Die Sättigung der Infrarot-Absorption und deren logische Konsequenz für politische Entscheidungsträger

2023-08-01

Frank Siebert

Als Archimedes sagte "Gib mir einen Punkt, wo ich sicher stehen kann, und einen Hebel, der lang genug ist, und ich hebe die Erde aus den Angeln.", da hatte er nicht vor, am kurzen Ende des Hebels zu stehen.

Ich will hier heute auf eine wissenschaftliche Arbeit eingehen, welche darauf hinweist, dass Kohlendioxid, CO₂ in seiner Fähigkeit infrarote Strahlung, also Wärmestrahlung, zu absorbieren, in der Sättigung angelangt ist.

Was bedeutet Sättigung in diesem Zusammenhang?

Nehmen wir einen trockenen Schwamm. Halten wir diesen unter das Wasser, so füllt sich der Schwamm mit Wasser, bis er kein weiteres Wasser mehr aufnehmen kann. Die Fähigkeit des Schwammes Wasser aufzunehmen ist dann in der Sättigung angelangt.

Jetzt vergessen Sie dieses Beispiel wieder, denn beim Kohlendioxid ist dies ganz anders. In der Atmosphäre gibt es nur ganz wenig CO₂. Von einer Millionen Moleküle sind ganze 400, oder inzwischen auch 420, CO₂-Moleküle.

Wärmestrahlung bestimmter Frequenzen, welche vom Boden ausgeht, wird von diesen Molekülen aufgenommen und in Schwingungen der Atombindungen umgewandelt, zum Teil geben die Moleküle diese gleich wieder als Strahlung ab, zum Teil geben sie die Energie aber auch als zusätzliche Bewegungsenergie an andere Moleküle der Atmosphäre ab. Die Luft wird dadurch wärmer.

Das oft gezeichnete Bild der Rückstrahlung zum Boden ist zwar auch ganz nett, aber dadurch wird die Luft nicht wärmer.

Die Wärmestrahlung in den Frequenzen, welche vom CO₂ abgefangen werden kann, hängt von der Temperatur, der Strecke und der Anzahl der vorhandenen Moleküle ab. Je mehr Strahlung dieser Frequenzen bereits absorbiert wurden, desto weniger weitere Strahlung dieser Frequenzen ist noch vorhanden, um absorbiert zu werden. Ab einem gewissen Punkt wird kaum noch weitere Energie absorbiert, auch wenn ich immer mehr CO₂ zur Atmosphäre hinzufüge.

Die Fähigkeit des CO₂ weitere Wärmestrahlung zu absorbieren, ist dann in der Sättigung, weil keine weitere zu absorbierende Wärmestrahlung der entsprechenden Frequenzen da ist. Ein Teil der absorbierten Energie dieser Frequenzen wird weiterhin von den CO₂-Molekülen ins All abgestrahlt und trägt nicht zur Erwärmung bei. Ein anderer Teil wird allerdings, wie schon erwähnt, in Wärme umgesetzt.

Die nun folgende Arbeit berichtet, dass CO₂ bereits bei 300ppm in der Sättigung angekommen ist.

In der Arbeit "Saturation of the infrared absorption by carbon dioxide in the atmosphere" ¹ ; erschienen am 28. Oktober 2020 in dem International Journal of Modern Physics B, rechnet der Autor Dieter Schildknecht die Klimasensitivität des CO₂ vor.

Als Klimasensitivität gilt die Temperaturerhöhung des Klimas in °C bei einer Verdoppelung des CO₂-Anteils in der Atmosphäre.

Dankenswerter Weise existiert ein PDF dieser Arbeit auch auf ArXiv, Stand August 2020, das sich vermutlich nicht entscheidend von der später veröffentlichten Version unterscheidet.

In der Arbeit wird zunächst sehr ausführlich auf die Vorarbeiten von A. Schack eingegangen, welche dieser 1972 veröffentlichte. Schack, ein Experte für Wärmetransporte in Verbrennungsmaschinen, hatte in seiner Arbeit bereits aufgezeigt, dass bei CO₂ sehr früh eine Sättigung der Absorption infraroter Strahlung eintritt.

Infrarote Strahlung, also Wärmestrahlung, wie sie der warme Erdboden abstrahlt, wird in einem bestimmten Frequenzbereich beim durchqueren der Atmosphäre durch CO₂ Moleküle absorbiert. Diese Absorption erhöht die Temperatur der Atmosphäre. Eine erneute Abstrahlung verringert die Temperatur wieder entsprechend. Auf dem Weg zum All kann dies hin und her beliebig oft geschehen, bis an der Grenze zum All schließlich die Strahlung ins All entkommt. Ein Teil dieser Energie wird nach Absorption an andere Moleküle als Bewegungsenergie übertragen, und dann in anderen Frequenzbereichen ins All abgestrahlt.

Die erste Frage ist nun, wie viel der vom Erdboden abgestrahlten Energie bei welcher Konzentration von CO₂ absorbiert wird. Dies hängt zum einen von der in diesem Frequenzbereich insgesamt abgestrahlten Energie ab, die von der Temperatur abhängt, vom Druck und von der Länge der Strecke, welche auf dem Weg zur Abstrahlung ins All durch die Atmosphäre zurück gelegt werden muss.

Nun wird die Atmosphäre auf dem Weg zum All immer kälter und der Druck immer geringer, was diese Betrachtung durchaus kompliziert machen kann. Der Autor legt dar, dass Schack die Höhe der Troposphäre (7km an dem Polen und 17km in den Tropen ² ) in eine äquivalente 7km lange Rohrstrecke mit einem Druck von einer Atmosphäre und konstanten 25°C umrechnete, um zu seinen damaligen Ergebnissen für die Klimasensitivität von CO₂ zu gelangen.

Schack verdoppelte damals in seinen Berechnungen den CO₂ Anteil von 0,03% auf 0,06% und die errechnete Absorption erhöhte sich von 98,5% auf 99,3%, also um 0,8%, was 0,7 W/m² entspricht. Verglichen mit der benötigten Gleichgewichtswärmestrahlung oberhalb der Atmosphäre von 239W/m2 seien diese 0,7W/m² tatsächlich vernachlässigbar. Und bei einer Absorptionsrate von ungefähr 99% sei die Energieabsorption des CO₂ auch bereits in der Sättigung angelangt, so dass weiteres CO₂ keine weiteren nennenswerten Energieanteile mehr absorbieren könne.

Inzwischen sind die Absorptionskennlinien des CO₂ genauer bekannt als im Jahr 1972. Dieter Schildknecht macht sich im folgenden Teil daran, die Berechnungen für eine echte Atmosphäre mit der Abhängigkeit von Druck und Temperatur von der Höhe zu wiederholen, und zwar für verschiedene schmalere Frequenzbänder getrennt, um in der Summe genauere Ergebnisse zu erreichen.

Bildzitat:

Bildzitat Ende

Er geht dabei von einer Temperatur von 20°C über dem Boden bei einem Druck von einer Atmosphäre und einem Temperaturgradienten von −6,5°C/km aus, und berechnet die Veränderung jeweils in 100m Schritten.

In seinen Berechnungen stellt Schildknecht fest, dass ab einer Höhe von 5km ein quasi-asymptotischen Verhalten zu beobachten sei, also mit weiter steigender Höhe kaum weitere Energie der Wärmestrahlung entnommen wird. Im Durchschnitt erhält er mit ungefähr 6W/m² eine deutlich höhere absorbierte Energie pro Quadratmeter bei einer Verdoppelung des CO₂ von 0,03% auf 0,06%,

Bei diesem Ergebnis war allerdings die Luftfeuchtigkeit 0. Die Wiederholung der Berechnungen mit 85% Luftfeuchtigkeit reduzierte die Sensitivität auf eine Verdoppelung des CO₂ auf weniger als 3 W/m². Dieter Schildknecht stellt fest, dass die Luftfeuchtigkeit ein wichtiges negatives Feedback in der Betrachtung der Klimasensitivität des CO₂ darstellt. Und trotz des erheblich höheren ermittelten Wertes von ungefähr 3 W/m² zusätzlicher Absorption bei einer Verdoppelung des CO₂, verglichen mit den von Schack ermittelten Werten, seien dies lediglich 0,7% der von dem Erdboden abgestrahlten Wärme und damit immer noch zu vernachlässigen.

Trotz dieser Aussage rechnet der Autor im Folgenden eine Erhöhung der Temperatur von 1,07K für trockene und 0,46K für feuchte Luft vor.

Ich selbst möchte dieses Ergebnis in den folgenden Kontext stellen. Tagtäglich ist eine Differenz von ungefähr 120°C zwischen der erdnahen Höchsttemperatur und der Tiefsttemperatur beobachtbar, heute (30. Juli 2023) zeigt Windy ³ sogar Werte von -78°C bis 48*C, also einen Temperaturunterschied von 126°C zwischen dem Tiefstwert in der Antarktis und dem Höchstwert in der Sahara. Die Klimazonen zwischen Äquator und Pol verschieben sich je einem Grad Erwärmung um 100 bis 200 km nach Norden. Das Klima von Karlsruhe verschiebt sich also nach Wiesbaden, wenn es wegen einer Verdopplung des CO₂ ein halbes Grad wärmer wird. Alle anderen Variationen von Temperatur, Niederschlag und Windstärken, die Sie außerdem beobachten, sind demnach anderen Ursprungs. Da gäbe es unter anderem noch die natürliche Klimavariation oder auch die bauliche Verdichtung des Umlandes zur Auswahl. Sogar Windenergiefarmen stehen in dem Verdacht, das Klima zu ändern, auf der Lee-Seite sei es Wärmer und Trockener ^{4 5} .

Danach geht der Autor auf die Arbeit Harde 2017 ⁶ ein, der in seiner Arbeit zwei Layer der Atmosphäre betrachtete und sehr ähnliche Ergebnisse für die Klimasensitivität des CO₂ erhalten hat.

Schließlich betrachtet der Autor Satellitenmessungen zur Veränderung des Strahlungsflusses bei Veränderungen der Meeresoberflächentemperatur, aus denen sich ein negativer Feedbackfaktor ermitteln lässt, der dem in seinen Rechnungen für die Temperaturänderung durch CO₂ ermittelten Feedbackfaktor recht genau entspricht.

Er regt an, dass die Klimamodelle, welche mit positiven Feebackfaktoren rechnen, dies entsprechend des zu beobachtenden negativen Feedbacks korrigieren, und auch die kühlende Wirkung niedriger Wolken berücksichtigen sollten.

Ich stelle fest, dass sich die Arbeiten immer mehr häufen, welche dem CO₂ durch Messungen oder auch Berechnungen eine niedrige Klimasensitivität bescheinigen, welche irgendwo zwischen 0,5° und 1°C liegt.

Das Holozäne Optimum liegt bereits einige tausend Jahre hinter uns. Die früheren Warmzeiten während dieser Eiszeit zeigten jeweils etwa 10 bis 15 tausend Jahre ein relativ stabiles Klima, so wie es jetzt auch im Holozän für uns war. Es wird Zeit, sich auf wechselhaftere und kältere Zeiten einzustellen. Ein Plus von 1° oder gar nur 0,5°C durch eine Verdoppelung des CO₂ reichen nicht, um diese zu verhindern, es kann diese allenfalls etwas abmildern.

Was ließe sich noch sagen? Wijngaarden und Happer haben in der Arbeit "Dependence of Earth's Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases" ⁷ im Jahr 2020 bei ihren Berechnungen nicht nur ebenfalls 3W/m² zusätzlich bei einer Verdoppelung des CO₂ heraus bekommen, allerdings für eine Verdoppelung auf 800ppm, sie haben ihre Berechnungen auch auf Methan (CH₄), Ozon (O₃) und Distickstoffmonoxid (N₂O) ausgedehnt. Die Luftfeuchtigkeit, also H₂O, wird natürlich ebenfalls betrachtet. Die Autoren betrachten den Einfluss auf alle Schichten der Atmosphäre und geben so ein umfassendes Bild zu dem Thema ab, das allerdings erheblich schwerer Verständlich ist, als die einfachere hier vorgestellte Arbeit.

Beispielhaft sei hier eine Darstellung dieser Arbeit zitiert, welche den Einfluss von Methan erkennbar macht, Bildzitat:

Bildzitat Ende

Für die Verdoppelung von Methan erhalten Wijngaarden und Happer einen Klimaantrieb von nur 0,7W/m², und nach den vorhergehenden Betrachtungen können wir die Geringfügigkeit dieses Antriebes wohl ganz gut einschätzen. Außerdem stellen Wijngaarden und Happer fest, dass alle Treibhausgase in unserer Atmosphäre im Sättigungsbereich ihrer Klimasensitivität sind. Aus den 3W/m² ergeben sich bei ihnen allerdings zwischen 1,4° und 2,3°C Erwärmung, je nach dem, ob sie es mit oder ohne Veränderung der Luftfeuchtigkeit betrachten. Wijngaarden und Happer sind also offensichtlich anderer Meinung als Schildknecht, was das Vorzeichen dieses Feedbacks anbelangt.

Am Ende sind es natürlich Berechnungen, welche andere Einflussfaktoren ausblenden. Prominent erwähnt wird bei Wijngaarden und Happer sehr oft, dass sie den infraroten Strahlungsfluss Richtung All in einer wolkenlosen Atmosphäre betrachten.

Alle Berechnungen dieser Art müssen, um überhaupt gemacht werden zu können, eine Gleichgewichtsbedingung zwischen eingestrahlter und abgestrahlter Energie aufstellen. Der Normalfall der Erde ist jedoch, dass Ozeane, Kontinente, das Eis, die Atmosphäre, und auch das Leben, eingestrahlte Energie speichern und erst verzögert wieder abgeben, mit der Folge, dass es stets Abweichungen von der rechnerischen Gleichgewichtsbedingung geben muss. Und auch die eingestrahlte Energie ist nicht konstant, so dass sich der theoretische Gleichgewichtspunkt stets ein wenig verschiebt.

Insofern sind diese Berechnungen sogar dann nicht wahr, wenn sie korrekt sind. Das dürfen wir nie vergessen. Es handelt sich immer um vereinfachende Darstellungen. Darum ist es wichtig, dass sie durch Beobachtungen überprüft werden können, so dass man ihre Qualität an der Beobachtung messen kann.

Die Gegenüberstellung der von Wijngaarden und Happer berechneten Absorptionskurven mit gemessenen Kurven für verschiedene Klimazonen zeigen jedoch eine sehr gute Übereinstimmung, was die Gültigkeit der Rechenergebnisse auf jeden Fall stützt.

Die wichtige Aussage der Studien ist daher, dass die Klimagase im Sättigungsbereich ihrer Wirkung sind. In diesem Bereich haben Änderungen, ob nach oben oder nach unten, nicht genug Einfluss auf das Klima, um mit diesen das Klima zu regeln.

Dieser Hinweis macht Entscheidungsträgern die Entscheidung einfach, wenn sie mit ihrer Entscheidung etwas bewegen wollen.

Wenn die Vorhersagen einer Abkühlung eintreten, werden wir mit mehr Klimagasen in der Atmosphäre nichts dagegen tun können. Wenn die Vorhersagen einer weiteren Erwärmung eintreten, werden wir mit einer Reduzierung menschlicher Emissionen auch nichts dagegen tun können, denn die Klimagase sind bereits durch natürliche Emissionen in der Sättigung.

Als Archimedes sagte "Gib mir einen Punkt, wo ich sicher stehen kann, und einen Hebel, der lang genug ist, und ich hebe die Erde aus den Angeln.", da hatte er nicht vor, am kurzen Ende des Hebels zu stehen.

Wer mit Klimagasen, welche schon bei geringer Konzentration im Sättigungsbereich ihrer Wirkung sind, das Klima ändern möchte, der stellt sich an das kurze Ende des Hebels, hebt sich einen Bruch, und bewegt nichts. Darum sind alle politischen Beschlüsse zu Aktivitäten in dieser Richtung per Definition Missnahmen ⁸ , denn der Aufwand steht in keinem angemessenen Verhältnis zur Wirkung. Darum kann man keinesfalls von Maßnahmen sprechen.

Wo großer Aufwand kleine Wirkung hat, da sollte man nicht ansetzen, etwas zu ändern. Es gibt genug andere Möglichkeiten, mit kleinem Aufwand große Wirkung zum Besseren zu erreichen. Warum konzentrieren wir uns nicht darauf?

Erkenntnisse haben meistens vorläufigen Charakter und sind immer individueller Natur . Sie selbst entscheiden, ob Sie Erkenntnisse anderer als Meinung übernehmen oder ob Sie sich Erkenntnisse selbst erarbeiten. Meine Quellenangaben sollen Ihnen bei letzterem eine Hilfestellung geben, Sie sollten aber immer auch weitere Quellen verwenden.

Glauben Sie nicht, auch nicht mir, sondern prüfen Sie und schlussfolgern Sie selbst.

Fußnoten