Monday, December 14, 2009

Treibhauseffekt – er existiert

Ich hab mir mal gedacht, ich sollte auch etwas zur physikalischen Basis des Treibhauseffektes sagen. Einmal, weil es interessant ist und der zweite Grund, weil es etwas ist was Skeptiker seriöserweise nicht anzweifeln. Ich kenne auch das Paper von Gerlich et. al. (HT: antibürokratieteam), aber es überzeugt mich nicht.

Ihre Kritik geht an der Sache vorbei und lässt sich einfach widerlegen. Auch das Beispiel von RW Woods geht an der Sache vorbei, belegt oder falsifiziert es doch keineswegs den Treibhauseffekt. Es ist jedoch aus einem anderen Grund interessant.

Dies soll jetzt nicht zu einer step-by-step Kritik an dem G&T-paper ausarten, sondern sich generell mit dem Phänomen Treibhaus auseinander setzen und wann es vergleichbar mit dem Erdklima ist. Es gibt nämlich durchaus auch korrekte Kritik durch G&T, wie z.B. die Kritik an der Modellbildung und der verwendeten Gleichungen. Andererseits gibt es Kritik, die ich nicht nachvollziehen kann, die aber eventuell korrekt sein könnte (Mittelwertbildung mit T anstatt T^4).

Doch zurück zum Treibhauseffekt. Nun, der Name ist hier schon Programm. Es geht um ein Treibhaus, dass als Wände Glas benutzt. Das verwendete Glas hat die Eigenschaft:

a) UV-Licht und IR-Licht aufzunehmen und das restliche Spektrum passieren zu lassen.

b) Das reemittierte Licht vom Boden, dass (so die Vorgabe) durch die Reemission wieder langwellig ist, auch aufzunehmen und dann abzugeben (50 % nach außen, 50 % nach innen)

Die Sonne scheint also auf das Glashaus, ein gewisses Spektrum wird durchgelassen, erwärmt den Boden und gleichzeitig emittiert der Boden wieder Licht in einem längeren Spektrum, dass wiederum vom Glas aufgenommen wird und 50:50 zurückemittiert wird bzw. nach aussen abstrahlt. So gesehen ist das relativ ähnlich, wie es bei der Konstellation Sonne, Erde und dazwischen die beiden Atmosphärenschichten Troposphäre (IR-Fänger) und Stratosphäre (UV-Fänger). Soweit ist das beide gut vergleichbar.

Was Woods jetzt anzweifelte, war der von Arrhenius postulierte große Effekt der Strahlung an der Erwärmung des Treibhauses. Dazu machte er folgendes Experiment:

Zwei geometrisch identische Kasten wurden gebaut, einer aus Glas und der andere aus einem transparenten Stoff, der das volle Spektrum durchlässt. Seine Idee war, dass wenn es keinen merklichen Unterschied gibt, nicht die Rückstrahlung durch das Infarot-fangende Glas die Ursache sein muss, sondern die heiße Luft die durch Konvektion aufsteigt. Und tatsächlich war der Unterschied gering (1 Grad höher). Den Unterschied erklärte er damit, dass ein breiteres Spektrum durchgelassen wurde, weshalb die gesamt Energie, die vom Boden absorbiert wurde größer war. Gleichzeitig meinte er, dass die Rückstrahlung ja gänzlich aus dem Kasten hinaus gehen könnte, da ja die Umrandung keinesfalls ein Spektrum aufnimmt. Es müsste deshalb Strahlung als Ursache ausgeschlossen werden. Und in der Tat wurde er dabei bestätigt, jedoch gab es einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Gefäßen, wobei dieser mit 1 °C durchaus noch in den damaligen Meßschwankungen lag.

Es ist also schwer zu sagen, ob nicht ein kleiner verstärkender Effekt durch das Glas zu beobachten war. Denn auch das System Erde wird auf der Base-average-Temperature von 15 °C hauptsächlich durch Konvektion gehalten, was der größte Anteil des Wärmetransports ist. Jedoch kann man hier annehmen, dass Greenhouse Gase, Wasserdampf, CO2, Methan etc. durchaus einen Anteil an den Schwankungen um die 15 °C (also den Anomalien) haben. Es wäre auf die 15 °C bezogen und das riesige Volumen der Erde in der Tat ein kleiner Anteil, jedoch in der Temperaturveränderung für den Menschen durchaus ausschlaggebend (immerhin geht man ja auch von nur 0.6 °C durch CO2 Erhöhung aus).

Noch ein Auszug aus einer Kritik am G&T paper, die ich nicht ganz nachvollziehen kann:

Wenn die Solarstrahlung wegfällt, fällt die Zusatzheizung in beiden Fällen weg. Da die Umgebungen von beiden kälter sind, kühlen sich beide ab. Je nach Güte der Wärmeisolierung und
Temperatur der Umfassung geht des schnell oder langsam. Die Temperatur und Wärmeisolierung des Bodens ist in beiden Fällen ähnlich, die untere Atmosphäre hat (braucht) keine
Seitenwände, weil sie eine Kugelschale ist. Der größte Unterschied besteht beim Dach. Die Atmosphäre ist eine dicke Schicht, die nur langsam abkühlt (weniger als 5 K in 12 Stunden), aber relativ kühl ist (die Intensität ist etwa äquivalent einer Schwarzkörperstrahlung von -40 C. Welche Bedeutung diese Abstrahlung hat, sieht man beim Vergleich mit dem atmosphärenlosen Mond, wo es keine Gegenstrahlung gibt. Auch andere Mechanismen kommen nicht in Frage, da der atmosphärische Temperaturgradient eher die Bodenkühlung beschleunigt als verringert und die Windgeschwindigkeiten viel kleiner als die Wanderungsgeschwindigkeit der Schattengrenze der Sonne ist.

Die erste Hälfte ist noch ok, wo auf den Wärmleitungskoeffizienten verwiesen wird und auch der Wärmeübergang eine Rolle spielt. Auch das die Decke im Vergleich zum Glas nur gering reaktiv ist, stimmt, jedoch ist das nur mittelbar wichtig. Man betrachtet ja definitiv lange Zeitabstände und so kann auch eine langsame Abstrahlung der Atmosphäre gut mit der relativ “schnellen” Abstrahlung des Glases verglichen werden. Da Glas auch schon relativ kühl ist, auch wenn es bestrahlt wird, ist dies offensichtlich (so der kommentierende Dipl.-Physiker) auch bei der Atmosphäre so. Was interessiert, ist nicht der dynamische Zwischenzustand, der auf alle Fälle bei beiden verschieden ist (Gas gegenüber dem festen Glas und auch sekundäre Einflüsse, wie Wind, Energieaustausch, verschiedene Drücke entlang einer Schicht etc.). Der Mond vergleich ist schwer zu beurteilen, denn er hat zum Vergleich auch keine nennenswerte Atmosphäre. Seine Exosphäre besteht aus Helium, Neon, Wasserstoff und Argon.

Damit lässt sich also eigentlich genausowenig etwas beweisen, wie mit der Analogie der 2 Häuser. Denn was ist jetzt für die Kälte des Mondes verantwortlich, die nichtvorhandene Atmosphäre im Sinne der Abstrahlung oder die nicht vorhandene Atmosphäre zum Transport der in der Umgebung aufgefangenen Wärme. Ich finde das BEispiel genauso irreführend, wie die oft versuchten Vergleiche mit dem Mars. Dort besteht die Atmosphäre aus 95 % CO2 und der Mars hat je nach Bestrahlung durch die Sonne zwischen 27 °C und -133°C. Jedoch ist durch die geringe eigen Schwere die Atmosphären dichte wesentlich kleiner, weshalb man eben die Atmosphäre schlecht vergleichen kann. Ein interessantes Phänomen sind jedoch gefrorene CO2-Wolken, die Wärmeaufnehmen und dadurch die Umgebung um bis zu 10 °C kühlen.

Generell würde ich hier, um zu einem eindeutigeren Ergebnis zu kommen eventuell folgendes Experiment führen. Man vergleicht zwei gleich große Kästen, einer ist ein Kasten, der das volle Spektrum durchlässt und der andere ist ein Kasten, der eine doppelte Glasumrandung hat. In diese Glasumrandung füllt man CO2 und schaut, ob dadurch eine signifikante Temperaturänderung eintritt. Der Unterschied müsste vorhanden sein, da CO2 in solcher Konzentration normalerweise nicht vorkommt.  Es wäre wesentlich näher an dem, was man untersuchen möchte und es zeigt sich sehr schnell, welcher Mechanismus hier überwiegen würde…

Generell jedoch kann man den Effekt der Wärmeabsorbierung und –reemission nicht verneinen, ist er doch bei reinem CO2 unter Lichtbestrahlung vorhanden. Das Gas speichert Wärme, bis die Zusatzheizung Sonne ausgeschaltet wird, dann gibt es diese wieder ab.

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