerstoff und Stickstoff gespeicherte Wärme kann nur durch weitere Kollisionen an ein Treibhausgas zurückgegeben werden. Erst dann können Treibhausgase diese Energie zurück ins All abstrahlen. CO2 strahlt jedoch nur Wärme zurück ins All, wo die Wärme entziehenden Kollisionen stark reduziert sind, und das geschieht nur in der weniger dichten oberen Troposphäre und Stratosphäre, genau dort, wo Satelliten Emissionen mit einer Wellenlänge von 15 Mikrometern zurück ins All erkennen.
Erwärmte Luft strömt ständig in die obere Atmosphäre, aber ohne CO2 würde die von der Luft absorbierte Energie nicht abgegeben werden. Es käme nur zu einer unkontrollierten Erwärmung.
Die Erwärmung durch den Treibhauseffekt in der unteren Atmosphäre wird durch die Abkühlung durch CO2 in der Stratosphäre ausgeglichen. Dies erklärt, warum die CO2-Konzentrationen über Millionen von Jahren hinweg nicht mit den Temperaturen auf der Erde korrelieren!