Der Treibhauseffekt
4. Februar 2010 | Von Peter Heller | Kategorie: Artikel, Blog, Klimawandel, Wissenschaft
Vor einigen Tagen haben Prof. Lüdecke und Dr. Link auf EIKE eine aus meiner Sicht sehr gelungene Darstellung des Treibhauseffektes veröffentlicht. Nun ja, „Treibhauseffekt“ ist halt der eingeführte Begriff, obwohl er mit den Vorgängen in einem realen Treibhaus nicht viel gemein hat. „Atmosphäreneffekt“ wäre vielleicht angemessener. Egal, ich will verstanden werden und passe mich daher dem Mainstream an. Bleiben wir also bei „Treibhauseffekt“.
Seine Erfahrung von der Klimakonferenz in Berlin hat wohl Prof. Lüdecke zu dieser Arbeit getrieben. Denn dort stellte sich auch zu meiner Überraschung heraus, wie viele bemerkenswert kreativ formulierte Argumente gegen die Existenz dieses Treibhauseffektes durch bemerkenswert viele Leute ins Feld geführt wurden. Lüdecke hatte ihn auf einer seiner Folien beschrieben und schien angesichts der daraufhin startenden Debatte doch etwas überrascht und verwirrt. Gleiches wiederfuhr Luboš Motl, der ebenfalls wie selbstverständlich von der Realität des Treibhauseffektes ausgegangen war.
Diejenigen, die nicht an den Treibhauseffekt glauben wollen oder können, haben aber Häme nicht verdient. Denn die Ursache des Unverständnisses liegt in den vielen mangelhaften Erklärungen, die man so finden kann. Es ist kein besonderes Ruhmesblatt für unsere alarmistischen Wissenschaftler und Medien, eines ihrer zentralen Argumente nicht ausreichend zu erläutern. Stattdessen wird vernebelt und verkompliziert, wo es nur geht. Den Menschen, die in der Regel eben kein Physikstudium absolviert haben, werden Spektren um die Ohren gehauen, die sie nicht verstehen, weil sie mit derartigen Diagrammen und deren Interpretation bislang einfach nichts zu tun hatten. Es wird von Gegenstrahlungen gefaselt und tatsächlich werden Strahlungsdichten wie vektorierbare, bilanzierbare Größen mit wild umherspringenden Pfeilen veranschaulicht, was nun vollkommener Mumpitz ist. Ich habe selten so viel Blödsinn über den „Schwarzen Körper“ gelesen, wie im Zusammenhang mit den diversen Erläuterungen des Treibhauseffektes. Von Schichten in der Atmosphäre, die infrarote Strahlung „reflektieren“, will ich nicht mal reden und wenn Sven Plöger im Fernsehen unwidersprochen über „schwarze Pappe“ schwadronieren darf, dann ist das schon – ehrlich? – ehrlich! – zum Kotzen.
Von daher ist der Ansatz von Prof. Lüdecke und Dr. Link sehr begrüßenswert. Aber wie die mal wieder ausufernde Debatte auf EIKE zeigt, scheint auch dieses Papier noch zu kompliziert zu sein. Es geht auch einfacher, denke ich. Und deswegen will ich auch mal den Versuch unternehmen, den Treibhauseffekt so zu erläutern, daß ihn wirklich fast jeder verstehen kann. Auf die banalste und trivialste Weise, die mir möglich ist (ich bin kein Lehrer und auch kein großer Didakt). Ich operiere im folgenden mit groben Vereinfachungen und geschätzten, ungefähren Werten. Nicht, weil ich es nicht besser könnte, sondern weil jede tiefergehende, genauere Erklärung einen weiteren Absatz an Zusatzerläuterungen erfordern würde. Auch so ist der Text schon lang genug.
(Viele Puristen werden sich an meinem Mut zur Lücke stören. Begriffe wie „stationäre Atmosphäre“, „adiabatische Zustandsänderung“, „innere Energie“, „ideales Gas“ benutze ich schlicht nicht. Und auch die üblichen Spektren ignoriere ich. Ich bitte diesmal in der Debatte wirklich in das Kalkül einzubeziehen, daß ich jeden potentiellen Leser, also auch einen Nicht-Naturwissenschaftler und Nicht-Techniker, erreichen möchte.)
Erde und Sonne
Die Strahlungsleistungsdichte der Sonne auf Höhe der Erdbahn beträgt 1.367 W/m². Diese fällt auf die Querschnittsfläche Q der Erde, mit R als Erdradius ist letztere also gegeben als:
Q = πR²
Etwa 30% der ankommenden Strahlung werden durch die Erdoberfläche und die Atmosphäre wieder in den Weltraum reflektiert. Die restlichen 70% werden absorbiert.
Und im Gleichgewichtsfall auch wieder emittiert. Und zwar von der gesamten Kugeloberfläche O der Erde:
O = 4πR²
Die absorbierte Strahlungsleistung verteilt sich also auf eine um den Faktor 4 größere Fläche für die Emission. Die Leistungsdichte der emittierten Strahlung muß daher um den Faktor 4 geringer sein, damit die Annahme des Gleichgewichtes erfüllt ist.
Wir erhalten auf diese Weise für die von der Erde in den Weltraum emittierte Strahlung eine Leistungsdichte von:
S = 0,25 (Oberflächenfaktor) × 0,7 (absorbierter Anteil) × 1367 W/m² = 239 W/m²
Nun kommt der berühmte Schwarze Körper ins Spiel. Dessen thermodynamische Temperatur hängt allein von der von ihm emittierten Strahlungsleistung ab. Der entsprechende Zusammenhang wird durch die Stefan-Boltzmann-Gleichung beschrieben:
S = σT4 (mit σ = 5,67 × 10-8 W/m²/K4)
Einem Schwarzen Körper mit einer Emission von S = 239 W/m² kann man daher eine Temperatur T von ungefähr -18° C (255 K) zuordnen.
Wenn nun jemand aus dem Weltraum, aus großer Entfernung, die Temperatur der Erde bestimmen wollte, wie würde er das machen? Er kann ja nicht einfach ein Thermometer hochhalten. Er würde vielmehr ein Spektrum der von der Erde emittierten Strahlung aufnehmen. Und dieses mit den ihm bekannten, berechenbaren Spektren von Schwarzen Körpern vergleichen. Die -18°, die unser extraterrestrischer Astronom dann erhielte, stellen also die Temperatur dar, die die Erde hätte, wäre sie ein Schwarzer Körper. Um dies zu verdeutlichen, spricht man in der Physik von der sogenannten „Strahlungstemperatur“. Die Strahlungstemperatur der Erde beträgt -18° C.
(Irdische Astronomen arbeiten im übrigen ganz genau so, wie unser Extraterrestrier. Wann immer Sie also so etwas lesen, wie „der Himmelskörper hat diese Temperatur“, dann müssen Sie beachten, daß es sich hierbei um die Strahlungstemperatur handelt. Also eben die Temperatur, die der Stern oder der Planet hätte, wäre er ein Schwarzer Körper. Das ist in guter Näherung für viele Himmelskörper tatsächlich der Fall. Für die Erde auch? Das nehmen wir nun einfach einmal an – ohne nähere Begründung. Ich möchte den Text kurz halten, und nicht zu weit ausufern.)
Warum ist die Luft am Erdboden wärmer, als in der Höhe?
Weil sich die Atmosphäre in einem Gravitationsfeld befindet. Dieses erzeugt einen Dichtegradienten in unserer Lufthülle, am Boden ist die Luft dichter, als in großer Höhe. Wenn man nun ein Gas verdichtet, steigt seine Temperatur.
Man kann sich das auch anders klarmachen. Die Energie eines Gasmoleküls in der Atmosphäre setzt sich aus zwei Bestandteilen zusammen: der potentiellen Energie aufgrund seiner Höhe und der kinetischen Energie aufgrund seiner Bewegung. Fällt es nun aus großer Höhe zu Boden, wird potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Es wird beschleunigt, es bewegt sich schneller. Die Summe beider Energieformen ist aber immer dieselbe (Energieerhaltungssatz). Je tiefer sich das Gasmolekül also in der Atmosphäre aufhält, desto geringer ist seine potentielle und desto größer seine kinetische Energie. Die Temperatur eines Gasvolumens ist ein Maß für diese kinetische Energie, sie ist umso höher, je schneller sich die Moleküle in diesem Volumen bewegen. Ergo ist die Luft am Erdboden wärmer, als in der Höhe.
Um wieviel genau, kann man ausrechnen (und messen). Für die Lufthülle der Erde gibt es verschiedene Angaben in der Literatur, verbreitet ist ein mittlerer Wert von 6,5° pro km. Mit jedem Kilometer, den wir aufsteigen, verringert sich die Temperatur der Luft also um 6,5° gegenüber dem Erdboden.
(Dieser Zusammenhang gilt erst einmal nur für die untere Atmosphärenschicht, die Troposphäre, bis in etwa 8 (an den Polen) bis 18 (am Äquator) km Höhe. Darüber werden die Verhältnisse kompliziert. In der Troposphäre befindet sich aber 90% der Gasmenge unserer Lufthülle und damit auch fast die gesamte Menge an Treibhausgasen.)
Die Treibhausgase
Treibhausgase sind solche, die infrarote Strahlung absorbieren und entweder in kinetische Energie (in Bewegung) umsetzen, oder auch wieder reemittieren. Diese Eigenschaft wiesen fast alle drei- und mehratomigen Gase auf. Insbesondere auch die bekannten Protagonisten der Debatte, Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan. Gemeinsam sorgen sie dafür, daß die Troposphäre für infrarote Strahlen ziemlich undurchsichtig ist. Sie wird natürlich umso durchsichtiger, je höher man kommt, denn die Dichte auch der Treibhausgase sinkt. Ab etwa 5 km Höhe erreicht die von dort emittierte IR-Strahlung den freien Weltraum.
Der Treibhauseffekt
Und damit auch unser Astronomen-Alien, das gerne die Strahlungstemperatur der Erde messen möchte. Es bestimmt also eigentlich die Temperatur einer Schicht der Atmosphäre, die in etwa 5 km Höhe über dem Meeresspiegel liegt. Zu -18°. Gegenüber dieser Schicht steigt die Temperatur zum Erdboden hin um eben 5 mal 6,5, also etwa 33°. Auf diese Weise ergibt sich die mittlere Temperatur am Boden zu -18°+33°=15° und voilá, das ist er dann schon, der sogenannte „natürliche Treibhauseffekt“.
Das wäre die triviale und hoffentlich für jedermann verständliche Erläuterung des Treibhauseffektes. Die nach meiner Auffassung auch physikalisch widerspruchsfrei ist.
(Und damit ist auch klar, warum ein „Beweisexperiment“ im Labor nicht möglich ist. Weil man die Schwerkraft nicht einfach abschalten und somit den erforderlichen Dichtegradienten nicht darstellen kann. Wann immer Ihnen jemand erzählt, mit seinem Versuchsaufbau wäre nun der Treibhauseffekt bewiesen, dann glauben Sie ihm nicht. Er hat wahrscheinlich lediglich gezeigt, daß Kohlendioxid infrarote Strahlung absorbiert und reemittiert oder durch Stöße weitergibt. Mehr nicht.)
Der Ansatz der Klimaforschung wird nun deutlich: Wenn man die Menge an Treibhausgasen in der Troposphäre steigert, erhöht sich die „Grenzschicht“, ab der die Atmosphäre für IR-Strahlung durchsichtig wird. Die Temperatur dieser „Grenzschicht“ ist aber immer -18° (aufgrund des oben angenommenen Strahlungsgleichgewichtes). Liegt sie nur 100 Meter höher, steigt dadurch die Temperatur der Luft am Erdboden um im Mittel 0,65° (es liegen dann eben nicht mehr 5 km Luft zwischen dieser Schicht und dem Erdboden, sondern 5,1 km).
Der Treibhausprozeß – Worüber wird gestritten?
Zweifel an dieser Modellvorstellung sind nicht zielführend. Es ist schon häufig berechnet worden, was denn nach diesem Modell selbst eine Verdoppelung des Kohlendioxid-Gehaltes in der Erdatmosphäre ausmachen würde. Nämlich eine Temperaturerhöhung um etwa 1° im Mittel. Also nichts, worüber man sich Sorgen machen müßte.
Aus der Sicht der Klimaforscher ist der Treibhauseffekt als solcher auch nicht besonders spannend. Sondern die Art und Weise, wie er mit den anderen Prozessen, die unser Klimasystem ausmachen, in Wechselwirkung tritt. Bislang habe ich unter „Treibhauseffekt“ eigentlich dieses Gesamtbild verstanden. Jetzt schlage ich zur besseren Differenzierung den Begriff „Treibhausprozeß“ vor.
Und über diesen wird in der Tat gestritten – und man kann auch trefflich darüber debattieren. Die eigentlich spannende und kritische Annahme vieler Klimaforscher ist nämlich, eine Verstärkung des Treibhauseffektes durch mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre würde automatisch eine Reihe anderer Prozesse in Gang setzen oder verstärken. Prozesse, die in Summe die Temperatur viel stärker erhöhen, als es der durch das Kohlendioxid verursachte Treibhauseffekt allein jemals könnte. Das sind die berühmt-berüchtigten Feedback-Mechanismen, deren Zusammenwirken durch die sogenannte Klimasensitivität beschrieben wird.
Tiefer werde ich an dieser Stelle nicht einsteigen, denn ich möchte zum Ende kommen. An den gesamten Prozeß, also „Treibhauseffekt plus Feedback-Mechanismen“ denke ich, wenn ich vom „Treibhausprozeß“ spreche. Das mag sich konstruiert anhören, ist aus meiner Sicht aber wichtig. Denn die wissenschaftliche Debatte dreht sich um die Frage, ob denn der „Treibhausprozeß“ ausreichend verstanden ist und ob er in der Weise wirkt, wie es die Alarmisten annehmen. Zweifel am „Treibhausprozeß“ sind also nicht nur gestattet, sondern wichtig für den Erkenntniszuwachs. Zweifel am „Treibhauseffekt“ führen nicht weiter.
guden,
hab heute was gutes aus dem rt nachrichtenkanal gefunden. wer dem englischen mächtig ist solte sich das anschauen.
anscheindend wirds etwas eng für unsere co² prediger.
http://www.youtube.com/watch?v=QwLL2Cjfed8&feature=sub
Lieber Herr Heller,
ich wüsste gern woher Sie die Zahlenangaben z.B. für die Albedo ( ca. 30 %) und die Ø globale Ø Temperatur der Erde (geschätzte 15 °C) haben. Wie genau sind diese Schätzungen? Und Bbleiben diese Werte über die Zeit konstant oder haben sie auch ein Zeitverhalten? Z.B. hat Sevensmark nachgewiesen, dass die Wolkenbedeckung fast 1:1 mit dem Verlauf der kosm. Höhenstrahlung korreliert. Die Albedo trittt nur auf der Tagseite auf, wie groß ist die Dämmung der Wolken auf der Nachtseite oder gar ihre Verteilung Tag /Nachtseite.
Ich wüsste auch gern, wann denn der postulierte Gleichgewichtszustand eintritt? Sofort? in 10 Tagen? In 1 Jahr? In 30 Jahren? Oder niemals? “Eiert” der Zustand um das Gleichgeicht herum?
Könnte es nicht sein, dass die Erwärmung eine Verhinderung der schnellen Abkühlung durch die Isolationseigenschaften der Atmosphäre geschieht?
Formeln ausrechnen ist leicht, ihre physikalische Zuordnung eher nicht.
Warum ist die Luft am Erdboden wärmer, als in der Höhe?
Sehr geehrter Herr Heller,
wenn Ihre Erklärung der Temperaturänderung stimmen würde, dann dürfte die Abkühlung nach oben keine Grenze haben – aber in der Realität ist an der Tropopause Schluß.
Ihre Vermutung “Die Summe beider Energieformen ist aber immer dieselbe (Energieerhaltungssatz).” geht zwr etwas in die richtige Richtung ist aber etwas falsch. Der Grund für die Temperaturabname mit der Höhe ist die Vertikalzirkulation. Mit der Höhe nimmt der Druck ab. Deshalb dehnt sich ein aufsteigendes Luftpakat gegen den Umgebungsdruck aus und zur Ausdehnung ist Energie erforderlich. Diese Energie wird der Wärmeenergie des Luftpakets entzogen (Energieerhaltungsatz). Dabei würde sogar ein Temperaturgradient von 9,8K/km eintreten. Da aber in kälterer Luft Wasserdampf kondensiert, wird auch Energie von der Kondensationswärme genommen. Dabei sinkt der Temperaturgradient auf ca. 6,5K/km: Ohne Vertikalzirkulation keine Temperaturabnahme..
Oberhalb der Tropopause ist fast keine Vertikalzirkulation und deshalb ist Ende mit dem Temperaturabfall.
MfG
Lieber Herr Limburg,
schön, Sie auch hier zu lesen. Vorweg: Keine Sorge, ich bin nicht zur anderen Seite abgewandert.
Tja nun, da wollte ich es bewußt einfach halten, damit jeder es nachvollziehen kann. Und nun wird mir vorgeworfen, nicht kompliziert genug zu sein. Um das mal ganz klar zu sagen: Sobald man mit adiabatischen Zustandsänderungen, idealen Gasen und ähnlichem anfängt, schaltet selbst meine Zahnärztin ab. Obwohl diese studiert hat und auch sonst nicht gerade dumm ist. Ich glaube ja nicht, daß mein Text nun Big-Brother-Kandidaten erreicht, aber den interessierten Laien, die willens und in der Lage sind, das bißchen Mühe des Selberdenkens beizubringen, hatte ich schon im Fokus.
Und für diesen, Herr Limburg, habe ich obigen Text geschrieben. Weil ich eben denke, daß der Lüdecke/Link-Beitrag bei EIKE immer noch zu kompliziert ist.
Ich könnte es mir jetzt einfach machen: Die Zahlen habe ich einfach bei Lüdecke und Link abgeschrieben. Fragen Sie also Ihren Pressesprecher…;)
Nein, ernsthaft: Folgende Randbedingungen liegen obiger Betrachtung zugrunde:
- eine statische, im thermodynamischen Gleichgewicht befindliche Atmosphäre, in der keinerlei Konvektion oder ähnliche Ausgleichsströmungen mehr stattfindet, eine Atmosphäre also, die vollkommen zur Ruhe gekommen ist
- eine Atmosphäre, die sich als ideales Gas beschreiben läßt
- eine vollkommen gleichmäßige und ebene Erdoberfläche, die also überall dieselbe Albedo aufweist, mithin überall aus dem gleichen Material besteht
- eine Erde, die sich als Schwarzer Körper auffassen läßt
Dann, und nur dann, ergeben sich die obigen Zahlenwerte. Eine derartige Reduktion auf die wesentlichen Parameter ist gestattet, denn es gilt das Prinzip eines bestimmten Effektes zu beschreiben. Nur das Prinzip, mehr nicht. Was ich oben beschrieben habe, ist sozusagen die Essenz des Treibhauseffektes so, wie ihn die Klimaforschung annimmt. In der Physik ist es die Regel, mit solchen einfachen Vorstellungen zu operieren. Der “Massenpunkt” oder auch der “starre Körper” aus der Mechanik sind Beispiele dafür. Wir erfassen die Prinzipien der realen Effekte in der Theorie eben durch ein auf das wesentliche reduziertes Modell.
(In der Alltagssprache verstehen wir unter einem “Modell” etwas, was die Realität so genau wie nur möglich abbildet. In der Physik ist es genau umgekehrt. Hier ist ein Modell eine abstrakte, auf das wesentliche reduzierte Abbildung der Realität).
In der Wirklichkeit muß sich der Treibhauseffekt natürlich mit zig anderen Effekten “auseinandersetzen”. Inwieweit diese ihn nun verstärken, oder gar abschwächen, ist eine Frage, die niemand derzeit ausreichend genau beantworten kann. Aber der Effekt als solcher existiert zweifellos, ob er nun Auswirkungen hat, oder nicht.
Ich weiß ja, was Sie hören wollen. Also gut: In Wahrheit ist die Erdoberfläche ein höchst differenziertes Gebilde mit höchst differenzierten Strahlungseigenschaften. Sie heizt die Luft daher an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich auf. Dadurch entstehen Strömungen (vertikal und horizontal), die letztlich wesentlich unser Wetter verursachen (neben Luftfeuchtigkeit und anderen Parametern). Die reale Erdatmosphäre befindet sich nicht im thermischen Gleichgewicht, nicht global und auch nicht lokal. Da zwischen zwei verschiedenen Punkten auf der Erdoberfläche also kein thermisches Gleichgewicht herrscht, ist eine “durchschnittliche Temperatur” dieser beiden Punkte auch nicht definiert. Es gibt keine mittlere globale Temperatur. Eine ähnliche Argumentation kann man für die Albedo führen. Zufrieden?
Ich denke mal, trotz vieler schludriger Darstellungen auch und gerade im IPCC-Report, daß die Klimawissenschaftler das auch wissen. Das ist Basiswissen der Thermodynamik. Was aber nicht ausgeschlossen werden kann, ist ein globaler Effekt, der sich auf all die vielen verschiedenen lokalen Temperaturen gleichmäßig auswirkt, der also überall dieselbe Abweichung von einem langjährigen, lokalen Mittelwert (Anomalie) erzeugt. Und genau diesen (linearen) Effekt will man ja zeigen, wenn man in die Graphen der mittleren globalen Temperaturanomalie (diese allerdings ist als mathematische Konstruktion zulässig) Ausgleichsgraden einzeichnet. Daß es keine mittlere globale Temperatur gibt, ändert nichts an der prinzipiellen Möglichkeit der Existenz eines Treibhauseffektes.
Tag/Nacht und ähnliche Zyklen sind für die Darstellung des Prinzips des Treibhauseffektes ebenso unwichtig, wie Wolken und anderes. Stellen Sie sich einfach eine Erdkugel vor, die die einfallende Sonnenstrahlung absorbiert, in ihrem Inneren irgendwie umsetzt, und gleichmäßig über ihre Oberfläche verteilt wieder abstrahlt. Letzteres ist entscheidend, und nicht, ob nun die Einstrahlung auf eine Halkugel oder gar nur auf einen einzigen Punkt erfolgt. Wichtig für das Modell ist einfach nur, daß die Abstrahlung gleichmäßig erfolgt (Beachten Sie die labortechnische Realisierung des Schwarzen Körpers durch einen Hohlraumstrahler.).
Zitat:
Tja, das wüßte ich auch gern. Ich weiß es wirklich nicht. In meinem Modell oben ist er einfach ständig gegeben, weil ich jegliche Dynamik weggedacht habe. Ich würde mal das “herumeiern” vermuten, aber dazu sollten wir tatsächlich einen Klimaforscher befragen. Vielleicht besser gleich viele, denn wahrscheinlich sind diese sich auch in dieser Frage nicht einig.
Ich denke, das beantwortet auch Ihren Einspruch, Herr Ebel, zumindest zum Teil. Ihre Darstellung ist natürlich korrekt, aber Sie verwechseln da Ursache und Wirkung. Sie dürfen nicht ein aufsteigendes Luftpaket, das sein Volumen vergrößert betrachten, sondern ein bestimmtes Volumen, bspw. 1 Kubikmeter. Unten ist viel Gas in diesem Kubikmeter enthalten, er ist warm und übt einen höheren Luftdruck aus. Oben ist weniger Luft enthalten, er ist kalt und übt einen geringeren Luftdruck aus. Für die statische Atmosphäre kann man nun genau ausrechnen, welche Gradienten der Temperatur und der Dichte für einen stabilen Gleichgewichtszustand erforderlich sind (ich schreibe für die Laien, deswegen leite ich in obigem Text genau nicht die barometrische Höhenformel her – wieviel zehntausend Worte werden eigentlich verlangt, um den Treibhauseffekt zu erklären?). Wird in der Realität Luft durch den Boden erwärmt, so wird dieses Gleichgewicht gestört. Die Zirkulationsströmungen entstehen deswegen, weil die Atmosphäre danach strebt, das stabile Gleichgewicht aus meinem obigen Modell zu erreichen.
In der Stratosphäre herrschen deswegen andere Bedingungen, weil sie durch die Sonneneinstrahlung aufgeheizt wird. Dieser Effekt überlagert den natürlichen Temperaturgradienten. Das ist bei der Troposphäre nicht der Fall. Diese wird vom Boden her, von unten, erwärmt.
Wenn es allerdings den Treibhauseffekt gibt, dann steigt natürlich die Gesamtenergie der Troposphäre an. Und man kann zeigen, daß im Gegensatz dazu die Energie der Stratosphäre sinken muß (denn Energie entsteht ja nicht aus dem Nichts und die “Systemgrenze” für den Treibhauseffekt ist die gesamte Atmosphäre, man darf die Troposphäre nicht als energetisch abgeschlossenes System betrachten, das führt tatsächlich zu physikalischen Widersprüchen). Dummerweise wird genau das auch so gemessen.
Es hilft nichts, und es hilft auch nicht, die Dinge unnötig zu verkomplizieren. Der Treibhauseffekt ist real. Ob er aber auch die Auswirkungen auf das Klima haben kann, wie es die Alarmisten annehmen, ist zu hinterfragen.
@Heller
Ich habe in den letzten Jahre viele Versuche gelesen den “Treibhauseffekt” zu erklären.
Nun mal eine hypothetische Frage.
Wenn jetzt Aliens vorbeikommen und unsen Planeten betrachten und sich sagen, die armen Menschen leiden ja unter einer so dünnen Atmosphäre, wir schenken denen mal etwas Luft.
Gesagt, getan Dank überragender Technologie verdoppeln die Aliens einfach mal die Masse unserer Atmosphäre.
Was geschieht dann?
2 bar Luftdruck auf Erdgleiche?
Verschiebt sich die Grenzschicht nach oben und bleibt es bei den 6,5°C/Km Temperaturgefälle und wie hoch wäre dann die globale Mitteltemperatur?
MfG
Heinz Eng
Lieber Herr Heller,
danke für die Info. Ich werde sie sorgfältig lesen. Nur eines vorweg, nimmt man all die Vereinfachungen, die Sie nutzen als real und richtig hin (Was ich nicht tue, aber das wissen Sie ja) , dann ist das die beste Erklärung des THE die ich bisher gelesen habe. Ich halte die Atmosphäre wie Thieme für einen Wärmespeicher und komme gut ohne THE aus.
mfG
M.L.
Hallo Herr Eng,
Ich auch. Und die meisten gingen schief…
Ja. Wenn wir die Zusammensetzung der Atmosphäre als konstant ansehen, verdoppeln ihre Aliens ja auch die Menge an Treibhausgasen. Die Troposphäre wird damit noch undurchsichtiger für IR-Strahlung bzw. die Transparenz wird erst in einer größeren Höhe erreicht.
Ja. Dieser Gradient hängt von der Schwerebeschleunigung der Erde und den Materialeigenschaften ab (von der Wärmekapazität der Luft). Wenn die Aliens beides nicht ändern, bleibt es dabei.
Keine Ahnung. Mit der obigen Darstellung des Prinzips kann man nicht ausrechnen, wie hoch dann die “Grenzschicht” ist, ab der die Troposphäre IR-durchsichtig wird. Und ich bin jetzt zu faul, um das selbst zu versuchen. Ich befürchte nämlich, daß dies nicht trivial ist und müßte mich in die entsprechende Physik erst einarbeiten.
Werter Herr Heller,
das ist bisher der beste Ansatz eines Erklärungs-Versuches des so genannten “Treibhaus-Effektes der Atmosphäre”.
Ich persönlich halte den Begriff für völlig deplatziert. Ich bevorzugte den Begriff “thermodynamischen Atmosphäreneffekt” oder “atmosphärischen Wärmeeffekt”.
Aber zur Modell-Darstellung Ihre Erklärung. Sie betrachten ein ideales Gas – gut.
Dann bemühte ich mal die “Kinetische Theorie der Gase”. Aus der Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung ergibt sich eine geringe Zahl langsamer bzw. schneller Moleküle und eine größere Zahl mittelschneller Teilchen (laut Glockenkurve).
Die Verweildauer bei Anregung durch Infrarot (Vibrationsanregung) beträgt bei CO2 ca. 10^-5 – 10^-4 Sekunden. Die Verweildauer der durch Infrarot im Vibrationszustand angeregten Elektronen des CO2 beträgt bei Strahlungsabsorption also rund 1 x 10^-6 Sekunden, bevor sie wieder die absorbierte Strahlung emittieren können.
Vergleicht man nun die Zusammenstoßwahrscheinlichkeit für CO2 und die sich daraus ergebenen Zeiten in verschiedenen Höhen der Atmosphäre mit der Verweildauer der angeregten Elektronen des CO2 im angeregten Vibrationszustand, so wird man folgendes feststellen:
1. 0,001 – 5000m : sehr viel Kollision (1000-mal wahrscheinlicher), sehr wenig Emission
2. 5000 – 8000m : viel Kollision (350-mal wahrscheinlicher), wenig Emission
3. 8000 – 12000m : wenig Kollision, viel Emission (100-mal wahrscheinlicher)
Oder etwas anders formuliert: Es ist bis zu einer Höhe von 10 km wahrscheinlicher, dass ein angeregtes CO2-Moleküle seine Energie durch Stoss mit einem anderen Molekül (Stoßdeaktvierung) abgibt, als die Emission der Energie durch Strahlung.
Was man mit Planck berechnet, sind also die wenigen ganz langsamen unten und mehr oberhalb 10 km Höhe. Man erfasst also mit der Planckschen Gleichung (oder Stefan-Boltzmann) den Hauptteil der CO2-Moleküle gar nicht, weshalb die Gleichung nicht anwendbar ist und unterhalb 10 km falsche Ergebnisse liefert.
Lieber Herr Kinder,
Es ist genau umgekehrt.
Damit man die Planck’sche Strahlungsformel für die spezifische Austrahlung eines Atmosphärenvolumens verwenden darf, müssen die Bedingungen s „Lokales Thermodynamisches Gleichgewicht“ herrschen. Das heißt innerhalb des Gasvolumens sind die zu betrachtenden Energiezustände gemäß der Boltzmannverteilung besetzt. Diese Bedingung gilt gerade für die Troposphäre und Infrarotwellenlängen > 3 µm besonders gut und wird durch Stöße eingestellt. Im thermischen Infrarot > 3µm beträgt die natürliche Lebensdauer der angeregten Schwingungszustände zwischen 0.1-1 Sekunde. Die Zeit zwischen zwei Stößen ist bei Atmosphärendruck und 270 K zum Beispiel in der Größenordnung 10E-5 Sekunden.
Unter diesen Bedingungen darf man dann die spezifische spektrale Ausstrahlung eines Atmosphärenvolumens als Produkt aus Emissionsgrad und Planckfunktion beschreiben. Der Emissionsgrad ist eine Materialeigenschaft und hängt von der Zusammensetzung der Atmosphäre ab. Ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre ändert sich die spezifische spektrale Ausstrahlung der Atmosphäre über den Emissionsgrad. Das CO2 ändert den Emissionsgrad eines Atmosphärenvolumens. Die Temperatur und die Wellenlänge bestimmen den Wert der Planckfunktion.
Die mikroskopische Emission eines Photons darf man nicht mit dem makroskopischen Emissionsgrad eines festen oder flüssigen Körpers oder eines ausgedehnten Atmosphärenvolumens verwechseln.
Dürfte man die Planckfunktion in der Troposphäre nicht verwenden täten sich Infrarotthermometer und Wärmebildkameras einigermaßen schwer.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Ja, wenn man ein Gas in einem Kolben adiabatisch komprimiert, nicht aber im stationären Temperaturgradienten. Dort hat es seine Temperatur durch Wärmeleitung angeglichen. Der Gradient kommt durch Abstrahlung und Wärmeleitung zustande. Der Ansatz hat einen Denkfehler. Er stellt die Sache auf den Kopf. Das Schwerefeld trägt zum Gradienten über die Dichte bei, zugegeben. Sie verwechseln den Temparaturgradienten mit dem “Treibhauseffekt”, dem Effekt, daß die Atmosphäre für einige Frequenzen nicht durchsichtig ist. Aus der partiellen Undurchsichtigkeit folgt nicht zwangsläufig eine Erwärmung. Also ist “Treibhaus” physikalisch und sprachlich nicht in Ordnung. Das wird auf beiden Seiten des Wissenschaftskrieges nicht verstanden. Wo Absorption ist, da ist auch Emission. Jede Empfangsantenne hat die gleichen Eigenschaften als Sendeantenne. Das ist kein technischer Sachverhalt sondern ein philosophischer, er gilt fürs ganze Universum und sämtliches Inventar. Ohne “Treibhausgase” könnte die Atmosphäre nicht abstrahlen, also kühlen. Dieser Satz wird nun wieder die andere Seite der Krieger auf die Barrikaden locken.
Carsten
–
“Die UNO ist ein Sauhaufen”
Peter Scholl-Latour
Lieber Herr Thumulla,
der planetare „Treibhauseffekt“ ist ein Temperaturgradient mit der Eigenschaft, dass die Oberflächentemperatur größer ist als die effektive Strahlungstemperatur des jeweiligen Planeten. Das ist für terrestrische Planeten eine experimentelle Beobachtung. Die wird nun mal so genannt.
Ein adiabatischer Temperaturgradient ist auch mit einer total transparenten Atmosphäre möglich, aber dann ist die Oberflächentemperatur gleich der effektiven Strahlungstemperatur, da der Emisssionsgrad der Atmosphäre dann per Definition (Transparenz) Null ist und der Treibhauseffekt als Folge per Definition Null wird. Existiert ein Temperatur- und Dichtegradient, und liegen die Drücke im Bereich größer 10 Pa oder so, dann führt eine partielle Undurchsichtigkeit der Atmosphäre dazu, dass die Oberflächentemperatur im Zusammenspiel mit der Sonne größer als die effektive Strahlungstemperatur werden kann. Meine Betonung liegt auf „kann“, da die Undurchsichtigkeit im richtigen Wellenlängenbereich liegen muss.
Was genau passiert hängt vom genauen Aufbau und der genauen Zusammensetzung der Atmosphäre ab. Sie kennen ja vielleicht die Befürchtung vom nuklearen Winter. Auch das ist prinzipiell möglich.
Schaltet man die Sonne ab wird’s auch nicht wärmer.
Deshalb ist die Frage eigentlich nicht, ob der planetare „Treibhauseffekt“ qualitativ existiert oder nicht. Er ist ja experimentell beobachtet. Wir leben darin.
Die Diskussion geht eigentlich immer nur über Details im physikalischen Denkmodell das gerade vom Diskutanten verwendet wird. Mit keinem dieser einfachen Denkmodelle kann man aber quantitativ eine belastbare Aussage darüber bekommen, um wie viel Kelvin sich die globale Mitteltemperatur der Erde bei Verdopplung von CO2 erhöht.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
@Carsten Thumulla 6. Februar 2010 10:24
Dies gilt nicht für die selektive Strahlung der Gase. Das Verhältnis von Absorption und Emission ist von Dichte und Volumenanteilen abhängig. Dies ist doch im Artikel ausführlich beschrieben.
Aber auch die Umwandlung von Energie in Festkörpern und Flüssigkeiten kann dieses Verhältnis beeinflussen (Fotoelektrischer Effekt, induzierte Emission [Laser] …), hier liegt kein Gleichgewichtszustand vor.
Bei Antennenstrahlern wird bei optimaler Anpassung 50% der Energie abgestrahlt, im Empfangsfall 50% an den Empfänger weitergegeben, das ist korrekt, hat aber damit wenig zu tun.
Hallo Herr Heß!
Das ist ja das sprachliche Problem hier. Bei transparenter Atmosphäre hätten wir nicht das, was Treibhauseffekt genannt wird. Eine transparente Atmosphäre kann nicht abstrahlen. Der Effekt ist, daß die Atmosphäre Strahlung aufnimmt und abgibt. “Treibhaus” suggeriert Wärme und führt damit in die Irre. Es ist also den Treibhausgasen zu verdanken, daß wir einen Temperaturgradienten haben. Wenn die gesamte Atmosphäre 15°C hätte wäre es hier vielleicht nicht auszuhalten oder wir wären ganz anders gebaut.
@Wetterfrosch
Natürlich wird ein Schwarzes Loch nicht zur Sonne, ich meinte nur einfache Systeme. Dipolmoleküle wie CO2 strahlen die gleichen Frequenzen ab, wie sie aufnehmen.
Gruß
Carsten
–
“Sind 2,5 Grad Celsius Erwärmung und 30 Zentimeter Erhöhung des Meeresspiegels wirklich das Problem? Wird dies die Menschheit wirklich bedrohen? Braucht man die Menschheit wirklich vor diesen Folgen zu retten? Darauf würde ich antworten: Nein. Die Menschheit ist anpassungsfähig. In der Vergangenheit ist die Menschheit mehrmals mit solchen Veränderungen fertig geworden.”
Václav Klaus
Lieber Herr Thumalla,
Na Ja, der planetare „Treibhauseffekt“ ist zunächst eine Beobachtung. Es ist die Beobachtung, dass terrestrische Planeten eine höhere Oberflächentemperatur haben, als es ihrer effektiven Strahlungstemperatur entspricht. Und eben auch so definiert. Diese Beobachtung wird als „planetarer Treibhauseffekt“ bezeichnet. Das ist jetzt eine Definition, eine Beobachtung mit einer Bezeichnung und wie immer mit der Namensgebung ist sie vielleicht nicht treffend. Na und.
Meine Definition ist aus Bergmann, Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik Band VII Erde und Planeten S. 346.
Nehmen sie bitte nicht irgendeine Definition als Diskussionsgrundlage.
Diese Beobachtung wird qualitativ erklärt durch einen Temperaturgradienten plus eine semitransparente Atmosphäre plus konstante Einstrahlung durch die Sonne. Diese drei Ingredienzien können sie nicht trennen. Die semitransparente Atmosphäre muss auch noch die richtigen optischen Eigenschaften haben.
Optische Eigenschaften also Treibhausgase oder wolken etc. alleine, Temperaturgradient alleine , oder Sonne alleine erzeugen nicht den Treibhauseffekt.
Sie schreiben:
„Aus der partiellen Undurchsichtigkeit folgt nicht zwangsläufig eine Erwärmung.“ Sie verwechseln den Temparaturgradienten mit dem “Treibhauseffekt”, dem Effekt, daß die Atmosphäre für einige Frequenzen nicht durchsichtig ist.“
Ihre Beschreibung des Treibhauseffektes ist unvollständig und entspricht nicht der obigen Definition. Wo haben sie ihre Beschreibung denn her? Aus welchem Buch?
Das verwechselt Herr Heller eben nicht, denn ihre Beschreibung beschreibt nicht den planetaren „Treibhauseffekt“. Herrn Hellers Beschreibung hat aber alle notwendigen Ingredienzien und beschreibt den planetaren „Treibhauseffekt“. Das im Internet und in der Literatur viele unvollständige Beschreibungen kursieren, dafür kann Herr Heller nichts.
Aber sie können selbstverständlich ein Gedankenexperiment mit einer transparenten Atmosphäre machen, nehmen sie einen planetaren Körper, schalten sie die Gravitation aus, machen sie eine isotherme transparente Atmosphäre bei 3 Kelvin darum mit der gleichen Temperatur wie der planetare Körper, schalten sie jetzt die Sonne und die Gravitation parallel ein und überlegen welche Oberflächentemperatur sie bekommen und welche Temperatur- und Dichteverteilung sich in der Atmosphäre einstellt.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Hallo Herr Heß,
Da habe ich wohl gepfuscht. Ich habe nicht nachgesehen, ob es eine Definition gibt. Darauf wäre ich im Traum nicht gekommen. Es gibt Erklärungen zum Treibhauseffekt. Daß es jetzt auch Definitionen gibt macht mich richtig fertig. Seit wann kann man Effekte definieren? Können wir im nächsten Schritt auch Paradoxa definieren? Faß! Krone! Gesicht! Ein Effekt ist ein Effekt. Eine Definition ist eine Definition. Ein Paradoxon ist ein Paradoxon.
Gruß
Carsten
–
Es wurde schon alles gekocht, nur noch nicht von jedem
Lieber Herr Thumalla,
man macht eine Beobachtung – erläutert einen Effekt – und benennt die Beobachtung -den Effekt – mit einem Namen.
Damit ist der Name definiert, er steht synonym für die Beobachtung oder den Effekt.
Sie können selbstverständlich den Namen Treibhauseffekt auch für andere Beobachtung/Effekt verwenden. In einer wissenschaftlichen Diskussion muss aber jeder Begriff oder Name definiert sein, sonst macht die Diskussion keinen Sinn.
Ich wollte nur darauf hinweisen, dass sie meiner Meinung nach eine andere Definition verwenden als Herr Heller und war neugierig, wo Sie ihre Definition des Begriffes Treibhauseffekt her haben, vielleicht ist ja meine Definition falsch. Wo ich meine Definition bekommen habe, habe ich Ihnen gesagt.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Hallo Herr Heß!
Stimmt, ich hatte sowas im Sinne:
http://de.wikipedia.org/wiki/Treibhauseffekt#Atmosph.C3.A4rischer_Treibhauseffekt
Wenn ein Planet eine höhere Oberflächentemeratur hat als Strahlungstemperatur aus der Atmosphäre, dann enthält die Atmosphäre strahlungsaktive Gase. Das ist aber eine völlig andere Sache als der auf Strahlungsstreuung beruhende “Treibhauseffekt”. Ich halte auch von der Bezeichnung nichts. Sie ist physikalisch unbrauchbar und nichtssagend und sprachlich irreführend.
Gruß
Carsten
–
http://www.zeno.org/Literatur/I/bwe1027a
Lieber Herr Thumulla,
da machen Sie in der Tat ein Fass auf. Ich verwende deshalb eigentlich nie eine Wikipedia-Definition als Ausgangspunkt einer wissenschaftlichen Diskussion. Ich bin einfach davon ausgegangen, dass Herr Heller das auch nicht tut. Meine Empfehlung ist deshalb die Definition aus dem Bergmann Schaefer. Schlechte Namen gibt es in der Physik oft.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Hallo Herr Heß,
ok, wikipedia ist mit Vorsicht zu genießen. Aber wenn der Planet ohne Atmosphäre oder mit durchsichtiger Atmosphäre -18°C hat, dann muß der Unterschied schon von einem Zurückhalten der Energie kommen. Der Artikel versucht, die 15°C aus dem Temperaturgradienten herzuleiten und stellt die eigentliche Fragestellung damit auf den Kopf. Die Frage ist aber, woher kommt der Gradient. Wenn die Strahlungstemperatur an der Obergrenze des Planeten -18°C beträgt und die Oberflächentemperatur 15°C, dann steckt der Rest im Filter, der Atmosphäre. Die Differenz kann nur von einfallender und ausfallender Strahlung kommen. Das ist die Wirkung der strahlungsaktiven Gase. Das wäre der Effekt.
Gruß
Carsten
–
[Klima]
“Wir haben keine Ahnung aber wir wollen was tun — und dazu wolln wir viel Geld von den Bürgern haben!”
VMS-Greis
Herr Heß, ich bewundere Ihr Durchhaltevermögen, auch in der Diskussion bei EIKE.
Herr Thumulla, Sie verwechseln (wie so viele) Ursache und Wirkung und drehen sich im Kreis.
Der Temperaturgradient existiert, weil die Erde über ein Gravitationsfeld verfügt. Er existiert grundsätzlich, ob nun Treibhausgase in der Atmosphäre vorhanden sind, oder nicht. Sein Ausmaß hängt von der Schwerebeschleunigung ab und von den Materialeigenschaften (der Wärmekapazität) der Lufthülle. Das hat mit Strahlung erstmal nichts zu tun.
Gäbe es keine Treibhausgase in der Troposphäre, so wäre die effektive Strahlungstemperatur der Erdoberfläche -18°. In 5 Kilometern Höhe wäre es entsprechend kälter. Wohl nicht 33° kälter, sondern noch mehr (denn durch die Entfernung von insbesondere Wasserdampf aus der Atmosphäre haben wir die Wärmekapazität geändert).
Am einfachsten ist es, wenn Sie sich die Herleitung der barometrischen Höhenformel anschauen. Im Falle einer adiabatischen Atmosphäre aus idealen Gasen ergibt sich der lineare Temperaturverlauf (also ein konstanter Temperaturgradient) ganz zwanglos aus den klassischen Gasgesetzen. Ich verweise hier in Ermangelung einer anderen Quelle auf die Wikipedia.
Sie haben also in jeder Atmosphäre, die sich entsprechend beschreiben läßt, einen solchen Temperaturgradienten.
Wenn Sie nun die Treibhausgase hinzuaddieren, stellt sich natürlich die Frage, ob die Annahme vollkommen adiabatischer Zustandsänderungen noch zulässig ist. Aber das geht weit über den Fokus des obigen Textes hinaus. Es geht hier nur um das Prinzip, nicht darum, ein Modell zu erstellen, mit dem man etwas ausrechnen kann. Wenn Sie die Treibhausgase also hinzuaddieren, dann ändert sich nichts am Vorhandensein eines solchen Temperaturgradienten. Er mag eine andere Größenordnung haben (die Wärmekapazität ändert sich), aber kann bspw. für die Höhen, von denen wir hier sprechen, immer noch angenähert als konstant aufgefaßt werden (das kann man messen).
Es hilft vielleicht doch, wenn man sich in die Situation des extraterrestrischen Astronomen versetzt. Dieser bestimmt die effektive Strahlungstemperatur der Erde zu -18°. Dies wäre nur dann die Temperatur am Erdboden, wenn es keine Treibhausgase in der Atmosphäre gäbe. In der Realität ist es eben die Temperatur der Atmosphärenschicht, aus der die Abstrahlung der Erde in den Weltraum erfolgt.
Wenn Sie zwischen diese Schicht und den Erdboden eine mehrere Kilometer hohe Luftsäule legen, dann ist es nun einmal am Boden wärmer. Einfach, weil die Luftsäule einen Druck ausübt, jedes Volumen innerhalb der Säule übt einen Druck auf das darunterliegende aus.
Es geht hier auch nicht darum, in das Katastrophengeheul der anderen Seite einzustimmen. Ich bemängele oft, daß wir Skeptiker in der Öffentlichkeit nicht ernstgenommen, sondern als wissenschaftsferne Spinner diffamiert werden. Das ärgert mich. Um aber zu zeigen, daß diese Herabwürdigung falsch ist, müssen wir zunächst einmal verstehen (wollen), was die andere Seite denn denkt, und warum. Wir müssen also den Willen aufbringen, zu begreifen, warum denn so viele (eigentlich alle) Wissenschaftler von der Existenz eines Treibhauseffektes überzeugt sind und was genau sie darunter verstehen. Auch dazu dient der obige Text. Wenn man also nun auch diese, wirklich stark simplifizierte Darstellung für Unfug hält, ok, aber dann sollte man das zumindest als eine Erklärung dessen akzeptieren, was denn in der Klimaforschung unter “Treibhauseffekt der Atmosphäre” verstanden wird. Ob man nun findet, daß die Bezeichnung den Effekt richtig charakterisiert, oder nicht, ist dabei von der inhaltlichen Erläuterung zu trennen.
Lieber Herr Thumulla,
Herr Heller hat das im Artikel gesagt und ich oben in meinem Kommentar.
Sie brauchen Beides für die Erklärung. Einen Temperaturgradienten und die infrarotaktiven Gase. Es ist ein Wechselspiel. Das in der Erklärung zu trennen führt zur Verwirrung. Der Gradient kommt durch die Schwerkraft und durch die Zirkulation zustande, wie es Herr Heller und Herr Ebel erklärt haben.
Auf einem hypothetischen Planeten ohne Temperaturgradient in der Atmosphäre halten die Treibhausgase keine Energie zurück. Die Oberfläche kann dann keine höhere Temperatur haben, als es die eingestrahlte Energie der Sonne vorgibt und das wäre die effektive Strahlungstemperatur.
Die komplette Erklärung braucht das Wechselspiel und die Randbedingungen. Der Temperaturgradient gehört dazu.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Heller,
das Durchhaltevermögen liegt daran, dass ich „Skeptiker“ mag. Ich meine damit Menschen die nicht einfach glauben, sondern ihre eigenen Schlüsse ziehen. Diese Schlüsse mögen manchmal falsch sein, aber das geht mir und allen Menschen so. Gerade das ist ja der Kern der naturwissenschaft, immer wieder über Dinge zu diskutieren und nachzudenken, auch wenn man schon überzeugt ist richtig zu liegen.
Gerade dann sollte der Naturwissenschaftler über seine Schlussfolgerungen nachdenken. Deshalb ist mir die Mainstream-Klimaforschungs-Politiker um das IPCC gerade suspekt, weil Sie den Eindruck vermitteln, sie wüssten schon alles über unsere Erde und man bräuchte über den quantitativen Anteil des CO2 an der Erderwärmung nicht mehr nachzudenken. Ein Argument das den qualitativen Effekt widerlegt und meiner Untersuchung standgehalten hat , habe ich allerdings noch nicht gehört. Diese Argumente waren meiner Meinung nach bisher immer physikalisch falsch.Aber ich kann ja falsch liegen.
Eine Bestimmungsmethode die wissenschaftlich klar zeigt, welchen Anteil das CO2 an der Erderwärmung im 20. Jahrhundert hatte, habe ich noch nicht gelesen. Die bisherigen Paper die ich gelesen habe und der IPCC Bericht überzeugten mich bisher nicht.
Deshalb finde ich es wie sie schade, dass die physikalisch falschen qualitativen Argumente gegen den „Treibhauseffekt“, den Blick von der schwachen quantitativen wissenschaftlichen Basis ablenken.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Hallo Herr Heller, hallo Herr Heß,
dann habe ich den Artikel beim ersten Lesen doch richtig verstanden. Aber der Satz “Wenn man nun ein Gas verdichtet, steigt seine Temperatur.” hat mich aus den Latschen geworfen. Mir war nicht klar, daß im thermischen Gleichgewicht im Schwerefeld ein Temperaturgradient existiert und sah den Satz als auf adiabatische Kompression bezogen, was den Artikel dann entwertete.
Wenn sich die 6,5°C auf 1000m vollständig aus der Schwerkraft erklären ist kaum Raum für einen “Treibhauseffekt durch strahlungsaktive Gase”.
Sprachlich ist das alles eine Katastrophe und ich brauche mich nicht mehr über Mißverständnisse zu wundern. Man sollte dann auf jeden Fall die Worte “planetarer Treibhauseffekt” verwenden und niemals das Wort planetarer aus Faulheit weglassen. Atmosphäreneffekt wäre sicher besser und eine Anpassung auf Treibhauseffekt ist schon wegen dem fehlenden planetarer kontraindiziert! Das Wort Treibhaus sollte man generell meiden.
Weiterhin ist eine Definition eine selbst gesetzte Voraussetzung. Einen Effekt beschreibt man, man definiert ihn nicht — naja, lassen wir das.
Ich lese seit Climategate solche Artikel weil ich wissen will, was los ist. Dieser Aspekt ist mir bisher entgangen. Die Differenz von 33°C wird sonst auf “Treibhauseffekt durch Zurückhalten von Strahlungsanteilen” erklärt. Das geht auf Arrhenius zurück.
Na dann, vielen Dank und Tschüß und regen Sie sich bitte nicht über meine Signatur auf.
Gruß
Carsten Thumulla
–
“Der Klimawandel ist ein dramatisches, aber lösbares Problem. Seine Bewältigung ist eine Feuertaufe für die im Entstehen begriffene Weltgesellschaft.“
Stefan Rahmstorf, Hans-Joachim Schellnhuber
Lieber Herr Thumulla,
ein kleiner Hinweis noch:
Das ist jetzt ein Beispiel:
mit den “Treibhausgasen” haben wir zum Beispiel in 5 Km Höhe 255 K und am Erdboden 288K
ohne “Treibhausgase” hätten wir in 5Km Höhe 205K und am Erdboden 255K . Da der trockenadiabatische Gradient etwa 10°C/Km beträgt. Die effektive Strahlungstemperatur ist in beiden Fällen 255K. Im ersten Fall ist die Emissionshöhe bei 5 km, das machen die Treibhausgase, und im zweiten Fall am Erdboden.
Macht ja schon einen Unterschied.
Die Energie für die Erwärmung um 33°C kommt dann übrigens von der Sonne.
Welchen quantiativen Anteil jetzt das anthropogene CO2 hat ist meiner Meinung nach diskusionswürdig, da haben sie Recht. Aber die 33°C werden auch von den Treibhausgasen, insbesondere Wasser, mitbestimmt, aber Wolken und Aerosole spielen natürlich auch eine entscheidende Rolle.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Thumulla,
Nun, werten Sie den Satz bitte als den Versuch, auch einem Handwerksmeister (den ich damit keineswegs geringschätzen will) das Prinzip zu verdeutlichen. Der Text oben richtet sich an fachliche Laien, an Leute, denen ich eben genau nicht mit der barometrischen Höhenformel, geschweige denn mit “adiabatischen Prozessen” kommen kann.
Ich räume unumwunden ein, daß genau diese Stelle ein Schwachpunkt im Text ist. Mir ist nichts “alltagstauglicheres” eingefallen als eben der Gedanke an die Luftpumpe. Ich bin für jede Idee dankbar, es erstens korrekter und zweitens noch allgemeinverständlicher wiederzugeben.
Hallo Herr Heller,
dieser wichtigste Teil des Artikels braucht noch etwas. Der Satz ist nur irreführend, wenn man an die Verdichtung einer Gasmenge denkt. Als alleinige Erklärung geht das nicht. Den darauf folgenden Absatz Energie habe ich schlampig überlesen mit dem Hintergedanken, Temperaturen würden sich ja ausgleichen. Es gleichen sich aber die Impulse aus, was ohne Gravitation zu gleichem Druck und gleicher Temperatur also gleicher Energieverteilung führt. Genau das muß klargestellt werden. Vielleicht sollten dort doch Formeln rein? Formelsalat kann auch für mathematisch weniger begabte Leser ansprechend zubereitet werden, durch Beispiele.
Versuch:
In einer abgeschlossenen Gasmenge stellt sich nach einiger Zeit überall ein gleicher Druck und eine gleiche Temperatur ein. Dies geschieht, weil sich die Gasmoleküle gegenseitig anstoßen und die Energie untereinander gleich verteilen. Diese Verteilung der Energie geschieht über eine Verteilung der Impulse. Moleküle stoßen zusammen und dabei geben Moleküle mit hohem Impuls Energie an Moleküle mit niedrigerem Impuls ab. Es stellt sich eine Verteilung der Impulse und damit der Energie ein. Diese ist an jeder Stelle gleich. Damit sind Druck und Temperatur in der Gasmenge überall gleich. Legt man an diese Gasmenge ein Gravitationsfeld an so wird diese Verteilung gestört. Dabei entsteht bekanntermaßen ein höherer Druck in Richtung der Schwerkraft. Es entsteht aber nicht nur ein Druckunterschied sondern auch ein Temperaturunterschied, der die Energie der Moleküle repräsentiert.
Ich erinnere mich ganz dunkel an eine Ableitug von Impulsen und Energie von Molekülen. Das ist lange her und ich weiß nicht wo ich suchen soll.
Gruß
Carsten Thumulla
–
Zum anderen: Aktionismus. Sofort muß etwas geschehen, und da ist es fast egal, was. Irgendwas abschalten, verbieten oder strafbesteuern. Hauptsache schnell.
Ingo Menger
Hallo Herr Heß,
jetzt wollen Sie die Verwirrung komplettieren?!
Erfolgt die Abstrahlung in der Atmosphäre habe ich es mit strahlungsaktiven Anteilen im Gas zu tun. Das folgt nicht zwangsläufig aus “feuchtadiabatisch”. An dieser Stelle werden wieder zwei “Treibhauseffekte” miteinander verwurstelt oder ich habe es immer noch nicht verstanden. Die “feuchtadiabatische” Wirkung des Wassers muß man von seiner Strahlungsaktivität getrennt behandeln. Luft mit Wasserdampf hat andere Eigenschaften, ja, aber auch ohne Einstrahlung.
Also 33°K Differenz mit Wasserdampf und 50°K Differenz trocken.
Trenne ich jetzt in Gedanken die Stahlungswirkung des Wasserdampfes ab so erhalte ich:
255°K an der Erdoberfläche und 205°K oben trocken
255°K an der Erdoberfläche und 222°K oben feucht
Erst der Strahlungswiderstand der Atmosphäre verschiebt die 255°K nach oben und hinterläßt am Erdboden 288°K. Damit wären wir dann wieder beim Treibhauseffekt durch Strahlungswiderstand.
Gruß
Carsten Thumulla
–
“Der Meeresspiegel entpuppt sich bei näherer Betrachtung immer mehr als eine rechnerische Krücke, unzulänglich und vor allem wenig aussagekräftig. Besonders, wenn er allein als Maßstab dienen soll. Oder wenn aus ihm Horrorszenarien abgeleitet werden…”
Professor Dr.-Ing. Winfried Siefert
Lieber Herr Thumulla,
der Temperaturgradient der Atmosphäre ist eine der notwendigen Randbedingungen oder Vorrausetzungen die erfüllt sein müssen, dass man den planetaren “Treibhauseffekt” beobachten kann. Gut durchmischte Treibhausgase sind eine andere Randbedingung oder Vorrausetzung, nicht unbedingt notwendig, da auch Aerosole oder passende Wolkentypen den Effekt bewirken könnten.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
CO2 und die Erdtemperatur
Neulich habe ich den Einfluß von CO2 in der Luft auf die Erdtemperatur anhand des Massenverhältnisses von CO2 und Wasserdampf abgeschätzt. Die Abschätzung beruhte auf einer einfachen, aber leicht verständlichen Betrachtung. Es wurde angenommen, daß die Luftfeuchte 50% beträgt und der „Treibhauseffekt“ sich in einer Temperaturerhöhung von 33°C äußert. Der Beitrag von CO2 in der momentanen Konzentration von 380 ppm zu diesen 33 °C betrug 2,17 °C. Bei einer Verdopplung des CO2 auf 760 ppm würde sich die Erdtemperatur um weitere 1,9 °C erhöhen. Eine Verdopplung der CO2 Konzentration ist bei einer jährlichen Steigerungsrate von 1,5 ppm in ca. 250 Jahren zu erwarten.
Das war eine simple Rechnung, aber sie zeigte schon, daß in absehbarer Zeit eine signifikante Temperaturzunahme aufgrund des Ausstoßes von CO2 nicht zu befürchten ist. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit, die Temperaturwirkung von CO2 etwas genauer zu ermitteln. Dazu kann man die Emissionsgrade von Wasserdampf und CO2 heranziehen. Sie sind im VDI-Wärmeatlas in Abhängigkeit vom Partialdruck und der Schichtdicke angegeben. Aus den dort zu findenden Kurven lassen sich die Emissionsgrade E bei der angenommenen Erdmitteltemperatur von 15 °C näherungsweise konstruieren. Für CO2 habe ich folgenden Zusammenhang gefunden:
E(CO2) = 0,0643*log(0,722x)
wobei x die CO2-Konzentration in ppm meint. Eine ähnliche Formel ergibt sich für Wasserdampf
E(H2O) = 0,214*log(0,821*y)-0,172
mit y in ppm Wasserdampf.
Der Emissionsgrad für die gegenwärtige CO2-Konzentraton von x = 380 ppm beträgt folglich E(CO2) = 0,157. Für Wasserdampf erhält man bei 50% Luftfeuchte entsprechend y = 5400 ppm E(H2O) = 0,608. Einem Wasserdampfgehalt von 380 ppm entspricht ein Emissionsgrad von E380(CO2) = 0,362. Daran erkennt man sehr schön, daß Wasserdampf eine größere Temperaturwirkung hat als CO2. Vereinfachend soll jetzt aber angenommen werden, daß CO2 und Wasserdampf die gleiche Wirkung haben. In diesem Fall kann der CO2-Gehalt dem Wasserdampfgehalt zugeschlagen werden, wodurch sich eine Gesamtkonzentration von 5780 ppm ergibt. Der Gesamtemissionsgrad ist nun E1(H2O+CO2) = 0,615. Erhöht man die CO2-Konzentration auf 760 pp folgt E2(H2O+CO2) = 0,621. Jetzt kann die aus einer CO2-Verdopplung resultierende Temperaturerhöhung DeltaT berechnet werden:
DeltaT = 33*(0,621/0,615-1) = 0,32 °C
Das ist wirklich nicht viel und wahrscheinlich wegen der Begrenztheit der fossilen Brennstoffe noch nicht einmal zu erreichen.
Abschließend soll noch eine zweite Rechnung durchgeführt werden. Nehmen wir an, die Luft sei absolut trocken, der Wasserdampfgehalt also Null. CO2 soll wieder mit 380 ppm vorhanden sein. Dieser Zustand könnte z. B. über einer Wüste herrschen. Ohne Wasserdampf ist der „Treibhauseffekt“ kleiner, die gesamte Sonnenstrahlung dringt bis zum Boden durch. Der „Treibhauseffekt“ bewirkt dann eine Temperaturerhöhung von 9 °C, die vollständig auf das Konto von CO2 geht. Der Emissionsgrad von CO2 bei 760 ppm beläuft sich auf E760(CO2) = 0,176. Die CO2-Verdopplung würde also eine Temperaturerhöhung DeltaT von
DeltaT = 9*(0,176/0,157-1) = 1,09 °C
hervorrufen.
Ich glaube, schon aus diesen simplen Rechnungen wird klar, daß der politische Tanz ums CO2 keine Basis hat.
Hallo Provinzler,
hab ungefähr das gleiche Ergebnis “0,34K” über Diathermansie-Messungen herausgefunden.
Das Lambert-Beer-Gesetz kann man für die Extinktions-Berechnung verwenden. Wenn man dafür
die entsprechenden Werte einsetzt, erhält man eine Temperaturänderung von ca. 0,6K. Über
Diathermansie-Messungen ergibt sich ein Wert für die Temperaturänderung von 0,34K
(Hier wird ein grauer Strahler betrachtet. Siehe VDI-Wärmeatlas).
Gruß WoKi
Werter Herr Heller,
Sie werden sicher verstehen, dass auch die Theorien der Klimaskeptiker sich einer kritischen Prüfung unterziehen müssen, wenn sie nicht als Dogma gelten sollen. Insofern erscheinen mir einige Ihrer Erklärungen zum thermodynamischen Atmosphäreneffekt sehr gewagt. Ihre Betrachtung zur potentiellen und kinetischen Energie einer Masse im Gravitationsfeld teile ich, bin aber nicht der Meinung, dass die Gravitation einen nennenswerten Einfluß auf die Bewegung der Gasmoleküle hat, da Sie in Ihrer Argumentation einen entscheidenden Fakt der Bewegung von Gasmolekülen vergessen haben.
Auch bei Ihrer Behauptung, die Gasmoleküle würden, je tiefer sie in die Atmosphäre eindringen, immer schneller werden, kann ich nicht teilen, da sie die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Geschwindigkeit der Gasmoleküle widerspricht.. Die Temperatur ist von der Anzahl und der Geschwindigkeit der Gasmoleküle abhängig. Insofern sagt die Geschwindigkeit der Gasmoleküle allein noch nichts über die Temperatur in einem Gasvolumen aus.
Auch mit der Abhängigkeit des Druckgradienten von der Gravitation habe ich etwas Bauchschmerzen. Ihr Hinweis auf die Herleitung der barometrische Höhenformel ist zwar gut, aber analysieren Sie nochmal genau, welche Randbedingungen die Herleitung über die hydrostatische Grundgleichung hat, und wie weit diese in der Realität gegeben sind.
Viele Grüße
Antiklimaskeptiker
Lieber Herr Antiklimaskeptiker,
Sie schreiben
Inwiefern ist die Temperatur von der Anzahl der Gasmoleküle abhängig?
Die Temperatur ist doch eine intensive Größe, die unabhängig von einer Vervielfältigung des Systems ist.
Vermutlich meinen sie aber die Dichte.
Auch ihre Aussage zur Abhängigkeit der Temperatur von der Geschwindigkeit sollten sie nochmals skeptisch hinterfragen.
Die mittlere kinetische Energie pro Freiheitsgrad ist ½ kT. Damit kann man die Temperatur kinetisch definieren.
Die kinetische Energie ist aber auch als ½ m v^2 definiert. Das heißt Gase unterschiedlicher Massen, aber gleicher Temperatur, haben also eine unterschiedliche mittlere Geschwindigkeit, oder nicht?
Übrigens hat Herr Heller, nicht einen thermodynamischen Atmosphäreneffekt beschrieben, sondern den klassischen Treibhauseffekt der Atmosphäre.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
@ Antiklimaskeptiker:
Es handelt sich bei obigem Text nicht um eine “klimaskeptische Erläuterung” des Treibhauseffektes, sondern schlicht um eine Erläuterung. So wird er nun einmal verstanden und so kann man ihn erklären. Es gibt hier keine zwei Meinungen. Sondern schlicht ein physikalisches Prinzip. Nach dem eben die Temperatur auf der Erdoberfläche höher ist (15°), als sie bei Berücksichtigung des Strahlungshaushaltes der Erde eigentlich sein dürfte (-18°). Diese Beobachtungstatsache erklärt sich durch den oben beschriebenen Mechanismus.
Alle weiteren Antworten auf Ihre Fragen finden Sie bereits in obigem Text, in den Kommentaren, in dem Artikel bei EIKE (und den dortigen Kommentaren) und auch bei Anthony Watts.
Und im IPCC-Bericht (etwas verschlüsselt) und in der Kopenhagen-Diagnose (wie mir letztens dann auch mal aufgefallen ist). Dort heißt es bspw.:
(Seite 10 unten) Alle Autoren dieses Textes sind “Antiklimaskeptiker”.
Nach Hinweisen von Herrn Heß finden Sie diese Erläuterung auch in Bergmann/Schäfer “Handbuch der Experimentalphysik” (ein Standardwerk für das Physik-Studium). Ich habe das aber nicht überprüft.
Mir reicht es langsam wirklich. Ich erkläre das, was die “Antiklimaskeptiker” behaupten, und dann heißt es, das wäre meine Theorie, die zu überprüfen wäre.
Vielleicht überprüfen Sie mal Ihre Haltung als “Antiklimaskeptiker”. Klimaskeptiker sind nämlich keinesfalls Leute, die irgendwie nichts von Physik verstehen und ständig eine neue, spinnerte “alternative Wissenschaft” erfinden. Lord Monckton drückt es so aus (bei Anthony Watts):
Das ist Klimaskeptizismus. Und es nicht meine Aufgabe, Ihnen, lieber “Antiklimaskeptiker” die Physik der Atmosphäre zu erläutern, wenn Sie schon das nicht verstehen können, was Ihre Seite denkt.
Lieber Herr Heller,
sie haben in ihrem Artikel den Treibhauseffekt mit dem Konzept der Emissionshöhe physikalisch richtig beschrieben.
Leider werden von Klimaforschern immer wieder Beschreibungen des Treibhauseffektes benutzt die physikalisch falsch sind.
Diese Erklärung ist physikalisch falsch. Man könnte auch sagen, dass der Autor dieser Zeilen den Treibhauseffekt und den 1. Hauptsatz der Thermodynamik physikalisch nicht verstanden hat.
Der physikalische Kern des Treibhauseffektes liegt eben in folgender Aussage.
Treibhausgase erniedrigen die Ausstrahlung des Erdsystems. Nimmt man an, dass die Sonne konstant einstrahlt, bewirkt das nach dem ersten Hauptsatz eine Erhöhung des Energieinhalts des Erdsystems. Oberfläche und Troposphäre, die im Strahlungs-Konvektionsgleichgewicht sind, werden deshalb simultan solange wärmer bis die Ausstrahlung wieder gleich der Einstrahlung ist.
Ihre Erklärung ist damit physikalisch im Einklang, die von Prof. Latif nicht.
Auch Rahmstorf und Schellnhuber benutzen in ihrem Büchlein: Der Klimawandel auf S. 31 die physikalisch falsche Erklärung die auch Prof. Latif benutzt.
Da brauchen wir uns also nicht wundern, wenn die physikalisch richtige Erklärung schon jetzt und in Zukunft auch von Klimaforschern nicht mehr erkannt wird.
Ich empfehle das Buch von Prof. Latif aber ausdrücklich, da es sehr komprimiert den Stand der Klimaforschung beschreibt.
Dass Lehrbücher Fehler enthalten ist ja bekannt und nicht selten.
Es gehört deshalb zum Ausbildungsziel eines Naturwissenschaftlers auch Lehrbücher hinterfragen zu können.
Um dieses Ziel zu erreichen muss man im Studium alles skeptisch durcharbeiten und auch vermeintliche Autoritäten hinterfragen.
Antiskeptisch zu sein oder Konsenswissenschaft hilft da wohl eher nicht.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Das hat Latif geschrieben?
Wow, danke für den Hinweis.
Rahmstorf ist im übrigen einer der Autoren der Kopenhagen-Diagnose. Also scheint er zumindest eine physikalisch korrekte Erklärung zu kennen.
Lieber Herr Heller,
Prof. Latif hat hoffentlich auch die Physik verstanden.
Das Beispiel aus dem Buch von Prof. Latif zeigt aber, dass schon bei der Erklärung der physikalischen Grundlagen geschlampt wird. Man darf nicht vergessen, dass viele Klimaforscher Physik auch nur als Nebenfächler studieren. Das Buch von Latif ist ein UTB Taschenbuch für die Fächer Geographie, Metereologie und Ozeanographie. Das ist dann doppelt ärgerlich, da bei der Klientel des Buches unter Umständen die physikalischen Grundlagen fehlen, um überhaupt kritisch zu hinterfragen.
Deshalb fand ich es auch interessant wie einer ihrer Diskussionspartner aus der Readers Edition immer die „Fachleute“ vorschiebt, wenn es um die Physik der Atmosphäre oder Klimawandel geht. Ein vor diesem Hintergrund selten dämliches Argument. Autoritätsgläubigkeit bringt uns nicht weiter.
Das zeigt dieses Beispiel von Prof. Latif eben, dass man alles zunächst hinterfragen muss. Skepsis und Hinterfragen kommt vor dem Verständnis.
Interessant war auch der anonyme Kollege „Antiklimaskeptiker“. Schnell mal mit physikalischen Halbwissen Zweifel an ihrer Erklärung säen und wieder verschwinden. Wäre mal interessant, aus welchem Buch der Kollege sein Wissen über die Temperatur her hat.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Werter Herr Heß
In einem Volumen Gas befinden sich x Gasmoleküle die sich mit der durchschnittlichen Geschwindigkeit y bewegen. Die Gesamtheit alle Gasmoleküle repräsentiert über 1/2*m*v^2 die kinetische Energie, die in dem Volumen gespeichert ist und als Temperatur gemessen werden kann. Verringert man die Anzahl der Gasmoleküle, sinkt die kinetische Energie, da m kleiner wird, und demnach auch die Temperatur; makroskopisch wäre das eine Druckänderung. Umgekehrt, werden Gasmoleküle des gleichen Gases mit gleicher Temperatur hinzugefügt, steigt die Temperatur.
Über denselben Ansatz kann man bei gleicher Anzahl der Gasmoleküle über Energiezufuhr(Erwärmung) oder -abfuhr(Abkühlung) die Änderung der kinetischen Energie über die Änderung der durchschnittlichen Geschwindigkeit und damit eine Temperaturänderung erklären.
Natürlich haben Sie mit der Dichte recht, nichts anders beinhaltet meine Erklärung.
Werter Herr Heller,
Ich möchte dieser qualitativen Aussage eine quantitative gegenüberstellen.
Die mittlere freie Weglänge zwischen den Gasmolekülen beträgt in den unteren Luftschichten etwa 70 nm, die durchschnittliche Geschwindigkeit der Gasmoleküle etwa 300 m/s. Die Bewegungsrichtung der Gasmoleküle ist in alle Richtungen gleich wahrscheinlich.
Das heißt, zwischen zwei Zusammenstößen vergehen etwa 0,23*10^ -9 Sekunden. Auf die gradlinig, gleichförmige Bewegung der Gasmoleküle wirkt die Gravitation in Form des freien Falls. Mit 1/2*g*t^2 läßt sich die Fallhöhe in der oben berechneten Zeit ausrechnen und beträgt etwa 0,26*10° -18 Meter. Das heißt, das ein Gasmolekül,das sich parallel zur Erdoberfläche bewegt, 70*10^-9 Meter vorwärts und 0,26*10^-18 Meter senkrecht nach unten bewegt – ein Verhältnis von 1:10^-9. Meiner Meinung nach ist damit die Wirkung der Gravitation auf die Bewegung, und demnach auch auf den Ort, an dem sich die Gasmoleküle befinden, vernachlässigbar klein und als Erklärung für die Druckgradienten falsch. Beim Zusammenstoß werden, unabhängig von der Gravitation, entsprechend der Geschwindigkeitsvektoren der beiden Gasmoleküle und des WInkels der Vektoren zueinander, die neuen Geschwindigkeitsvektoren der beiden Gasmoleküle bestimmt.
Natürlich stimme ich mit Ihnen überein, dass es unter warm und oben kalt ist, weil die Dichte der Luft abnimmt, das ist unstrittig.
Mit freundlichen Grüßen
Antiklimaskeptiker
PS: Sollte ich Fehler machen, korrigiere ich sie, da irren die menschlichste aller Eigenschaften ist; verlange das aber auch von anderen.
@ Antiklimaskeptiker:
Ok, Sie starten mit einer Atmosphäre, in der die Dicht überall gleich groß ist, vom Boden, bis in mehrere km Höhe, und die sich auch sonst im thermodynamischen Gleichgewicht befindet.
Dann schalten Sie in Gedanken das Gravitationsfeld ein. Was geschieht?
Vielleicht diskutieren Sie einfach mal den Treibhauseffekt mit anderen Antiklimaskeptikern. Lesen Sie sich noch einmal die Erläuterung in der “Kopenhagen-Diagnose” durch, und dann schreiben Sie Herrn Rahmstorf (das können Sie in seinem Blog), was an dieser Erklärung alles falsch ist.
Es ist ganz sicher nicht meine Aufgabe, einem “Antiklimaskeptiker” den Treibhauseffekt zu erläutern.
Lieber Herr Antiklimaskeptiker,
ich freue mich, dass Sie ausführlicher werden. Da entschuldige ich mich für den Satz mit dem Halbwissen.
Meiner Meinung nach sind eben Temperatur und Energie über den Gleichverteilungssatz verknüpft. Die mittlere Geschwindigkeit der Moleküle ergibt sich dann aus der Molekülmasse. Nochmal unterschiedliche Moleküle gleicher Temperatur haben unterschiedliche mittlere Geschwindigkeiten. Insofern können sie, wenn Sie die mittlere Geschwindigkeit der Moleküle messen würden, eben nicht auf die Temperatur schließen. So dass das Ganze nicht symmetrisch ist. Na gut.
Herr Heller hat doch eigentlich nur das etablierte gängige makroskopische Bild aus der Meteorologie eines adiabatischen Temperaturgradienten in ein mikroskopisches Bild übersetzt.
Makroskopisch: Cp dT = -m g dz
Was wäre das denn anderes als Linke Seite kinetische Energie und Rechte Seite potentielle Energie, sowie die differentielle Form des Energieerhaltungssatzes in der Erdatmosphäre?
Insofern haben Sie ihn falsch verstanden. Herr Heller hat nur den „Treibhauseffekt“ dargestellt wie es die Schulklimatologie tut. Insofern hat er auch Recht, ihre Kritik sollte bei der Schulklimatologie ansetzen.
Allerdings bin ich ganz bei Ihnen, wenn sie dieses etablierte Bild kritisieren. Denn ein adiabatischer Aufstieg oder Abstieg eines Luftpaketes ist nur ein Hilfskonstrukt, um einen Temperaturgradienten in der Erdatmosphäre zu erklären. Beim genaueren Hinschauen stellt man fest, dass die Lehrbücher vorsichtiger formulieren und die Ursache des Temperaturgradienten eher vage beschrieben ist.
Gemäß dem Theorem von Sandström kann es einen fallenden Temperaturgradienten dann geben, wenn tiefer in der Atmosphäre oder an der Oberfläche bei höherem Druck Energie absorbiert wird, und höher in der Atmosphäre emittiert wird. Die Konvektion stell dann einen Temperaturgradienten ein der, einer Adiabaten vergleichbar ist.
Für die Erdatmosphäre ist das erfüllt, bei der Venus kommt man dann schon ins Grübeln, da die optische Dichte der Venusatmosphäre und ihrer Wolken auch für Solarstrahlung sehr groß ist.
Nochmal zum Nachdenken für Sie. Wie realisiert sich den ein adiabatischer Aufstieg eines Luftpaketes in der Natur mikroskopisch?
Also immer schön skeptisch bleiben, vor allem bei der Schulklimatologie, auch als Antiskeptiker.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Da es gerade wieder mal auf einem anderen Blog einen Artikel eines Prof. Dr. Dr. … gab, der die hier relevanten Eigenschaften der Treibhausgase in Frage gestllt hat, muß ich das doch nochmal aufgreifen. Ich habe irgendwie das Gefühl, dass die Erklärung über Veränderungen der optischen Dichte der Atmosphäre eine Lücke lassen, in die dann die lustigen Theorien über den 2. HS greifen. Diese Lücke ist IMHO der Grund für die Erklärung über “downdwelling infrared radiation” und daher würde ich gern genauer verstehen wollen, was daran falsch ist. Ihre Diskussion auf Eike endete leider vor einer abschliessenden Klärung.
Da mir nicht klar ist, was genau falsch ist, gehe ich das mal Satz für Satz durch:
Abgesehen vom Fehlen der Absorbtion langwelliger IR ist das erst mal korrekt, oder?
Das ist auch korrekt, oder? Die Treibhausgase absorbieren weniger Energie aus dem Spektrum der Sonne als sie abstrahlen.
Wenn das vorhergehende stimmt, muss auch dieser Teil korrekt sein.
Das gleiche gilt für den Satz. Wenn mehr Energie eingestrahlt wird, muß das zu einer Temperaturerhöhung führen.
Irgendwie habe ich das gleiche Gefühl wie ihr Diskussionpartner auf Eike: Ihre Erklärung ist eine qualitative Btrachtung von Aussen, die allerdings die Frage offen läßt, wie denn nun die verringerte Abstrahlung durch Treibhausgase zu einer Erhöhung der Temperatur der Erdoberfläche führt.[1]
Die andere Erklräung ist die Sicht eines auf der Erdoberfläche stehenden, der sich ankuckt, was denn an Wärmestrahlung ankommt und damit zu einer Erwärmung (bzw. verringerten Abkühlung) führt. Und der sieht die Strahlung aus den beiden Quellen Sonne und Atmosphäre, wobei nur erstere Energie von aussen zuführt.
Könnten Sie da vielleicht nochmal nachlegen und etwas genauer die Punkte rausarbeiten, die falsch sind?
Danke,
Marvin
[1] Naiv könnte man ja auch denken, die Treibhausgase absorbieren IR, erwärmen sich dadurch und steigen aufgrund der Erwärmung nach oben. Dann würden die äußeren Schichten der Atmosphäre langsam wärmer, aber wie wird nun die Erdoberfläche wärmer?
Nachtrag: Das oben geschriebene bezog sich auf #32, Günter Heß 25. Juli 2010 08:56, das “Sie” im Artikel sollte demzufolge Herrn Heß ansprechen.
Lieber Herr Müller,
danke für die Nachfrage.
Aber gerade solche thermodynamisch zweideutigen und unvollständigen Formulierungen wie die von Prof. Latif provozieren die Kritik im Internet und das mit Recht.
Jedes physikalische Erklärungsmodell, das einen Naturprozess beschreibt muss in allen Formulierungen thermodynamisch konsistent sein, das heißt dem 1. Und 2. Hauptsatz genügen. Das ist der Anspruch an eine Erklärung in einem Lehrbuch.
Wenn man nun den Treibhauseffektthermodynamisch erklären möchte muss man das System und die Umgebung spezifizieren, sowie die Randbedingungen. Das bleibt uns Prof. Latif in seinem Buch schuldig. Er beschreibt mit seinen Sätzen richtige Einzelbeobachtungen, bringt sie aber nicht in den richtigen Kontext. Deshalb lassen diese Formulierungen die Tür auf für Kritik.
Latif schreibt, dass die Tatsache, dass CO2 und andere Spurengase Wärmestrahlung aussenden den Treibhauseffekt verursacht. Warum? Was passiert, wenn die Treibhausgase isotherm in einem schmalen Band isotherm um die Erdoberfläche bei gleicher Temperatur konzentriert sind. Dann senden sie auch Wärmestrahlung aus, bewirken aber keinen Treibhauseffekt. Oder wenn sie nur in der Stratosphäre auftreten, dann kühlen sie. Die Aussage von Herrn Ermecke. Die Aussage von Latif ist eine notwendige Bedingung, aber keine hinreichende Bedingung und damit zunächst unvollständig.
Man braucht als weitere Bedingung „lokales thermodynamisches Gleichgewicht“, einen mit der Höhe fallenden Temperaturgradienten und konstante Einstrahlung durch die Sonne, sowie eine gewisse Durchmischung. Außerdem brauchen wir Strahlungskonvektionsgleichgewicht und eine gewisse optische Transparenz für Sonnenlicht.
Dann hat man hinreichende Bedingungen formuliert. Ein Lehrbuch sollte das tun. Aber Latif bleibt das schuldig.
Nun zum thermodynamischen System, das zur Erklärung des Treibhauseffektes aus Erde und Atmosphäre die oben genannten Bedingungen enthalten muss. An der Systemgrenze genügt es nur die Energiezufuhr durch die Sonne im Bereich 2 µm zu betrachten.
Nun der 1. Hauptsatz:
Die Energie eines Systems kann sich nur durch Energietransport über die Systemgrenzen ändern. Für Energien gilt ein Erhaltungssatz.
Das heißt ein interner Energiefluss ohne Quelle kann nach dem 1. Hauptsatz den Energieinhalt des Systems nicht verändern. Solche internen Energieflüsse können also nur gelenkt vom 2. Hauptsatz Ausgleichsvorgänge von warm nach kalt bewirken. Die „Gegenstrahlung“ ist nun mal so ein quellfreier interner Energiefluss.
Latif lässt eben auch offen, wodurch die Erhöhung dieses internen Energieflusses bewirkt wird und macht das Tor auf das im Internet immer wieder genutzt wird, um den 2. Hauptsatz in Stellung zu bringen.
Um die Formulierung mit dem 1. Hauptsatz konsistent zu machen fehlt außerdem der Energietransport über die Systemgrenze der die erhöhte Wärmestrahlung in Richtung der Oberfläche bewirkt.
Warum frage ich sie wenden wir bei diesem heiklen Thema nicht ein bisschen Mühe auf und formulieren:
Die Erhöhung der Treibhausgaskonzentration verringert die Ausdringtiefe. Aufgrund des mit der Höhe fallenden Temperaturgradienten verringert sich die Ausstrahlung des Erdsystems, was bei konstanter Einstrahlung durch die Sonne nach dem 1. Hauptsatz den Energieinhalt des Erdsystems erhöht. Dadurch erhöht sich dann die Temperatur der Erdoberfläche und der Troposphäre simultan aufgrund des Strahlungs-Konvektionsgleichgewichts.
Formal kann man das Ergebnis dann mit der „Gegenstrahlung“ formulieren als Teil der Wärmeübertragung durch Strahlung.
Dadurch hat man die Ursachen und Bedingungen für den Treibhauseffekt beschrieben.
Latif’s Formulierungen sind als Modell unvollständig, verkürzt und es bleibt unklar, ob sein Modell thermodynamisch konsistent ist. Das ist meine Kritik.
Auch für Sie nochmal mein Gedankenexperiment:
Vertausendfachen sie die CO2 Konzentration und schalten sie die Sonne ab. Nach Latif’s Formulierung, müsste sich da nicht auch die Oberfläche erwärmen, da die Treibhausgase ja vor allem selbst Wärmestrahlung aussenden.
Mir ist ja klar, woher das alles kommt. Vergleichen wir zwei Modellsysteme die sich nur in ihren Treibhausgaskonzentrationen unterscheiden. Dann machen wir Strahlungstransferrechnungen als Black-Box Methode am Computer und schreiben die Ergebnisse mit Hilfe von Trenberth’s Energiebilanzen auf. Dann beobachten wir im stationären Zustand, dass sich für das Modell mit der höheren Treibhauskonzentration formal eine höhere Gegenstrahlung ergibt. Wir schließen nun irrtümlicherweise dieser Unterschied in der Gegenstrahlung wäre die Ursache für die erhöhten Temperaturen. In Wahrheit ist aber die physikalische Ursache die Verringerung der Ausdringtiefe durch die höhere Treibhausgaskonzentration. Das passiert in den Naturwissenschaften gar nicht so selten, wenn man nur als Ergebnis den stationären Zustand betrachtet. Von zwei beobachteten Wirkungen wird eine als Ursache umgedeutet, da die physikalische Ursache unbekannt ist bzw. im Algorithmus vom Programmierer implementiert wurde. Man selbst kennt aber den Algorithmus und die zugrundeliegende Physik gar nicht so genau.
Nun zu ihren Fragen:
Thermodynamisch muss man eben immer die Sicht von außen einnehmen und die Energieflüsse über die Systemgrenzen betrachten. Die Sicht von Innen enthält weniger Information. Wir wissen ja auch mehr durch die Satellitenmessungen. Im Gegenteil meine Formulierung ist sehr quantitativ und fundamental. Die Ausdringtiefe und die Temperatur sind die fundamentalen Parameter mit denen der Treibhauseffekt modelliert wird. Die “Gegenstrahlung” wird in der “Strahlungstransfertheorie” quantitativ durch die Temperatur über die Planckfunktion und die wellenlängenabhängige Ausdringtiefe bestimmt. Beides sind also die fundamentalen Parameter und die Ursachen der “Gegenstrahlung”.
Wir haben doch Konvektion und Strahlung. Unten wird durch die Sonne erwärmt, oben wird durch die Treibhausgase gekühlt. Wenn weniger Energie über die Systemgrenze abgeführt wird, sorgen die Energieausgleichsvorgänge dafür, dass sich die Temperaturen neu einstellen. Und zwar alles simultan. Selbstverständlich werden die Ausgleichsvorgänge dann formal mit der “Gegenstrahlung” als Parameter modelliert. Die “Gegenstrahlung” ist aber nicht die eigentliche physikalische Ursache für die höhere Temperatur im neuen stationären Zustand. Die Sonne führt zur Erhöhung der Temperaturen, da die Energie die sie zuführt vom Erdsystem nicht mehr im gleichen Maße abgeführt wird.
Wie zu Hause wenn sie die Tür zu machen und heizen. Es ist das Heizen und die verringerte Energieabfuhr nach außen die als thermodynamische Ursachen das Zimmer wärmer machen, obwohl sie viele Strahlungen von den Wänden messen können.
Die Gegenstrahlung als Energiequelle zu bezeichnen ist problematisch, da die Atmosphäre, über die Oberfläche erwärmt wird und der Temperaturgradient ja mit der Höhe fällt. Die Atmosphäre ist kälter und damit im Mittel doch höchstens eine Energiesenke. Ich verstehe einfach nicht, warum die Klimaforschung immer auf solche offensichtlich falsche Bilder besteht.
Genau das ist es aber, die naive Sicht. Innerhalb des Systems an der Oberfläche können wir die Ausdringtiefe und die ausgehende Strahlung nicht messen. Wir wissen aber doch mehr, warum also das verkürzte Bild benutzen, wenn es auch noch zu Missverständnissen führt. Studenten sollen doch was lernen und das Buch von Prof. Latif hat einen naturwissenschaftlichen Anspruch.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Der folgende Absatz wurde oben #42 nicht vollständig angezeigt:
Nun zum thermodynamischen System, das zur Erklärung des Treibhauseffektes aus Erde und Atmosphäre die oben genannten Bedingungen enthalten muss. An der Systemgrenze genügt es nur die Energiezufuhr durch die Sonne im Bereich 2 µm zu betrachten.
Der folgende Absatz wurde oben #42 nicht vollständig angezeigt:
Nun zum thermodynamischen System, das zur Erklärung des Treibhauseffektes aus Erde und Atmosphäre die oben genannten Bedingungen enthalten muss. An der Systemgrenze genügt es nur die Energiezufuhr durch die Sonne im Bereich kleiner 2 µm zu betrachten und die Energieabfuhr im Bereich größer 2 µm.
Der folgende Absatz wurde oben #42 nicht vollständig angezeigt:
Nun zum thermodynamischen System, das zur Erklärung des Treibhauseffektes aus Erde und Atmosphäre die oben genannten Bedingungen enthalten muss. An der Systemgrenze genügt es nur die Energiezufuhr durch die Sonne im Bereich kleiner 2 µm zu betrachten und die Energieabfuhr im Bereich größer als 2 µm..
Lieber Herr Müller,
vielleicht sollte ich noch hinzufügen, dass meine Formulierung der Ursachen des Treibhauseffektes bereits vollständig durch Messungen gedeckt ist. Der Temperaturgradient und die Oberflächentemperatur durch Temperaturmessungen am Boden und in der Atmosphäre. Die Verringerung der Ausdringstiefe durch Lüdeckes Abbildung 2 und 3, den Messungen der Nimbus-Satelliten. Ein echter Vorteil dieser Erklärung. Wenn sie sich erinnern hat Professor Kramm meine Frage nach der Wirkung einer Verringerung der Ausdringtiefe bisher auch nicht beantwortet.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Heß,
der Artikel war etwas lang für eine Antwort auf die schnelle am Freitag, daher erst jetzt eine Reaktion von mir.
Irgendwie bekomme ich beim Lesen den Eindruck, Sie würden Denken, ich würde Ihre Erklärung in Zweifel ziehen. Das tue ich nicht. Ich habe nur angemerkt, dass Sie meiner Meinung nach auch noch nicht vollständig ist (oder einen wichtigen Teil in einer Formulierung versteckt). Ich werde darauf nochmal eingehen. vorab nur etwas ketzerisch:
Auch Latifs Erklärung ist durch Messungen gedeckt
. Es wurde ja gemessen, wieviel IR-Strahlung CO2 aus dem Spektrum der Sonne absorbiert und wieviel langwellige IR-Strahlung es in Richtung Erdoberfläche strahlt. Das scheint also kein Kriterium zu sein.
Die ursprüngliche Aussage, die mich zum Nachfragen veranlasst hatte, war, dass die Erklärung von latif physikalisch falsch sei. Verstehe ich das jetzt richtig, dass sich das reduziert auf “zweideutig und unvollständig”? (Zweideutig sehe ich nicht so ganz, unvollständig hatte ich in meiner Nachfrage teilweise bereits eingeräumt.) Wenn dem so ist, dann können wir hier quasi aufhören, was Latif betrifft. Da könnte ich ihnen zustimmen.
Diese Aussagen bedürfen IMHO einer Untermauerung. Wenn ich das richtig verstanden habe, haben wir eine Schicht in der Stratosphäre, die relativ schmall ist und die messbar IR in Richtung Boden strahlt. Warum sollte das nicht passieren, wenn sich alle Treibhausgase in einem solchen schmalen Ring konzentrieren? Solange sie einen Teil der eigentlich ins All gehenden IR absorbieren und in alle Richtungen wieder abstrahlen, sollte es einen Treibhauseffekt geben. Ihre Beschreibung würde dann nämlich immer noch zutreffen… Und auch Spencer erklärt, was passieren würde, wenn man einen kälteren Körper neben einen warmen(geheizten) stellt – der wärmere wird noch wärmer.
Was Ihre Beschreibung ursprünglich offen ließ, war, wie die Erwärmung der Erdoberfläche zustande kommt. Man könnte ja auch ganz naiv erwarten, dass eine Absorbtion von IR zur Erwärmung führt, die dann wiederum zu einem Aufstieg der erwärmten Luft führt, die dann weiter oben ins All abstrahlt. Den Weg der Energie aus der Atmosphäre zurück zur Erdoberfläche – den lassen Sie offen (oder verstecken ihn in einem Begriff wie “Strahlungs-Konvektionsgleichgewichts” ). Irgendwie denke ich immer noch, dass man ohne den Strahlungstransport in der Atmosphäre keine alle zufriedenstellende Erklärung hinbekommt. Aber ich mag mich irren …
Sehe ich nicht so. Latif spricht nur darüber, dass die Treibhausgase mehr Energie in Richtung Boden emittieren, als sie aus dem Sonnenspektrum absorbieren. Er sagt nicht, wo die Energie herkommt (was ich auch angemerkt habe) – damit ist auch offen, was ohne Sonneneinstrahlung passiert. Das geht in Richtung Ihrer Aussage bezüglich Unvollständigkeit der Erklärung, der ich zustimme.
Irgendwie glaube ich nicht, dass jemand das so denkt.
Ähm … Das Sie dieses Beispiel in der Diskussion mit mir für notwendig halten …
Ja.
Aber das mache ich doch nicht. Und auch Latif tut das nicht.
Und ich wiederum verstehe nicht, warum Sie denen unterstellen, die würden die Atmosphäre als Energiequelle betrachten. Das macht IMHO niemand.
Lieber Herr Müller,
ich wollte einfach weiter diskutieren, da ich das gerne tue.
sie hatten mir nämlich geschrieben:
„Könnten Sie da vielleicht nochmal nachlegen und etwas genauer die Punkte rausarbeiten, die falsch sind?“
Daraufhin hatte ich geantwortet und ausgeholt, also nehmen sie es bitte nicht persönlich, auch nicht, dass ich die Beispiele wiederholt habe. Ich dachte sie wollten mit mir darüber diskutieren, wie man die Diskussion mit Herrn Pratzel in vernünftige Bahnen lenken kann.
Ich zitiere nochmal den Satz von Prof.Latif:
Wie verstehen Sie denn das?
Gehen wir mal vom stationären Zustand für das Erdsystem aus, Einstrahlung ist gleich Austrahlung.
Der Temperaturgradient steht stationär.
Normieren wir mal auf 100. Die Sonne strahlt ins Erdsystem 100 Energieeinheiten pro Zeiteinheit ein und vernachlässigen die Absorption von Solarstrahlung durch Treibhausgase.
10 Energieeinheiten bleiben in der Atmosphäre, 90 werden an der Erdoberfläche absorbiert. Jetzt erhöhen wir die Konzentration an Treibhausgasen, die im Bereich der Solarstrahlung nur vernachlässigbar absorbieren. Wie kommt denn nun eine höhere Energieeinstrahlung durch Wärmestrahlung an der Oberfläche zustande, wenn die Sonne nachwievor 100 Einheiten pro Zeiteinheit ins Erdsystem einstrahlt? Formal kreiert Prof. Latif doch eine Energiequelle aus dem Nichts.
In der Erklärung von Prof. Latif fehlt eben der Hauptpunkt, dass die Treibhausgase die Ausstrahlung von 100 Energieeinheiten erniedrigen und dadurch mehr als Null Energieeinheiten pro Zeiteinheit im System bleiben bis die Temperatur angestiegen ist.
Verstehen sie mich bitte nicht falsch. Ich glaube nicht, dass Prof. Latif das nicht verstanden hat. Er betrachtet eben ,wie in der Meteorologie üblich nur die Energiebilanz an der Oberfläche.
Man darf die Energiebilanz an der Oberfläche nicht mit dem 1. Hauptsatz für das Erdsystem verwechseln. Um den ersten Hauptsatz für das Erdsystem zu erfüllen, müssen immer zwei Energiebilanzen simultan erfüllt sein. An der Systemgrenze, dem Oberrand der Atmosphäre und an der Oberfläche. Das heißt ich darf in den Gleichungen die Gegenstrahlung nur ändern, wenn ich entweder die Sonneneinstrahlung oder die Ausstrahlung der Erde ändere.
Ich finde eben nur, dass eine unvollständige Beschreibung die offen lässt wo die Energie herkommt eben auch physikalisch falsch ist, wenn sie auch nur scheinbar den Energieerhaltungssatz verletzt. Ich mag da zu streng sein, aber viele der Diskussionen im Internet , wären einfacher bei rigoroser Formulierung und meine Ansprüche an ein Lehrbuch sind da hoch.
Nehmen sie das Beispiel von Herrn Pratzel. Ich glaube er hat die Physik schon verstanden, wird aber durch „Skeptikerseiten“ die vermeintlich den Treibhauseffekt widerlegt haben in die Irre geführt. Da wäre es doch schön, wenn Bücher über Klimawandel und Klimadynamik eine physikalisch vollständige Erklärung liefern würden.
Herr Keks nutzt zum Beispiel die physikalisch gesehene Unschärfe in den Formulierungen als Angriffspunkt, um sein Gegenstrahlungskraftwerk ins Spiel zu bringen.
Ich empfinde eben unscharfe Formulierungen schon als physikalisch falsch, da ich von physikalischen Formulierungen eine gewisse Strenge erwarte.
Nochmal zu meinen Beispielen.
Eine optisch dichte CO2 Schicht um die Oberfläche bei gleicher Temperatur wie die Oberfläche führt zu keinem Treibhauseffekt, da der Wärmetransport durch Strahlung von der Oberfläche zu dieser dünnen Schicht im stationären Zustand Null ist, egal wie viel CO2 die Schicht enthält. Das heißt die Emission der Erde in den CO2 Bändern bliebe konstant, da sie ja .immer die Summe aus Abstrahlung der Oberfläche und Abstrahlung der Atmosphäre ist. Entweder es wird direkt emittiert oder über den Umweg Atmosphäre. Die Summe bleibt bei der Planckfunktion, da die Temperatur gleich ist.
In der Stratosphäre nimmt man an, dass die Absorption von Solarstrahlung durch Ozon durch die Ausstrahlung von CO2 ins Weltall balanciert wird, also nahe am „Strahlungsgleichgewicht“ ist. Erhöhung der CO2 Konzentration führt zu einer Abkühlung, aufgrund der höheren Emissionskoeffizienten bei Erhöhung der CO2 Konzentration. Für die „Gegenstrahlung“ des CO2 nimmt man an, dass sie durch den Fluss von unten in etwa balanciert ist.
Das ist die „cooling to space“ Näherung. Die scheint gut zu funktionieren. In dieser Näherung wird die Gegenstrahlung einfach weggelassen, da sie immer kompensiert ist.
Ich finde nicht, dass ich mich hinter Strahlungs-Konvektionsgleichgewicht verstecke, denn das ist nun mal die physikalische Realität, wie sie von Goody und Yung und in der Physik der Atmosphäre auch beschrieben ist. Das geht laut Goody und Yung für die Troposphäre schon auf Robert Emden 1913 zurück. Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung lassen sich in der Natur nicht trennen. Gerade mit Strahlung alleine bekommt man den Temperaturgradienten in der Atmosphäre zumindest bis etwa 10 – 15 Km eben nicht hin.
Die Zweischichtmodelle mit Gegenstrahlung kommen in der Natur so ja auch nicht vor. Wie nahe sind die also der Realität?
Auch die Abfolge Emission von der Oberfläche, Absorption und Thermalisierung in der Atmosphäre, Rückstrahlung zur Oberfläche ist eine menschliche zeitliche Abfolge, die ja die Photonen nicht interessiert. In der Realität passiert das parallel. Photonen emittieren ins Weltall und in alle Richtungen aus allen Schichten der Atmosphäre gleichzeitig.
Sie schreiben mehrfach auf Passagen:
Aber die Erklärung mit der Reduktion der Ausdringtiefe oder Erhöhung der Emissionshöhe findet man in Meteorologiebüchern und Klimatologiebüchern sehr selten. Schade.
Sir John Houghton benutzt in seinem Buch: The Physics of the Atmospheres die Gegenstrahlung nicht, auch Goody und Yung in Atmospheric Radiation verwenden den Begriff nicht. Im Grunde ist es mir egal, in welchem Bild man den Treibhauseffekt beschreibt, man sollte es nur vollständig und korrekt tun
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
@ Müller:
Mein Kommentar #4:
Eigentlich also haben wir das alles schon besprochen.
Günter Heß schrieb am 23. August 2010 21:42:
Ich mag den Austausch mit Ihnen, da er sachlich und auf einer respektvollen Ebene erfolgt. Daher habe ich im Interesse der Diskussion versucht, die Punkte, über die wir uns einigen können, herauszustellen. Der wesentliche Punkt dabei war, dass ich Ihnen zustimmen kann, dass die Erklärung Latifs den Sachverhalt nicht umfassen darstellt. Und ich kann auch akzeptieren, dass sie eine unvollständige Darstellung als falsch bezeichnen – nachdem klar ist, dass Sie das aufgrund der Unvollständigkeit tun.
Die Diskussion mit Herrn Pratzelt ist mir dabei unwichtig, die war nur nochmal der Anstoß, doch nochmal nachzufragen.
Ich verstehe das so, dass sich Latif in die Position eines Betrachter auf der Erdoberfläche versetzt und nun beschreibt, was er beobachtet. Und da beobachtet er Einstrahlung im kurzwelligen Bereich von der Sonne und im langwelligen Bereich aus der Atmosphäre. Beides zusammen wirkt auf die Erdoberfläche ein, wobei die Summe beider “Energieströme” größer ist, als wenn die Atmosphäre nicht absorbieren/emittieren würde.
Das lese ich da raus. Aber ich habe auch ein Bild der Vorgänge im Kopf, die meine Interpretation beeinflusst. Die spannende Frage ist also, wie das jemand liest, der darüber das erste mal was hört.
Nein, tut er nicht. Der kurze Text redet nicht über eine Erhöhung des CO2-Gehaltes – er könnte also den stationären Zustand beschreiben. Und wenn Sie ihn nach diesem Scenario fragen würde, würde ich annehmen, dass er in etwa die Randbedingungen Ihrer Definition ergänzt, um zu erklären, dass dann mehr Energie von den Treibhausgasen absorbiert wird und damit weniger Energie ins All abgestrahlt wird als von der Sonne eingestrahlt wird. Und wenn die Treibhausgase mehr absorbieren emittieren sie auch mehr, was dann zu einer erhöhten Einstrahlung im langwelligen Bereich am Boden führt. Der erwärmt sich und kann dann dass entstandene Defizit durch höhere Abstrahlung wieder ausgleichen.
Oder um meine Anmerkung in meiner ersten Nachfrage zu wiederholen: Was mir in Ihrer Erklärung fehlt, ist eine Erklärung, wie sich der Erdboden erwärmt, um das Defizit auszugleichen.
In dem Beispiel oben sollte nach Erhöhung der Treibhauskonzentration ein Defizit zwischen Ein- und Ausstrahlung entstehen. Wo landet denn dieses Defizit? Verschwinden kann es nicht, es muss irgendwo hin. Konvektion scheidet aus, da würden sich nur die oberen Luftschichten erwärmen, bleibt Radiation. Und auf diesen Aspekt konzentiert sich Latifs Erklärung.
Das ist der Punkt, an dem Latifs Erklärung unvollständig ist (abgesehen davon, dass seine Erklärung einen stationären Zustand zu beschreiben scheint). Die verringerte Abstrahlung der Erde würde in einer Erklärung von ihm IMHO (meiner bescheidenen Meinung nach) zu einem erhöhten Transfer von Energie über Strahlung in Richtung Erdoberfläche führen.
Da stimme ich Ihnen gerne nochmal zu.
Aber darf ich Sie auch nochmal bitten, sich Ihre eigene Beschreibung daraufhin anzusehen, wie sie die Erwärmung des Erbodens erklärt? Sie begründet anschaulich, dass sich das System Erde/Atmosphäre erwärmen muss, aber warum erwärmt sich der Erdboden? An der Stelle kommen dann nämlich die Leute mit der scheibaren Verletzung des zweiten Hauptsatzes. (Nicht ich, andere …)
Nehmen Sie es mir nicht übel, aber das wage ich zu bezweifeln. Wer an der Stelle mit dem zweiten Hauptsatz kommt, hat da definitiv was nicht verstanden. (Was ich viel schlimmer finde, ist, das ein Prof. Dr. Dr nicht in der Lage ist, korrekt zu zitieren und Lindzen zuschreibt, er würde meinen, der 2. HS würde verletzt …)
Herr Keks ist ein zweiter Wehlan, dem können Sie erklären wass Sie wollen, der wird in jeder Erklärung etwas finden, um seinen Glauben an die Nichtexistenz des Treibhauseffektes zu erhalten. Und wenn ich mich recht entsinne, haben Sie sich auch schon daran versucht, ihm Ihre Beschreibung nahezubringen. Den Erfolg sehen Sie.
Gern, die lesen sich interessant. Und ich bin sogar anderer Meinung. Ich hoffe, Herr Heller hat nichts dagegen, dass wir uns darüber unterhalten.
Um sicherzugehen, dass ich das richtig verstehe: Eine Erde ohne Treibhausgase würde aus dem All betrachtet eine Abstrahlung aufweisen, die der Plankfunktion der Temperatur der Erde entsprechen würde – also auch keine irgendwie gearteten Dellen aufweisst, wie die der jetzigen Erde. Ein Hinzufügen einer dünnen Schicht CO2 mit der gleichen Temperatur wie die Erdoberfläche würde Ihrer Meinung nach dort keine Delle in den Absorbtions-/Emissionsbanden von CO2 erzeugen?
Würde das nicht voraussetzen, dass CO2 nur in Richtung All abstrahlt? Strahlt es aber nicht statt dessen in alle Richtungen ab und fehlt daher nicht ein Teil an der ins All gehenden Strahlung? Und müßte dann nicht diese fehlende Strahlung an anderer Stelle ausgeglichen werden?
Die für mich bisher plausibelste Erklärung de stratospheric cooling sieht die Ursache etwas anders. Die schreiben die Abkühlung der erhöhten Absorbtion in der Troposphere zu (als einem von zwei Gründen). Wenn da weniger IR bis zur Stratosphere durchkommt, CO2 aber weiterhin genauso abstrahlt gibts ein Defizit – höhere Abstrahlung als Eintrahlung führt zur Abkühlung.
Ich habe nicht gesagt, dass Sie sich hinter dem Begriff “Strahlungs-Konvektionsgleichgewicht” verstecken. Ich habe gesagt, dass Sie den Transfer von Energie aus der Atmosphere in Richtung Erdoberfläche hinter diesem Begriff verstecken.
Diese Aussage kann ich nicht einordnen. Wer versucht denn, die Vorgänge in der Atmosphäre nur mit Strahlung zu erklären? Und ist es nicht auf der anderen Seite so, dass man den Temperaturgradienten ohne Radiation auch nicht erklären kann?
Ich bin mir sicher, wenn wir ein einzelnes Photon betrachten und dessen Weg verfolgen, dann haben die Vorgänge eine serielle Abfolge. Aber das wird nicht der Punkt sein, den Sie machen wollen. Was wollen Sie als damit sagen?
Schade, dass Sie mein “Ich glaube nicht …” Statement einfach so ohne Kontext kommentieren. Ich habe das zu konkreten Annahmen Ihrerseits gesagt. Ich denke einfach, dass z.B. Latif das ganze Scenario bewusst ist, und dass er sich nur zum Zwecke einer Erklärung auf Einzelaspekte beschränken.
Marvin
PS: Falls ich im vorhergehenden eine Ihrer Aussagen falsch aufgefasst haben sollte, bitte ich vorab schonmal um Nachsicht und ggf. um einen kleinen Schubs in die richtige Richtung.
Peter Heller schrieb am 23. August 2010 23:04
Wenn ich jetzt wüßte, das “das alles” ist und wie sich der Kommentarausschnitt darauf bezieht. Irgendwie habe ich Schwierigkeiten, das in Zusammenhang mit meinen Text zu bringen …
@Müller, #51:
Physik ist die Erläuterung von Prozessen in der unbelebten Natur ausgehend von Erhaltungssätzen und Symmetrieüberlegungen.
Die Atmosphäre hat zwei Grenzen: Den Erdboden und den Weltraum. Man muß die Hauptsätze auf das Gesamtsystem innerhalb dieser Grenzen anwenden, und nicht nur auf Teilbereiche wie die Troposphäre. Wenn Sie dann noch – sehr grob – eine Schichtung der Atmosphäre in einen optisch dichten Teil und einen optisch dünnen Teil (getrennt durch die Tropopause) berücksichtigen, fällt alles von allein an seinen richtigen Platz. Die Erklärung des Treibhauseffektes, wie ich sie oben beschrieben habe, ergibt sich dann ganz natürlich und zwingend.
Die “Gegenstrahlung” ist dazu nicht erforderlich. Daher sollte man diese aus seinen Überlegungen besser ganz streichen. Beachten Sie immer: Die Troposphäre ist optisch dick und eben genau nicht durchlässig für infrarote Strahlung der entsprechenden Wellenlängen. In alle Richtungen über große Distanzen.
Und: Der Erdboden erwärmt sich gemäß seines Absorptionsvermögens, gemäß also seiner Zusammensetzung. Der Treibhauseffekt beschreibt keine Erwärmung des Erdbodens. Sondern eine der unteren Luftschichten. Niemals die Systemgrenzen überschreiten. Wenn die bodennahen Luftschichten wärmer werden, kühlt der Erdboden langsamer ab. Das ist der Punkt. Keine Probleme mit irgendwelchen Erhaltungssätzen an dieser Stelle. Keine Gegenstrahlung erforderlich.
Die Erdoberfläche wird von der Sonne erwärmt. Die bodennahen Luftschichten werden vom Erdboden erwärmt. Und sie sind wärmer, als sie im Strahlungsgleichgewicht sein dürften, weil die Erde ein Gravitationsfeld besitzt. Der Treibhauseffekt erwärmt die gesamte Atmosphäre innerhalb der beiden Grenzen überhaupt nicht. Er sorgt nur dafür, daß die Wärme anders verteilt wird. Die dazu erforderliche Maschine ist die Schwerkraft, als einzige andere Energiequelle neben der Sonne, die dazu zur Verfügung steht.
Das ist wirklich alles. Wenn man einmal die Systemgrenzen verstanden, erkannt und definiert hat, ergibt sich alles andere von selbst und alle Widersprüche lösen sich auf. Das meinte ich.
Lieber Herr Müller,
ich diskutiere auch gerne mit Ihnen. Wir sollten deshalb nichts auf die Goldwaage legen.
Sie schreiben:
Da haben sie Recht. Für den stationären Zustand ergibt sich mit Treibhausgasen für die Energiebilanz aufgrund der jetzt höheren Temperatur formal eine höhere Gegenstrahlung. Aber das ist nicht die Ursache des Treibhauseffektes, sondern seine Wirkung.
Jetzt weiß ich aber was sie meinen. Das war ja genau mein Punkt oben.
Prof. Latif schreibt aber ausdrücklich zur Ursache:
Wenn er also in einer „zusätzlichen“ Wärmestrahlung eine physikalische Ursache für den Treibhauseffekt sieht dann kommt es eben meiner Meinung nach zu physikalischen Widersprüchen. Beziehungsweise wird Ursache und Wirkung verwechselt. Der interne Beobachter ist eben oft blind für die tatsächliche Ursache.
Im Grunde schreibt Latif also:
Wir beobachten im stationären Zustand eine höhere Temperatur der Erdoberfläche und der Atmosphäre und die Ursache dafür ist die höhere Temperatur der Erdoberfläche und der Atmosphäre. Oder etwa nicht?
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Müller,
Sie fragen:
Na ja ich habe jetzt das grobe Bild genommen.
Die Satellitenmessungen die man immer sieht, Lüdecke Abb. 2 und 3, sind Emissionsmessungen und die Temperaturen die drangeschrieben sind, sind äquivalente Schwarzkörpertemperaturen. Die Temperatur an jedem Punkt aus den Intensitäten berechnet über die Planckfunktion, weil die Intensität im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht nur von der Wellenlänge und der Temperatur abhängt. Das sind dann die dünnen Linien die üblicherweise eingezeichnet werden. In der Realität müssten sie die Temperatur natürlich für die verschiedenen Emissionskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien der Oberfläche und der atmosphärischen Bestandteile korrigieren, die der Satellit gerade überfliegt. Das hieße aber, dass sich die Temperaturen nicht so einfach dran schreiben lassen würden, deshalb nimmt man aus Bequemlichkeit die Schwarzkörperreferenz. Für die jeweilige Temperatur liegt die Emission auf der zugehörigen dünnen Linie des Referenzschwarzkörpers. Das grobe Bild ist also nicht von mir, nehme es aber für unsere Diskussion.
Die Klimaforschung tut das ja auch immer nur sehr grob.
Ich halte es für missverständlich hierbei von Absorptionsbanden zu sprechen, da die optische Dichte im „Banden“-Schwerpunkt für die Atmosphäre deutlich größer als 1 ist und wir lokales thermodynamisches Gleichgewicht haben. Gemessen werden Emissionsspektren. Für Absorptionsspektren bräuchte man einen Referenzstrahl. Aber gut.
Wenn Sie sich mal Strahlungstransferrechnungen anschauen, steht da unter den Integralen im Wesentlichen nur der Emissionskoeffizient und die Planckfunktion B(T, lambda).
Die differentielle Abstrahlung für das Erdsystem bei der Wellenlänge lambda = (1 – A)* Es * B(Ts, lambda) *OFE + Ea *B(Ta, lambda) * OFE. OFE ist die Oberfläche der Erde. Annahme von mir: Ta = Ts. Bezeichnungen: A = Absorptionskoeffizient, Ta Atmosphärentemperatur und Ts Oberflächentemperatur, Ea und Es sind die Emissionskoeffizienten. Nach Kirchhoff gilt A = Ea und wenn wir annehmen, dass Es in etwa 1 ist, kommt das raus, was ich gesagt habe. Die Abstrahlung ist gleich B(Ts, lambda).
Verzeihen sie mir, dass ich mir domegas und so gespart habe.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Günter Heß schrieb am 24. August 2010 20:17
Vielleicht fehlt mir ja etwas von dem Text, weil Sie nicht alles zitiert haben, aber in dem von Ihnen zitierten taucht der Begriff Treibhauseffekt gar nicht auf, also kann Latif auch nicht sagen, die zusätzliche Wärmestrahlung sei eine Ursache für den Treibhauseffekt. Er sagt hingegen deutlich, dass die Ursache für die höhere mittlere Temperatur die “zusätzliche” Wärmestrahlung ist (ohne auszuführen, wo die letztendlich herkommt).
Ich glaube, ich hatte diese Frage in anderer Form schonmal beantwortet. Ich sehe das nicht so wie Sie. Latif beschreibt nur einen Ausschnitt des ganzen Scenarios und damit fehlt der Punkt, der erklärt, woher die Treibhausgase der Atmosphäre die Energie bekommen, die sie in Richtung Erdoberfläche abstrahlen.
Aber irgendwie ist das langsam eine Diskussion über Kaisers Bart. Ich stimme Ihnen zu, dass die Beschreibung unvollständig ist und eine vollständigere vielleicht günstiger gewesen wäre. Wir brauchen diesen Punkt also nicht unbedingt zu vertiefen.
. Kann man also wirklich die höheren Temperaturen in Bodennähe erklären, ohne über Strahlungstransfer zu reden? Ich würde da der Einfachheit halber nochmal auf #47 verweisen:
Mich würde viel mehr interessieren, warum Sie anderer Meinung als ich bezüglich meiner postulierten Lücke in Ihrer Erklärung sind
In meiner naiven Vorstellung kann die Wärmeenergie nur von der Erdoberfläche weggehen, solange wir nur über Konvektion reden. Aber dadurch wird es in Oberflächennähe nicht wärmer. Dass es dort wärmer wird, kann man IMHO nur erklären, wenn man Strahlungstransport mit in die Erklärung einbezieht. Aber wie gesagt, ich mag mich irren …
Peter Heller schrieb am 24. August 2010 15:44
Das wird jetzt extrem verwirrend. Die Bodennahen Luftschichten werden vom Erdboden erwärmt und (habe ich mal gelernt) steigen dann nach oben auf. Kältere Luft strömt nach. Dabei wird also nur Energie von der Erdoberfläche wegtransportiert – keine hin. Wie soll erwärmte Luft, die von der Erdoberfläche weg nach oben aufsteigt, die Erdoberfläche am abkühlen hindern?
Ich habe lange überlegt, ob ich das kommentiere (und gehofft, dass vielleicht Herr Hess vorher einspringt). Ich glaube ehrlich nicht, dass Sie das so meinen. Das ist ja fast die Erklärung von Thieme, der die 15°C in Bodennähe auch nur mit Gravitation erklären wollte. Aber der hat wenigstens eine Wärmepumpe eingebaut, um den Temperaturanstieg zu erklären.
Aber um etwas weiter auszuholen: Ohne Treibhausgase wäre nach ihrer eigenen Erklärung oben die Abstrahlungshöhe direkt an der Oberfläche, da ja sämtliche IR-Strahlung ungehindert entweichen kann. Wir hätten dort also die von Ihnen ausgerechneten -18°C (unverändertes Albedo angenommen). Von dort aus beginnend sorgt die Graviation dann für einen Temperaturgradienten (wobei ich keine Idee habe, wie der dann aussehen würde). Die Graviation kann also nicht dafür sorgen, dass die mittleren Temperaturen 33°C höher sind …
Aber wie gesagt, ich bin mir sicher, dass Sie das nicht so gemeint haben …
Günter Heß schrieb am 25. August 2010 13:33:
Vielen Dank, dass Sie die Modellierungsaspekte und Abstraktionen nochmal klargestellt haben. Und ich bitte auch meine unscharfen Formulierungen zu entschuldigen und bin dankbar, dass Sie die gerade rücken. Aber eine Antwort auf meine eigentliche Frage habe ich nicht gefunden. Und ich glaube, ich habe auch rausbekommen, warum.
Aber korrigieren Sie mich bitte, wenn ich mit folgendem falsch liege: Das Szenario ist falsch. Unter der Annahme, dass wir immer noch nur eine Sonne als Energiequelle annehmen und die CO2-Schicht nahezu durchsichtig für das Sonnenlicht ist, kann es keine Schicht CO2 geben, die die gleiche Temperatur wie die Oberfläche hat. Die einzige Quelle, aus der das CO2 Energie gewinnt, ist die von der Sonne erwärmte Erdoberfläche. Stellt sich da nicht ein stationärer Zustand ein, in dem das CO2 kälter ist, als die Erdoberfläche?
Lieber Herr Müller,
Ich habe mit dem 3. Satz angefangen und das ist die Beobachtung Treibhauseffekt:
Die Kapitelüberschrift heißt bei Latif:
Das ganze Zitat:
Nein, Prof Latif sagt nicht wo die Energie herkommt, aber auf mich wirkt dieser Abschnitt irgendwie abgeschlossen.
Im Buch kommt auch nichts weiter. Ich schreibe es aber jetzt nicht ab.
Im übrigen hat Thieme bei seinem Atmosphäreneffekt nur nicht gesagt, wo die Energie hingeht die das aufsteigende Luftpaket abgibt.
Latif sagt nicht wo die Energie herkommt. die den erdboden erwärmt. Das sieht nach einem Patt aus.
Ich persönlich denke beide Erklärungen sind unvollständig und damit physikalisch falsch. Die von Prof. Latif und die von Thieme.
Sind sie da ähnlich tolerant? Ich nicht.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Müller,
ich habe mein Beispiel gewählt, um zu zeigen, dass die Eigenschaft der Treibhausgase Wärmestrahlung auszusenden nicht automatisch dazu führt, dass der Treibhauseffekt beobachtet wird. Das leistet mein Beispiel, also überfrachten sie es bitte nicht. Allerdings habe ich nur Annahmen benutzt, die auch immer mal zur Erklärung des Treibhauseffektes herangezogen werden.
Lokales thermodynamisches Gleichgewicht in der dünnen Gasschicht. Thermischer Kontakt mit der Oberfläche und die Emissionskoeffizienten annähernd gleich. Das letztere gilt sicher nur im Bereich der starken Banden und nicht in den Flügeln. Wie gesagt nur ein Gedankenexperiment
Welche Temperatur das CO2 im stationären Zustand hat hängt vom Unterschied der Emissionskoeffizienten zwischen Oberfläche und Gasschicht sowie der Wärmeübergangskoffizienten ab. Das wollte ich nicht untersuchen, so kompliziert macht sich Prof. latif das auch nicht..
Wenn ich mir aber anschaue, dass die Klimaforschung Sea Surface Temperatur ist gleich oberflächennahe Lufttemperatur annimmt, scheint mir mein Gedankenexperiment in Ordnung und die annahme nicht unmöglich.
Die Emission einer optisch dicken isothermen Schicht ist bei einer bestimmten Wellenlänge ist eben nun mal das Produkt aus Emissionskoeffizient und Planckfunktion.
Sie können sich mein Argument aber auch mit dem Konzept der Emissionshöhe klar machen, dass es nicht alleine die Eigenschaft Wärmestrahlung ist, sondern der Treibhauseffekt den vor allem Temperaturgradienten braucht. Nehmen sie die Höhe in der Atmosphäre als y-Achse und die Temperatur als x-Achse. Zeichnen sie drei Temperaturgradienten. A) Einen der mit der Höhe fällt B) einen isothermen und C) einen der mit der Höhe steigt. Nun zeichnen sie bei 5 km die Emissionshöhe als Waagrechte. Der Schnittpunkt der Emissionshöhe mit dem Gradienten ergibt die effektive Strahlungstemperatur des jeweiligen Erdsystems. Nun schieben sie parallel zu x die Kurven A bis C so dass sie sich auf der Emissionshöhe bei 255 K schneiden.
Treibhausgase erhöhen die Emissionshöhe.
Nun zeichnen sie also eine zweite Emissionshöhe in größerer Höhe als Waagrechte ein und verschieben die Kurven parallel zu x so dass sie sich wieder bei 255 K schneiden.
Dann stellen sie fest dass die Atmosphäre A erwärmt wurde in allen Höhen, die isotherme Atmosphäre B konstant warm blieb und die Atmosphäre C abgekühlt ist.
Eine Erklärung für den Treibhauseffekt ohne Temperaturgradient ist deshalb physikalisch meines Erachtens wertlos.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Müller,
Sie fragen:
Gegenstrahlung ist doch nur ein Parameter beim Strahlungstransfer in der Zweistrahlnäherung. Physikalisch entscheidend ist aber der Nettoenergietransport durch Strahlung und nicht ein Teilstrahl.
Der Nettoenergietransport im IR-Bereich in den Strahlungstransfergleichungen für die Atmosphäre ist im Mittel doch auch nach außen. Deshalb braucht man die Gegenstrahlung nicht, wenn man den Nettoenergiefluss durch Strahlung anschaut, was ja ausreicht.
Von unten kommt im IR immer mehr als von oben. Da kriegen sie doch auch die „Energie“ nicht nach unten, um in ihrem Jargon zu bleiben.
Braucht man auch gar nicht, da aus allen Schichten parallel in den Weltraum emittiert wird. Bei höherer Treibhausgaskonzentration weniger. Das heißt es wird netto weniger Energie nach außen transportiert. Das ist der fundamentale Mechanismus.
Googeln sie doch mal ein bisschen, dann werden sie feststellen, dass das Erdsystem im kurzwelligen Bereich geheizt wird und im langwelligen Bereich abgekühlt wird und zwar aus allen Schichten. Was nicht heißt, dass es den Treibhauseffekt nicht gibt, wie manche behaupten wenn Sie rufen Treibhausgase kühlen. Es stimmt, Treibhausgase kühlen die Atmosphäre und das Erdsystem aber unter der Voraussetzung eines fallenden Temperaturgradienten bei höherer Konzentration weniger
Im Grunde ist es mit der Gegenstrahlung wie bei der Löcherleitung. Die Oberfläche strahlt mit sigma Ts^4 ab, an der Systemgrenze wird aber nur sigma Te^4 abgestrahlt, also berechnet man die Differenz die nicht oben ankommt und nennt sie im stationären Zustand Gegenstrahlung sigma*(Ts^4 – Te^4). So simpel ist das. Aber ein menschliches Konzept. Der physikalische Mechanismus ist wie bei der Löcherleitung ein anderer.
Der physikalische Mechanismus der die Energie aber im Erdsystem verteilt besteht aber aus LW-Strahlung, SW-Strahlung, Konvektion, Wärmeleitung, latente Wärme, sensibler Wärme, Strahlung von Wolken und ist eben viel komplexer, auch wenn es das ganze schwerer verständlich macht. Aber die Natur fragt uns nicht.
Die Natur ist komplex und der Nettotransport durch Strahlung zwischen zwei benachbarten Luftpaketen in der Troposphäre sehr klein und vernachlässigbar gegenüber der Konvektion. Trotzdem ist der Effekt an der Systemgrenze ausreichend groß.
Sie dürfen auch nicht vergessen, dass wir lokal auch Inversionswetterlagen haben. Die Betrachtungen zum Treibhauseffekt, die wir hier anstellen gehen aber immer nur von einem globalen und mittleren Modell aus.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Müller,
Sie schreiben:
Ist es natürlich auch. Thieme hat ja nur die klassischen Konzepte aus der Metereologie verwendet.
Er schreibt zum Beispiel:
Wenn sie die Masstäbe anwenden mit denen sie Latifs Erklärung durchgehen lassen, hat auch Thieme hier nur was richtiges gesagt.
Ich vernachlässige mal horizontale Energieflüsse.
Die trockene statische Energie in der Atmosphäre einer Luftsäule bis an die Atmosphärengrenze ist
Cp*T + g*z ,
wobei z die Höhe ist. Die Änderung dieser Größe also d(Cp*T + g*z) ist gleich dem Fluss der Solarstrahlung hinein in diese Säule minus der langwelligen Strahlung hinaus aus dieser Säule an der Systemgrenze. Die Solarstrahlung heizt die Säule in allen Schichten, die langwellige Strahlung kühlt sie in allen Schichten.
Da aber die Solarstrahlung tiefer eindringt als die langwellige Strahlung ausdringen kann, wird netto von unten geheizt und oben gekühlt. Dazwischen finden komplexe Ausgleichsvorgänge statt. Aber die Heizung und die Kühlung findet parallel in allen Schichten statt. Das ist der Energieerhaltungssatz und der Temperaturgradient. Die Kühlrate hängt von der lokalen Temperatur und der optischen Dichte von der betrachteten Schicht bis zur Atmosphärengrenze ab. Die Heizrate von der Sonne und dem Absorptionskoeffizienten.
Also hat doch Thieme auch zum Teil Recht mit seiner Bemerkung zur Graviation.
Aber er vergisst eben den Teil, dass auch die Strahlungsbilanz eine fundamentale Rolle spielt.
Deshalb geht es mir um die vollständige Erklärung und nicht um unvollständige Teilerklärungen wie bei Thieme oder Latif. Ich möchte mal an dieser Stelle bemerken, dass Herr Heller hier und Prof Lüdecke auf Eike wesentlich bessere Erklärungen abliefern als es viel Klimatologie und Metreologiebücher es tun.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Müller,
sie schreiben:
Halten Sie das für physikalisch richtig und ausreichend? Ich nicht.
Was ist denn nun ihre Meinung zur Ursache des Treibhauseffektes?
Vor allem. Wie definieren sie physikalische Ursache und wie definieren sie Treibhauseffekt?.
Für mich ist die Ursache derjenige fundamentale physikalische Grund oder Parameter der die Beobachtung bewirkt.
Der Treibhauseffekt ist für mich die Beobachtung, dass die mittlere Oberflächentemperatur höher ist als die effektive Strahlungstemperatur.
Meine Ursache ist die Verringerung der Ausdringtiefe durch Treibhausgase im Zusammenspiel mit dem Temperaturgradienten.Die Erhöhung der Temperatur und der Gegenstrahlung wird dadurch bewirkt.
Ich würde gerne mal erfahren, was Sie als Ursache ansehen.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Irgendwie bin ich jetzt ein wenig enttäuscht und frage mich, ob Sie auch lesen, was ich schreibe. Ich habe in nahezu jedem Artikel in diesem Thread geschrieben, dass ich mich Ihrer Ansicht anschliessen kann, dass Latifs Erklärung unvollständig ist. Trotzdem schreiben Sie immer weiter, als ob ich das anders sehen würde.
Und ich weiss nicht, auf welche Erklärung Thiemes Sie sich beziehen. Ich meine folgende: http://real-planet.eu/atmoseff.htm. Im Gegensatz zu Latifs unvollständiger Erklärung, die einen Auschnitt des ganzen korrekt beschreibt, ist die wirklich physikalisch falsch — bzw. nur korrekt, wenn man annimt, die Modellvorstellung einer Wärmepumpe, die die -18°C kalte Luft zur Erdoberfläche runterpresst und dabei auf +15°C erwärmt habe irgend etwas mit der Realität zu tun.
Den Rest lese ich Montag vielleicht nochmal. Ich möchte Ihnen in meiner jetzigen Laune nicht unrecht tun …
Zur Atmosphärische Schichtung kann der ersten Hauptsatz der Thermodynamik für ein offenes System genutzt werden:
E = Operator * Q = rho*c(p) * dT/dt – dp/dt
Der globale langjährige Mittelwert der in der Atmosphäre absorbierten solaren Strahlung beträgt 67 W/m^2, derjenige der emittierten terrestrischen Strahlung 195 W/m^2. Absorption führt zur Erwärmung und Emission zur Abkühlung der Atmosphäre. Man kann die Größenordnung dieser Temperaturänderungen abschätzen:
Operator * Q = delta(Q) / delta(z) = [(342 - 107) - 168] / [z(1) - z(2)] = rho*c(p) * dT/dt – dp/dt
Die (geometrische) Höhe der Atmosphäre, z(1) kennt man nicht. Durch Anwendung der Bedingung für das hydrostatische Gleichgewicht kann man diese jedoch ersetzen durch:
dp/dz -> delta(p)/delta(z) = -g*rho -> 1/[rho * delta(z)] = -g/delta(p)
Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann nun der globale langjährige Mittelwert, der durch die absorbierte solare Strahlung in der Atmosphäre hervorgerufenen maximalen Erwärmung abgeschätzt werden:
dp/dt = 0 -> dT/dt = -g/c(p) * Operator*Q/delta(p)
dp/dt = 0 -> dT/dt = -9.81/1004 * [(342 - 107) - 168]/[0 - 100000] = 0,65*10^-5 K/s = 0,56 K/Tag
In gleicher Weise erhält man die durch die Emission terrestrischer Strahlung von 195 W/m^2 verursachte maximale Abkühlung abgeschätzt werden:
dp/dt = 0 -> dT/dt = -9.81/1004 * [40 - 235]/[0 - 100000] = -1,9*10^-5 K/s = -1,65 K/Tag
Gruß KP
Lieber Herr Müller,
glauben Sie meine Gefühlslage ist anders?
Ich hatte Ihnen schon ganz zu Anfang geschrieben:
Worauf sie mir dann später schreiben:
Das kam bei mir an als unterstellten Sie mir ich hätte selektiv zitiert. Da habe ich eben nochmal ausgeholt und in #58 das vollständige Zitat geschrieben.
In #63 war ich sauer und wollte deshalb wissen, wie Sie den Treibhauseffekt erklären.
Falls wir weiter diskutieren, sollten wir einige Dinge voneinander wissen. Wann wir ein physikalisches Erklärungsmodell für falsch halten zum Beispiel. Ansonsten reden wir aneinander vorbei. Bei mir genügt da Unvollständigkeit und Unklarheit bezüglich des 1. und 2. Hauptsatzes.
Ich halte mich, wenn ich Erklärungsmodelle diskutiere an den Wortlaut. Diskussionen nach dem Motto im Grunde hat er ja das Richtige gemeint finde ich nicht so prickelnd. Das Thema hat man im Internet, oft wenn die Erklärung Wärme und Wärmestrahlung verwechselt.
Was ist eine physikalische Ursache. Hier gibt es oft Unterschiede. In den angewandten, beobachtungsdominierten Wissenschaften wird meiner Erfahrung auch eine beobachtete Wirkung als Ursache bezeichnet, wenn sie der geänderten Größe voraus geht oder in der Erklärung voraus geht. In der Grundlagenforschung sucht man da aber nach der Änderung desjenigen fundamentalen Parameters der die Wirkung hervorruft. Ich finde eigentlich nur das Letztere interessant.
Na vielleicht können wir uns ja nochmal zusammenraufen.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Wille,
danke für die Rechnung in #64. Das heißt dann, dass im stationären Zustand 128 W/m2 (195 W/m2 minus 67 W/m2) vom Erdboden nachgeliefert werden müssen.
nach Trenberth und Kiehl: 24 W/m2 durch sensible Wärme, 78 W/m2 durch latente Wärme und 26 W/m2 durch Strahlung.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Hallo Werter Herr Heß,
wenn man einen stationären (zeitunabhängigen) Zustand annimmt, dann wären die Wärme-Werte so ungefähr richtig. Die Werte für die Wärme (Intensität) entstammen dem Bild vom “Treibhauseffekt-Modell”.
Als Konsequenz dieser Abschätzung in #64 ist es zulässig, Luftpakete dann als ADIABATISCH (nicht im Energieaustausch mit ihrer Umgebung stehend) anzusehen, wenn man deren Verfrachtung (Trajektorie) in der wolkenfreien Atmosphäre durch Wind und Turbulenz über einen mäßigen Zeitraum verfolgt.
Was man außerdem an dieser Rechnung sieht ist, dass ein Körper nicht durch die von ihm selbst abgegebene Energie in einem offenen System erwärmen kann (Abkühlung überwiegt). Völlig egal wie hoch seine äquivalente Schichtdicke ist.
Da die Luft bzw. die Atmosphäre kein schwarzer noch nicht einmal ein grauer Strahler, sondern ein Selektiv-Strahler oder Banden-Strahler ist, ist eigentlich das 2. Kirchhoffsche Gesetz nicht anwendbar. Aus diesem Grund kann für einen gasförmigen Stoff/Körper auch kein gemittelter Emissionsgrad angegeben werden. Da für Gaskörper auch das Plancksche Strahlungsgesetz nicht gilt, ist der emittierte Wärmestrom auch nicht proportional zu T^4 entsprechend dem Stefan-Boltzmann-Gesetz.
In der Praxis ist es jedoch üblich, auch die Gasstrahlung mit dem Plancksche Strahlungsgesetz zu beschreiben, da dies in der Regel im Strahlungsaustausch mit Festkörpern/Flüssigkeiten steht. Die Abweichung von der T^4-Abhängigkeit des Wärmestroms muss somit im Emissionsgrad berücksichtigt werden. Dadurch wird der Emissionsgrad temperaturabhängig. Dabei wird die Strahlung des Gases lediglich mit der Strahlung eines schwarzen Körpers gleicher Temperatur verglichen.
Gruß Klaus-Peter
(Bitte den Artikel im ganzen lesen)
Günter Heß schrieb am 28. August 2010 17:19
Ich habe Ihnen von Anfang an einen fairen und an der Sache orientierten Diskussionsstil bescheinigt. Warum Sie dann jetzt das Gefühl bekommen, ich würde Ihnen selektives Zitieren im Sinne einer Verfälschung der Aussage Latifs vorwerfen, kann ich nicht verstehen. Ich habe einfach nur in den Raum gestellt, dass vielleicht der Text vor der zitierten Aussage – und sei es 5 Seiten vorher – einen Kontext aufbaut, den man kennen muss, um zu Ihrer Ansicht über den Text zu kommen. Das ist nicht das, was ich mit selektivem Zitieren assoziieren würde, was in der zu einer Verfälschung der Aussage führt bzw. nur bei einem verfälschenden Zitieren als Beschreibung benutzt wird.
So kann ich nur über den Text reden, der vor mir liegt. Und zu dem habe ich Ihnen von Anfang an zugestimmt, dass der als Beschreibung für den Treibhauseffekt unvollständig ist und damit zu Fehlinterpretation und Mißverständnissen führen kann. Bitte entschuldigen Sie die fettgedruckte Hervorhebung, aber irgendwie muß ich jetzt mal deutlich rüberbringen, dass da keine Meinungsverschiedenheit zwischen uns besteht.
Da zitiere ich einfach mal aus der #47
Ich habe ihnen von Anfang an bescheinigt, dass ich an Ihrer Erklärung nichts auszusetzen habe. Das einzige, was ich gerne noch aus der Diskussion mit nehmen wollte, war eine Antwort auf die Frage, inwieweit man Strahlungsvorgänge in der Atmosphäre mit in die Erklärung einbeziehen muß. Nach den diversen Texten (die nicht direkt auf diesen Punkt eingingen) ist mein Verständnis, dass diese Vorgänge ihrer Meinung nach in der Erklärung bereits enthalten sind, ich sie nur nicht sehe (wohl aufgrund eines wie auch immer gearteten Defizits auf meiner Seite). Diesen Punkt würde ich immer noch gern diskutieren, weil mir immer noch nicht klar ist, warum man das weglassen kann, aber wir können das auch gern lassen.
Auch hier nochmal aus der #47:
Anscheinend hat meine Anmerkung, daß Latif in seinem Text “nur” die Erhöhung der Bodentemperatur und damit “nur” einen Ausschnitt des ganzen diskutiert, Sie diese Zustimmung überlesen oder vergessen lassen.
Hier möchte ich nochmal darauf verweisen, dass ich Ihre Erklärung nicht in Frage gestellt habe. Ich habe lediglich nachgefragt, ob es im Rahmen der Erklärung nicht evtl. noch eine Lücke gibt, wenn jemand fragt, wie denn nun die erhöhten Temperaturen in Bodennähe zustande kommen. Ihre Erklärung beschreibt ja eine Erwärmung des Systems Erde+Atmosphäre. Wenn ich jetzt konkret nach der Erdoberfläche – also nach der Schicht ganz unten in dem sich erwärmenden System frage – dann sehe ich da eine Lücke. Es mag eine eingebildete welche sein – daher meine Frage.
Basierend auf Ihrer Erklärung entdecken immer noch Leute eine Verstoß gegen den 2. HS. Nämlich dann, wenn sie sich fragen, wie denn Energie, die aufgrund der höheren optischen Dichte in der Atmosphäre bleibt, statt ins All zu entweichen, zu einer Erwärmung des Erdbodens (bzw. der bodennahen Schichten) führen soll. Sie kennen die Argumentation – Boden wärmer als atmosphärische Schichten, die die IR-Strahlung absorbieren, daher können diese Schichten nicht zu einer Erwärmung führen.
Meine einzige Frage zu Ihrer Erklärung war daher, ob man die Vorgänge in der Atmosphäre, die letzten Endes zu dieser höheren Temperatur in Bodennähe führen – ob man die nicht ausführlicher in die Erklärung einbeziehen muß. Und es kommt zwischen den Zeilen ja auch bei Ihnen durch, z.B. #60
Den meisten, die den Treibhauseffekt diskutieren, ist eben nicht klar, dass der Nettoenergietransport vom Boden weg reduziert wird. Die sehen vielleicht noch, dass oben am Übergang zum All aufgrund der höheren optischen Dichte weniger rausgeht, als vom Boden ursprünglich abgestrahlt wurde. Dass aber ein Teil der von der Atmosphäre zurückgehaltenen Energie wieder in Richtung Erdboden fließt, damit dessen Netto-Abstrahlung reduziert und er dadurch weniger abkühlt und letzten Endes wärmer bleibt … Aber ich wiederhole mich. Wenn ich auch jetzt nicht rüberkomme mit meiner Anmerkung kann ich es auch aufgeben.
Lieber Herr Wille,
völlig richtig. Allerdings nimmt man in der Atmosphärenphysik bis etwa 60 km lokales thermodynamisches Gleichgewicht an. Das heißt Stöße dominieren.
Unter dieser Annahme zeigt man üblicherweise, dass die Quellfunktion in den Strahlungstransfergleichungen durch ein Produkt aus spektralem Emissionsgrad für ein ausgedehntes Volumen und Planckfunktion bei der entsprechenden Wellenlänge ersetzt werden kann.
Das haben sie vermutlich hiermit gemeint:
Üblicherweise wird dann in einer bestimmten Näherung integriert (wide band oder narrow band), um die Flüsse zu berechnen.
In den Lehrbüchern wird dann oft die Näherung eines grauen Strahlers benutzt, um die Effekte zu illustrieren.
Was meinen sie mit diesem Satz konkret?
Gegenstrahlung global und über längere Zeiträume gemittelt erwärmt nicht, da wir in der Erdatmosphäre einen mit der Höhe fallenden Temperaturgradienten beobachten?
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Werter Herr Heß
Nur in der Thermodynamik irreversibler Prozesse spricht man vom “lokalen thermodynamischen Gleichgewicht”. Die phänomenologische „Thermodynamik irreversibler Prozesse“ beschreibt den Zeitablauf von Vorgängen, womit den thermodynamischen Variablen ein dynamischer Charakter verliehen wird. Im Mittelpunkt der Thermodynamik irreversibler Prozesse steht die zeitliche Änderung der Entropie. Die Theorie vermag aber nicht, die Größen für ein konkretes Gesamtsystem zu bestimmen.
Eine Teil-Antwort liegt bereits mit dem Wort “irreversible” vor.
In welchem Bereich befindet man sich laut dieser Theorie in der Atmosphäre, nahe des Gleichgewichts (im linearen Bereich) oder im kinetischen Bereich (nicht-linearen Bereich)?
Wenn man Flüsse berechnen will, müssen Triebkräfte vorhanden sein – Im lokalen thermodynamisches Gleichgewicht?
Die phänomenologische Betrachtung vom Gleichgewicht ist gegeben durch die Formen und Arten der Systeme sowie den damit korrespondieren Größen bei räumlich und zeitlich konstanten Gesamtsystem.
Deshalb sind alle Gleichgewichte in den Naturwissenschaften “relative oder isolierte oder interne Gleichgewichte” und beziehen sich nur auf das betrachtete System selbst, aber nicht auf die umgebenen Systeme bzw. auf das Gesamtsystem.
Eine detaillierte Beschreibung bzw. Erklärung findet man in den Aussagen der Systemtheorie und Komplexitätstheorie (Grundlagen von System-Betrachtungen).
Über eine mäßige Zeit gesehen, wird das System “Atmosphäre” immer abkühlen.
Im Endeffekt kann man diesen fallenden Temperaturgradienten mit der Höhe ebenfalls über den 1.Hauptsatz der Thermodymanik und dem hydrostatischen Gleichgewicht ermitteln. Hier wird die zeitliche Änderungen durch die reine vertikale räumliche Änderung “ersetzt” (bei Operator*Q = 0).
Anmerkung: Alle Berechnungen sind deterministisch. Leider ist das Wesen oder die Realität der Atmosphäre selbst nicht deterministisch, sondern adaptiv-dynamisch.
Als Beispiel für eine solche adaptiv-dynamische Änderung kann man in der Temperatur-Messung sehen. Ganz korrekt müssten alle Temperatur-Angaben in einem dynamischen System in folgender Weise geschrieben werden:
T(avg) = 1/delta(t) * integral[(t|t+delta(t)) T dt]
wobei t = untere Genze und t + delta(t) = obere Grenze ist.
Habe Sie schon mal eine Berechnung gesehen, wo diese Temperatur-Dynamik berücksichtigt wird?
Gruß Klaus-Peter
Alles was lediglich wahrscheinlich ist, ist wahrscheinlich falsch (Rene Descartes).
Lieber Herr Müller,
Wir unterscheiden uns vielleicht noch in der Bewertung, aber ich habe sie verstanden.
Ich habe auch ihre Frage verstanden:
Ihre Frage ist nicht eingebildet, sie ist nur nicht so einfach zu beantworten und eben auch mit der Gegenstrahlung nicht beantwortet.
Auf die Gefahr, dass ich mich wiederhole. Der fallende Temperaturgradient ist ja ein globaler Mittelwert. Lokal gibt es alle denkbaren Temperaturgradienten und Temperaturverteilungen, so dass immer Ausgleichsvorgänge auf der Erde stattfinden. Konvektion und Strahlung sind diese fundamentalen Prozesse dafür. Diese Prozesse transportieren permanent Wärme von warm nach kalt. Die Komplexität der Natur gibt die minimalen Zutaten vor, die unser Modell braucht.
Die fundamentale Eigenschaft ist doch, dass die Eindringtiefe für Solarstrahlung größer ist als die Ausdringtiefe für Strahlung größer 2 µm.
Da verstehe ich nicht, warum sie eine Lücke sehen, wie der Erdboden erwärmt wird. Das macht die Sonne. Die Energiebilanz des Erdbodens ist die Differenz zwischen Heizrate und Kühlrate am Erdboden. Dadurch, dass das gesamte Erdsystem schlechter gekühlt wird, wird letztendlich auch der Erdboden schlechter gekühlt. Die maximale Heizrate für den Erdboden ist die eingestrahlte Leistung durch die Sonne. Die Kühlrate am Erdboden setzt sich zusammen durch latente Wärme, sensible Wärme und Wärmeabgabe durch Strahlung an die Atmosphäre und ans Weltall. Im Mittel kühlen diese drei Prozesse den Erdboden. Wir beobachten ja den fallenden temperaturgradienten.
Formal können sie nun die Gegenstrahlung mit Klammern zur Heizrate des Erdbodens zuschlagen, wenn sie die Energiebilanz betrachten.
Die Gegenstrahlung ist deshalb aber kein eigener Mechanismus, nur ein anderer Formalismus.
Im gemittelten stationären Zustand fließt die Energie die das System kühlt netto nach aussen, sonst würden wir keinen fallenden Temperaturgradienten beobachten
Aber selbstverständlich kann man formal diesen Nettoenergiefluss innerhalb des Systems noch in beliebig viele Teilflüsse in alle Richtungen unterteilen. Das ist das was die Strahlungstransfertheorie allgemein mit Lichtstrahlen beschreibt. Der Energietransport durch jede Fläche im Erdsystem wird nun als Integral über alle diese Lichtstrahlen berechnet. Die Gegenstrahlung ist eben eine Teilfluss in der vereinfachten Zweistrahlnäherung, die über eine Hemisphäre integriert, aber keine fundamentale physikalische Ursache wie die Verringerung der optischen Dichte oder eine Erhöhung der eingestrahlten Sonnenenergie ins System , oder eine Erniedrigung des Flusses nach aussen über die Systemgrenze.
Leider ist die Atmosphäre ein komplexes System und das läßt unzulässige Vereinfachungen meiner Meinung nach nicht zu. Wir brauchen eine Mindestkomplexität.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Wille,
das Lokale Thermodynamische Gleichgewicht benutzen alle Naturwissenschaften, die mit einem Thermometer die Temperatur messen. Das heißt die Energie ist im der lokalen Volumen gemäß der Maxwell-Boltzmann auf die Energiezustände verteilt. Das wird durch Stöße erreicht. Das heißt die Stoßrate muss schneller sein als die betrachtete Reaktionsrate. Dann können wir lokal die thermodynamische Temperatur verwenden.
Die Triebkräfte für die Flüsse sind die Einstrahlung durch die Sonne und der fallende Temperaturgradient Richtung Weltall. Das reicht aus. Im System finden Ausgleichsvorgänge aufgrund lokaler Temperaturunterschiede statt. Das produziert Entropie.
Mit Gleichgewicht im thermodynamischen Sinne hat das Erdsystem nichts zu tun. Es ist fernab vom Gleichgewicht und nichtlinear.
Sie schreiben:
Aber der Energieinhalt des Erdsystems kann sich nur durch Energietransport über die Systemgrenze ändern.
Das heißt ein fallender Temperaturgradient braucht neben der Schwerkraft und lokalem thermodynamischen Gleichgewicht die Randbedingung, dass die Eindringtiefe der Solarstrahlung größer als die Ausdringtiefe der langwelligen Strahlung ist. Außerdem braucht es Ausgleichsmechanismen wie Strahlung und Konvektion.
Ihre Anmerkung:
Schöner Spruch, den man im Hinterkopf behalten muss.
Ein Naturwissenschaftler der am Erkenntniszuwachs arbeitet darf sich aber dadurch nicht aufhalten lassen.
Der Strahlungstransfertheorie und der Physik der Atmosphäre gelingt es trotzdem mit wenigen Parametern, aber aufwendigen numerischen Berechnungen fundamentale Messungen in der Atmosphäre zu beschreiben und neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen. Das ist nun rein empirisch, aber auch der Weg mit dem wir Menschen Fortschritt erzielen.
Man darf eben nicht vergessen, dass wir die Atmosphäre mit der Strahlungstransfertheorie seit langem ganz gut beschreiben können.
Das heißt natürlich in einem komplexen nichtlinearen System nicht notwendigerweise, dass wir sichere Vorhersagen machen können, wie sich das Klima entwickelt.
Gottseidank lassen wir Menschen uns aber nicht von schlauen Sprüchen, wie dem von Monsieur Descartes aufhalten.
Und eine bessere Theorie hat er ja auch nicht.
Dieses Problem:
haben sie doch immer, wenn sie die Natur beschreiben wollen. Das hängt aber doch vom Problem und den intrinsischen Zeitskalen ab, die das System bestimmen. Die Frage ist doch nur, auf welcher Zeitskala man die Fluktuationen vernachlässigen kann.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
@ Klaus-Peter Wille , 70
Das kann man so pauschal kaum behaupten. Denken Sie einmal daran, was passiert, wenn der Atmosphäre Energie zugeführt wird (z.B. durch eine Erhöhung der Sonneneinstrahlung)
Das ist falsch – wie Herr Hess schon erwähnt hat, ist vertikale Temperaturgradient mit Temperaturabnhame noch oben nur ein empirischer Mittelwert. In Realität werden Sie feststellen, dass je nach Wetterlage die Temperatur verschieden ab- und sogar zunehmen kann (Inversionslagen). Dies ist natürlich alles über die Energieflüsse erklärbar.
Auf globaler Skala ist die Temperaturabnahme durch die Flüsse von Konvektion, Strahlung und anderen Energien erklärbar. Mit 1. HS und hydrostatischer GG alleine wird dies aber noch nicht mal in einem vereinfachten Modell mit hydrostatischer Atmosphäre und Gesamtenergieerhaltung erklärbar.
Zur Behandlung der Atmosphäre auf globaler Skala nimmt man die lokalen Gleichungen und mittelt sie über die Sphäre. Dabei treten neue Größen in Form von Mitteln von Produkten zweier phylikalischer Größen (siehe Turbulenztheorie). D.h. die thermodynamischen Gleichungen gemittelt über die Sphäre werden komplizierter als die lokal gültigen und müssen entsprechend aufwendiger behandelt werden.
Aber dennoch, können Sie die Berechnungsschritte, die Ihrer Behauptung zugrunde liegen, mal vorführen? Dann wird es vielleicht klarer.
Hallo Werter Herr Heß
Wow, eine Verteilungsfunktion für ein streng ideales Gas auf die realen Gasgemisch-Zustände abzubilden, halte ich für ziemlich gewagt (vielleicht in 1.Näherung zur groben Abschätzung). Zumal ein scheinbar statistischer Zusammenhang nicht unbedingt einen kausalen Zusammenhang zwischen den realen Größen zuläßt.
Um auf die Stöße zurückzukommen, es gibt elastische, unelastische, zenrale und nicht-zentrale Stöße (Hab ich einen vergessen?).
Welche Stöße werden in einem IDEALEN GAS vorausgesetzt?
Für die Atomsphäre ist das Aktionsprinzip von großer Bedeutung, es liefert die Informationen über die zeitlichen Änderungen der Bewegungs- und Zustandsgrößen. Alles im Universum bewegt sich. Es muss immer ein Bezugssystem angegeben werden. Die Erdoberfläche bewegt sich bezogen auf den Erdmittelpunkt in 23 Stunden 56 Minuten 4,0905 Sekunden einmal um ihre Achse. Bei einem Erdumfang von rund 40075 km bewegt sich ein Beobachter am Äquator mit rund 460 m/s also 1,7 km/h. Die Erde bewegt sich bezogen auf die Sonne mit rund 30 km/s ca. 108000 km/h um unser Zentralgestirn.
Sobald Bewegung im Spiel ist, kommen noch weitere Aspekte hinzu. Ein Aspekt ist die Reibung in einem Nicht-Vakuum. Die auch einen Beitrag zum Energie-Haushalt und zur Vielfalt der atomsphärischen Phänomene beisteuert.
@Hr. Bäcker: SIE HABEN NATÜRLICH VOLLIG RECHT.
Adiabatische Luftpakete (dQ = 0) ändern ihre Temperatur, wenn sie sich auf- oder abwärts bewegen. Die Größe dieser Temperaturänderung kann man ebenfalls aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik abschätzen:
Operator * Q = 0 = rho*c(p) * dT/dt – dp/dt = rho*c(p) * dT – dp
Für reine Vertikal-Bewegung ergibt sich:
dT = (dT/dx)dx + (dT/dy)dy + (dT/dz)dz + (dT/dt)dt -> dT rund (dT/dz)dz
dp = (dp/dx)dx + (dp/dy)dy + (dp/dz)dz + (dp/dt)dt -> dp rund (dp/dz)dz
Damit kann die Gleichung vom ersten Hauptsatz wie folgt geschrieben werden
0 = rho*c(p) * dT – dp = rho*c(p) * dT/dz – dp/dz
Zusammen mit der Bedingung für das hydrostatische Gleichgewicht (dp/dz = -g*rho) gilt dann:
dT/dz = 1/[rho*c(p)] * dp/dz = – g/c(p) = – 9,81/1008 = – 0,00973 K/m
D.h. die Temperatur eines Luftpakets ändert sich um 0,97 K, wenn dieses vertikal und trockenadiabatisch um 100 m verschoben wird.
Wenn man jetzt die spezifische Wärmekapazität der feuchten Luft von ungefähr 1860 J/(K*kg) einsetzt, erhält man einen feuchtadiabatischen Temperaturgradient von 0,00527 K/m.
Wie hat man ein Wissenschaftler gesagt (Leider kann ich mich nicht mehr an den Namen erinnern.): “Der Erkenntnis-Gewinn der Wissenschaft wird durch Fluktuationen bestimmt.”
Gruß Klaus-Peter
Lieber Herr Wille,
ich habe ausdrücklich von der Maxwell- Boltzmann Verteilung für Energien gesprochen, nicht von Geschwindigkeiten. Eben der klassische Grenzfall der Energiestatistiken. Dieser Grenzfall gilt sicher für die meisten Systeme auf unserer Erde.
Vielleicht hätte ich von Maxwell-Boltzmann Statistik sprechen sollen, damit sie mich besser verstehen. Die Stöße auf die es vor allem ankommt sind natürlich die inelastischen Stöße.
Mit freundlichen Grüßen
Günter Heß
Lieber Herr Wille,
Was für ein Operator ist Ihr Operator angewandt auf die spezifische Wärme? die zeitliche Variation, delta/delta t?
Sonst kommen mir Ihre Gleichungen bekannt vor, das sind die Standard-Herleitungen aus den Lehrbüchern, zumindest für trockene Luft. Trockene Luft kann übrigens für meteorologische Erfordernisse thermodynamisch als ideales Gas angesehen werden. Etwas anderes ist es mit wasserdampfhaltiger Luft. Bei Phasenübergangen weichen die Zustandsgleichungen stark vom idealen Gas ab. Meteorologisch relevant ist dies nur fürs Wasser. Die spez. Wärmekapazität wasserdampfhaltiger Luft ist natürlich keine Konstante, denn einerseits ist der Wassergehalt in variabler Menge vorhanden, andererseits muss man bei Phasenübergängen die Schmelz- bzw. Verdampfungswärmen berücksichtigen. Daher ist der feuchtadiabatische Temperaturgradient keine Konstante und wird auch nicht so wie Sie angegeben haben, berechnet.
Einen Punkt kann man schlecht als Bezugssystem für Rotationen nehmen. Das Bezugssystem für die siderische Rotationsdauer der Erde ist der Fixsternhimmel in der idealisierten Form, dass die Fixsterne fix seien. Nach den Releativitätstheorien ist es für die Physik egal, welches Bezugssystem genommen wird, man muss sie nur korrekt ineinander umrechnen.
Darf ich aber mal generell fragen, warum Sie diese Kommentare machen? Zweifeln Sie an der Relevanz des Treibhausmodells? Wie würden Sie denn sonst die den Strahlungstransfer in der Atmosphäre vereinfacht beschreiben?