Der Treibhauseffekt und der Temperaturgradient

15. November 2014 | Von | Kategorie: Blog, Daten, Klimawandel, Plauderecke, Wissenschaft

Bei EIKE ist gerade eine Diskussion zum Treibhauseffekt und Temperaturgradienten entbrannt. Kann man den Treibhauseffekt alleine über den feuchtadiabatischen Temperaturgradienten erklären, oder nicht? Dieser Frage will ich mich einmal annehmen und versuchen eine Antwort dazu zu geben.

Zur Erklärung verwende ich ein Diagramm von Held & Soden von 2000, welches ich um die entscheidenden Details ergänzt habe.

THE-Diagramm4

In der Abbildung wird der Temperaturgradient im Abhängigkeit vom CO2-Gehalt gezeigt. Bei einer Konzentration von 1xCO2, also der aktuellen CO2-Konzentration, hat man den feuchtadiabatischen Temperaturgradienten von -6,5°C / 1000 m, eine mittlere Temperatur am Erdboden von 15°C und eine Temperatur von -18°C in ca. 5080 m Höhe (also 33°C Treibhauseffekt). 5080 m und -18°C entsprechen der mittleren Abstrahlungshöhe und mittleren Abstrahlungstemperatur der von der Erde ausgehenden Wärmeabstrahlung in den Weltraum.

Verdoppelt man die CO2-Konzentration auf 2xCO2, so verschiebt sich im neuen Gleichgewicht der feuchtadiabatische Temperaturgradient von -6,5°C / 1000 m um ca. 1°C nach rechts. Nun hat man am Erdboden eine mittlere Temperatur von 16°C und eine Temperatur von -18°C in ca. 5230 m Höhe (also 34°C Treibhauseffekt). Die mittleren Abstrahlungshöhe der von der Erde ausgehenden Wärmeabstrahlung ist um ca. 150 m angestiegen. Die mittleren Abstrahlungstemperatur ist wieder -18°C.

Halbiert man die CO2-Konzentration auf 1/2xCO2, so verschiebt sich im neuen Gleichgewicht der feuchtadiabatische Temperaturgradient  von -6,5°C / 1000 m um ca. -1°C nach links. Nun hat man am Erdboden eine mittlere Temperatur von 14°C und eine Temperatur von -18°C in ca. 4920 m Höhe (also 32°C Treibhauseffekt). Die mittleren Abstrahlungshöhe der von der Erde ausgehenden Wärmeabstrahlung ist um ca. 150 m gesunken. Die mittleren Abstrahlungstemperatur ist wieder -18°C.

Und jetzt muss ich ein wenig spekulieren, da es hierzu wenig Literatur gibt: Lässt man nun die Treibhausgase und Wolken komplett verschwinden, so verschiebt sich im neuen Gleichgewicht der feuchtadiabatische Temperaturgradient von -6,5°C / 1000 m in Richtung -33°C nach links. Nun hat man in der bodennahen Atmosphäre eine mittlere Temperatur von ca. -18°C. Die mittleren Abstrahlungshöhe der von der Erde ausgehenden Wärmeabstrahlung kommt nun aus der bodennahen Atmosphäre. Mit dem Verschwinden der Treibhausgase verschwindet aber auch der Wasserdampf aus der Atmosphäre (übrigens das wichtigste Treibhausgas). Somit geht der feuchtadiabatische Temperaturgradient von -6,5°C / 1000 m in den trockenadiabatischen Temperaturgradienten von -9,76°C / 1000 m über.

Damit sollte klar sein, ohne Treibhausgase kann man die Temperatur von 15°C am Erdboden nicht erklären.

UPDATE 17.11.2014

Noch ein Rechenbeispiel zur mittleren Abstrahlungshöhe

Die Erde strahlt mit 240 W/m^2 ab, also mit 255 K oder -18°C. Am Boden hat man 288 K, oder 15°C. Mit einem feuchtadiabatischen Temperaturgradienten von -6,5°C/1000m kommen man auf 33/6,5=5,1 km Abstrahlungshöhe.

Eine CO2-Verdopplung macht 1°C, oder -4 W/m^2 aus. Die Erde strahlt dann mit 236 W/m^2 ab, also mit 254K, oder -19°C. Am Boden hat man 288 K, oder 15°C. Mit einem feuchtadiabatischen Temperaturgradienten von -6,5°C/1000m kommen man auf 34/6,5=5,2 km Abstrahlungshöhe.

Im neuen Gleichgewicht strahlt die Erde strahlt dann wieder mit 240 W/m^2 ab, also mit 255K oder -18°C. Am Boden hat man 289 K, oder 16°C. Mit einem feuchtadiabatischen Temperaturgradienten von -6,5°C/1000m kommen man auf 34/6,5=5,2 km Abstrahlungshöhe.

UPDATE 16.11.2014

Anliegend noch ein Abbildung von Manabe & Wetherald von 1967. Berechnete Temperaturprofile in der Atmosphäre im Strahlungs-Konvektions-Gleichgewicht bei einem CO2-Gehalt von 150 ppm, 300 ppm und 600 ppm. Der feuchtadiabatische Temperaturgradient in der Troposphäre verschiebt sich bei einer Erhöhung des CO2-Gehalts von 300 ppm auf 600 ppm nach rechts. Bei einer Verringerung des CO2-Gehals von 300 ppm auf 150 pmm verschiebt er sich nach links. In der Stratosphäre führt eine Erhöhung der CO2-Konzentration nicht zur Erwärmung, sondern zur Abkühlung.

Manabe&Wetherald1967c

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22 Kommentare
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  1. EIKE und Naeb e.V. sind zwei Vereine, die versuchen etwas Licht in die Verwirrungen der Medien mit ihrer Gehirnwäsche zu bringen. Im Vergleich der Möglichkeiten ist das ein schlimmerer Kampf als David gegen Goliath. Die Schellnhubers und Latifs benutzen schamlos ihre Medienmacht und Vernetzung mit der Regierung für ihre eigene Karriere. [Nanana, Vergleiche, wie der den ich hier gelöscht habe, werden der Angelegenheit sicher nicht gerecht, Admin Heller]
    Die Stellschrauben des Klimas können nur wenige erklären, wer ein Geschäftsmodell daraus macht handelt kriminell.

  2. Krüger sagt:

    Und jetzt muss ich ein wenig spekulieren, da es hierzu wenig Literatur gibt: Lässt man nun die Treibhausgase und Wolken komplett verschwinden, so verschiebt sich im neuen Gleichgewicht der feuchtadiabatische Temperaturgradient von -6,5°C / 1000 m um ca. -33°C nach links.

    Das ist die TE Glaubenslüge in anderer Form. Die Wirklichkeit kann nur durch Messung der irreversiblen Energieflüsse im System Sonne .- Erdoberfläche -- Atmosphäre -- Weltall beschrieben werden. Siehe http://www.gerhard-stehlik.de

  3. @Stehlik

    Der eine sagt so, der andere so. Herr Ebel z.B. würde mir glaube ich hier zustimmen. Wer bessere Ideen hat, kann die hier gerne mit mir diskutieren.

  4. PS: Und ohne THG und Wolken verschiebt sich Abstrahlungshöhe naturlich auf Null Meter. Die Frage ist nur, was sich dann genau für ein Temperaturgradient einstellt. Und welche Temperatur am Boden herrschen sollte.

  5. @Krüger

    „Lässt man nun die Treibhausgase und Wolken komplett verschwinden, so verschiebt sich im neuen Gleichgewicht der feuchtadiabatische Temperaturgradient von -6,5°C / 1000 m um ca. -33°C nach links“

    Das ist Humbug:
    Wenn sie die Wolken verschwinden lassen dann fällt die Wolkenalbedo weg und die Einstrahlung erhöht sich von 70 auf 90%.
    ,der THE halbiert sich, so schätzt ich mal.

  6. Lieber Herr Stehlik #2,

    was ihr Link/Post nicht erklärt ist, wie sich die Erhöhung der CO2 Konzentration z.b. von 280 ppm auf 560 ppm auswirkt.

    Wird dadurch die Oberfläche wärmer oder kälter?
    Das beantworten sie leider nicht.

    Das beantwortet und erklärt aber das Bild von Herrn Krüger.

  7. @noah

    Wenn sie die Wolken verschwinden lassen dann fällt die Wolkenalbedo weg und die Einstrahlung erhöht sich von 70 auf 90%.

    Im Gleichgewicht gilt immer Einstrahlung gleich Ausstrahlung.

    PS: Stimmt, ohne Wolken ist die Ausstrahlung und Ausstrahlungstemperatur höher als -18°C. Also müssen die Wolken bleibe. Danke.

  8. @Krüger
    „Im Gleichgewicht gilt immer Einstrahlung gleich Ausstrahlung.“

    Stimmt, nur muss bei höherer Ausstrahlung auch die Temperatur höher sein.
    Nebenrechnung:
    von 70 auf 90 macht ca. 30% , 4. wurzel aus 1.3 ~ 1.075 7% von 255 macht ca. 18

    Die Oberflächen-Temperatur müßte dann bei ca. 0° C liegen. und nicht bei -18° C.
    Der THE wäre demnach 15°C, ich hoffe sie können das nachvollziehen, IQ > 120 müßte genügen.

  9. @noah

    Hatte gerade meinen Kommentar ergänzt.

    PS: Stimmt, ohne Wolken ist die Ausstrahlung und Ausstrahlungstemperatur höher als -18°C. Also müssen die Wolken bleibe. Danke.

  10. @Krüger
    PS: Die Albdeo liegt mit Wolkenbedeckung bei ca. 30% aber ohne Wolkenbedeckung nur bei 10%.
    Deshalb ist die Einstrahlung (=Ausstrahlung) ohne Wolkenbedckung höher und deswegen muss sich eine höhere Oberflächentemperatur einstellen.

  11. @noah

    90% sind aber ein bisschen zu hoch gegriffen. Ich würde 80% schätzen. Woher haben Sie die 90%?

  12. @noah

    Die Albdeo liegt mit Wolkenbedeckung bei ca. 30% aber ohne Wolkenbedeckung nur bei 10%.

    Ist schon klar.

    FS = (F / 4) · (1 – A)

    Woher haben Sie die 10% bzw. 90%?

  13. PS

    http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/upload/Albedo-Werte.gif

  14. @Krüger
    „Woher haben Sie die 10% bzw. 90%?“
    Müsste ich selbst suchen, (auf die Schnelle ist das nicht gelungen).
    Herr Heß hat kürzlich einen Beitrag zur Wolk…ung gebracht.

  15. @noah

    Ist auch egal. Im Artikel habe ich jetzt und Wolken gestrichen.

  16. Mich überzeugt das Modell nicht. Denn der atmosphärische Gradient ist faktisch dem feuchtadiabatischen Gradienten sehr ähnlich, aber es gibt keinen erkennbaren Wirkzusammenhang. Denn der feuchtadiabatische Gradient entsteht beim Kondensieren von Wasser in aufsteigender Luft, also nur die übersättigter Luftfeuchte. Dies passiert in Wolken, aber nicht in der Vielzahl von Wettersituationen.

    In der Realität wäre der trockenadiabatische Gradient die bessere Orientierung. Allerdings bleibt die reale Atmosphäre meist unteradiabatisch. Das liegt daran, dass die Luft eine Viskosität hat und es noch andere Wärmetransportmechanismen gibt, vor allem den Strahlungstransport. Die Resultante, der durchschnittliche Temperaturgradient, ist demnach nur zufällig dem des feuchtadiabatischen Gradienten sehr ähnlich, aber nicht ursächlich. Bei einem veränderten radiativen Wärmetranport kann es darum auch zu einer Änderung des Gradienten kommen. Ich würde lediglich kleine Änderungen in den Steigungen erwarten. Ich wüsste nicht, wie man dies ausschließen kann.

    Ferner hätte ich kein Problem, wenn es sich bei Fig. 1 um H2O gehandelt hätte. Für CO2 ist die mittlere Abstrahlhöhe aber deutlich darüber. An anderer Stelle schrieb Herr Krüger von etwa 13 km. Ich meine aber mit Bezug auf die Arbeit von Herrn Heß, dass wegen der optischen Dicke die Abstrahlhöhe eher bei 20 km anzusetzen ist.

  17. @Landvoigt

    Wenn sich die CO2-Konzentration erhöht steigt die mittlere Abstrahlungshöhe der Erdatmosphäre (dort sind alle THG und Wolken berücksichtigt) über 5 km an. Gerade weil CO2 bis 10 km gut wirksam und im geringen Maße sogar bis zu 20 km, steigt die mittlere Abstrahlungshöhe an.

  18. @Landvoigt

    In der Realität wäre der trockenadiabatische Gradient die bessere Orientierung

    Nein. Denn in der Realität bildet sich mit H2O ein feuchtadiabatischer Temperaturgradient aus. Dafür ist nicht der Strahlungsfluss verantwortlich, wie Sie der Herleitung des fechtadiabatischen Temperaturgradienten entnehmen können. Der geänderte Strahlungsfluss verschiebt lediglich den feuchtadiabatischen Temperaturgradienten, nach rechts, oder links.

    Und nochmals zur mittleren Abstrahlungshöhe. Die gilt nicht für CO2 alleine, sondern ergibt sich für alle THG und Wolken.

    Die Erde strahlt mit 240 W/m^2 ab, also mit 255 K oder -18°C. Am Boden hat man 288 K, oder 15°C. Mit einem feuchtadiabatischen Temperaturgradienten von -6,5°C/1000m kommen Sie auf 33/6,5=5 km Abstrahlungshöhe.

  19. PS

    Eine CO2-Verdopplung macht 1°C, oder -4 W/m^2 aus.

    Die Erde strahlt dann mit 236 W/m^2 ab, also mit 254K oder -19°C. Am Boden hat man 288 K, oder 15°C. Mit einem feuchtadiabatischen Temperaturgradienten von -6,5°C/1000m kommen Sie auf 34/6,5=5,2 km Abstrahlungshöhe.

  20. PPS

    Und im neuen Gleichgewicht:

    Die Erde strahlt dann wieder mit 240 W/m^2 ab, also mit 255K oder -18°C. Am Boden hat man 289 K, oder 16°C. Mit einem feuchtadiabatischen Temperaturgradienten von -6,5°C/1000m kommen Sie auf 34/6,5=5,2 km Abstrahlungshöhe.

  21. Oje, bei EIKE geht es wieder ab und die Leseresistenten lesen meine Kommentare bei EIKE auch nicht.

    Paul: „Das weis auch mein 2-jähriger Sohn“

    Und das mit 72? Seine Frau ist ähnlich alt.

    #89: Martin Bauer sagt:

    am Montag, 17.11.2014, 10:37

    Macht endlich Schluss mit der Theorie des atmosphärischen Treibhauseffektes!

    Macht endlich Schluss mit Physik und Mathematik, mit Technologie und Zivilisation!

    Lasst uns in den Wald gehen, beten und Glauben, sammeln und jagen.

    Was für eine seltsame Verschwörungstheoretiker Seite ist denn dat hier?

    Sehr gut.

    Ergänzung dazu: Unsere gemeinsame Basis bei EIKE ist, dass der vermutete und behauptete CO2 Effekt in den Daten, um die es geht (globale oder auch lokale Temperatur der Atmosphäre) nicht aufzufinden ist. D.h. entweder ist er zu klein, oder nicht vorhanden. Was nun stimmt, darüber kann man -- und die Debatte zeigt es immer wieder- herrlich streiten. …
    mfG
    M.L.

    1. ist eindeutig der Fall.

  22. Hallo Herr Stehlik #2,

    ich habe mir nochmal ihren Link angeschaut:
    Sie schreiben zu dem Bild „Earth Energy Budget“:

    The upward thermal radiation flux (15%) from the surface into the atmosphere (position 2) is the key argument that CO2 cools the surface of the Earth. Since this thermal radiation flows away from the surface of the Earth it cannot be a factor in warming the surface.

    Ich denke das ist ihr Hauptmissverständnis. Das Bild zeigt eine Energiebilanz im stationären Zustand.
    Um die Wirkung einer CO2 Konzentrationserhöhung zu verstehen müssten sie zwei Energiebilanzen vergleichen mit unterschiedlichen CO2 Konzentrationen.

    Ihr Artikel geht deshalb am Thema vorbei.

    Grüße
    Günter Heß

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