Die Klimakrise

Nun der dritte und letzt Teil. Nachdem im ersten Teil die Grundlagen besprochen wurden und im Zweiten ein einfaches Klimamodell erläutert wird, geht es nun um die genauere Wirkung von Treibhausgasen. Außerdem versuche ich zu erläutern, was passiert wenn der Mensch zusätzliche Treibhausgase in die Atmosphäre durch Verbrennung fossiler Rohstoffe stößt.

Die obige Grafik zeigt Schwarzkörper-Spektren für Temperaturen von 300 K (27°C, ein heißer Sommertag) bis 220 K (-53°C: entspricht der kältesten Temperatur der Atmosphäre. Diese wird in etwa 10 km Höhe nahe der Tropospause erreicht). Weiter sieht man eine zackige Kurve: Dies ist die Intensität der Strahlung, die ein IR-Spektrometer, das im All um die Erde kreiste, messen würde. Das Spektrum der Strahlung, das die Erde in Richtung All verlässt, variiert zwischen einem warmen Schwarzkörper von ca. 270 K (z.B. bei ca. 800 Wellen/cm) und einem kälteren von ca. 220 K (z.B. bei ca. 700 Wellen/cm).

Die Teile des Spektrums, die dem kälteren Schwarzkörper-Spektrum (220 K) zu folgen scheinen, kommen von Treibhausgasen in der höheren Atmosphäre. Sie folgen dem kälteren Spektrum, da es in der oberen Atmosphäre kalt ist. Das wichtigste dieser Absorptionsbänder findet sich bei einer Wellenzahl von ca. 700 Wellen/cm und kommt von der Knickschwingung des CO₂-Moleküls. Strahlung mit dieser Wellenzahl wird von CO₂ in der Atmosphäre absorbiert. Kohlendioxid strahlt dann gemäß seiner Temperatur wieder ab.
Andere Teile des Spektrums, am deutlichsten ist der breite glatte Bereich zwischen 800 und 1000 Wellen/cm, folgen einem wärmeren Schwarzkörper-Spektrum. Diese Strahlung kommt direkt vom Boden, da die Atmosphäre in diesem Bereich transparent für IR-Strahlung dieser Wellenzahl ist. Dieser Bereich wird deshalb auch „atmosphärisches Fenster“ genannt (kein Treibhausgas hat in diesem Bereich Absorptionsbanden).

Wie bereits festgestellt, entspricht die gesamte abgestrahlte Energie der Fläche unter der Schwarzkörper-Kurve. Die Fläche der Schwarzkörper-Kurven steigen proportional mit dem Temperaturanstieg mit der vierten Potenz (Stefan-Boltzman-Gesetz). Dies lässt sich auch auf die zackige Kurve anwenden. Durch Absorption in der Atmosphäre wird die Fläche unter der Kurve reduziert und damit wird der ausgehende Energiefluss vermindert. Nun kann man noch die CO₂ Absorptionsbande bei ca. 700 Wellen/cm mit der Absorptionsbande von Methan bei etwa 1300 Wellen/cm vergleichen. Die CO₂ – Bande hat viel mehr Platz den ausgehenden Energiefluss zu schmälern als die Methanbande, weil die Erde viel mehr Energie bei 700 Wellen/cm als bei 1300 Wellen/cm abstrahlt.

Die Hauptbande von CO₂, die zwischen 600 und 800 Wellen/cm absorbiert, sieht eher glatt als zackig aus und folgt einem Schwarzkörper-Spektrum von etwa 220 K. Noch kälter wird die Atmosphäre nicht, die Intensität der Strahlung in diesem Bereich kann also nicht geringer werden, auch wenn mehr CO₂ in die Atmosphäre kommt. Dieses Phänomen wird als „Bandensättigung“ bezeichnet.

Heißt das jetzt, dass zusätzliches Kohlendioxid keine Wirkung mehr hat? Nein, es macht CO₂ lediglich zu einem weniger potenten Treibhausgas, da die aktuelle CO₂ Konzentration schon bei 380 ppm liegt.
Bei anderen Treibhausgasen, wie Methan, die in geringerer Konzentration in der Atmosphäre vorliegen, ist noch keine Sättigung eingetreten, sodass ein Methan Molekül ein deutlich höheres Treibhauspotential als CO₂ hat (und das obwohl es im Spektrum an einem ungünstigeren Ort liegt als CO₂). Andere Gase, wie die FCKWs, die es vor der Industrialisierung in der Atmosphäre gar nicht gab, haben noch ein deutlich höheres Treibhauspotential im Vergleich zu CO₂.
Wären die Ränder der Absorptionsbänder von CO₂ komplett abrupt, also wenn beispielsweise bei 600 Wellen/cm die Strahlung komplett vom CO₂ absorbiert werden und bei 599 Wellen/cm gar keine Absorption stattfinden würde, dann müssten wir uns um die CO₂ Konzentration keine Gedanken machen, denn ein Ansteigen dieser hätte bei heutiger Ausgangskonzentration praktisch keinen Effekt auf die Strahlungsbilanz. Doch heute weiß man, dass die Ränder der Bande nicht gesättigt sind. Erhöht man also die CO₂ Konzentration, wird der Bereich, den das CO₂ im Spektrum absorbiert, also kaum tiefer (folgt bereits einem Schwarzkörper-Spektrum von ca. 220 K) sondern breiter.

Nachfolgend sind vier Modellsimulationen abgebildet. Sie unterscheiden sich im Kohlendioxid-Gehalt in der Atmosphäre. Wenn kein CO₂ in der Atmosphäre vorhanden wäre (a), wäre die Atmosphäre für Strahlung um 700 Wellen/cm transparent, genau wie beim atmosphärischen Fenster. Das Hinzufügen von 10 ppm CO₂ zeigt einen großen Einschnitt beim Spektrum der IR-Strahlung im Vergleich zur Atmospähre ohne CO₂. Ein Anstieg der Konzentration von 100 auf 1000 ppm (c und d) hat, obwohl es ein größerer Anstieg ist, einen kleineren Effekt auf die ausgehende Strahlung. Gleichzeitig sieht man, dass die Absorptionsbande des Kohlendioxids nicht mehr tiefer (von 100 auf 1000 ppm) wird, sondern breiter.

Durch Messungen weiß man heute, dass eine Verdopplung der CO₂ Konzentration immer den gleichen Effekt auf die Strahlungsbilanz hat. Sei es von 10 auf 20 ppm oder von 100 auf 200 ppm. Der Effekt ist also logarithmisch (bei jeder Verdopplung erhält man die selbe Reduktion für I_out (in Watt/m²)).
Seit über hundert Jahren versucht die Wissenschaft nun herauszufinden, wie sich die Temperaturen auf der Erde verändern, wenn man die CO₂ Konzentration in der Atmosphäre verdoppelt. Heute nimmt man an, dass sich eine Temperaturerhöhung um ca. 3 ± 1 K im Gleichgewicht, also nach langer Zeit (einige hundert Jahre), einstellt. Davon gehen aber nur ca. 1,2 K direkt auf das Konto von CO₂. Der Rest wird durch Rückkopplungen verursacht. Eine Rückkopplung im Klimasystem ist beispielsweise die Eis-Albedo Rückkopplung. Findet eine leichte Erwärmung statt, so nimmt die Eisfläche auf der Erde ab, z.B. das arktische Meereis. Eis hat eine sehr hohe Albedo von bis zu 0,9. 90% der einfallenden kurzwelligen Strahlung (von der Sonne) werden also reflektiert. Nimmt die Eisfläche ab, kommt z.B. der darunter liegende Ozean zum Vorschein. Dieser hat eine deutlich geringere Albedo, reflektiert also weniger Strahlung und absorbiert mehr. Dadurch kommt es zur weiteren Erwärmung und die Eisfläche geht noch weiter zurück und die Erde erwärmt sich noch stärker. Die Albedo-Rückkopplung kann natürlich auch andersherum wirken und eine Abkühlung verstärken. Da die Eis-Albedo-Rückkopplung verstärkend wirkt, egal in welche Richtung, wird sie als positive Rückkopplung bezeichnet.
Mit dem schmelzenden Meereis geht auch der Lebensraum der Eisbären verloren
Eine weitere positive Rückkopplung ist die Wasserdampf-Rückkopplung: Je wärmer Luft ist, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Bei 10 °C kann ein Kilogramm Luft (bei 1 Bar) beispielsweise 7,6 Gramm Wasser als Luftfeuchte aufnehmen. Bei 20 °C sind es schon etwa 14,4 g und bei 30 °C sogar 27,2 g. Wasserdampf ist auch ein Treibhausgas, am natürlichen Treibhauseffekt hat es sogar den größten Anteil. Bei einer leichten Zunahme der Lufttemperatur kann diese also mehr Wasserdampf aufnehmen, was zu einer weiteren Temperaturerhöhung führt. Neben den positiven Rückkopplungen gibt es auch negative. Sie wirken stabilisierend. Dazu zählt z.B. das Verhalten der Erde, das durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben wird. Wenn sich die Erde erwärmt, strahlt diese auch mehr ab und wirkt so einer weiteren Erwärmung entgegen.
Insgesamt, so nimmt man an, überwiegen die positiven Rückkopplungen, sodass aus der leichten Erwärmung von 1,2 °C, die direkt auf das Konto von CO₂ (bei Verdopplung der Konzentration der Atmosphäre) geht, 3 ± 1 °C werden.

Damit ist auch schon das Ende der Serie erreicht. Ich hoffe sie hat euch gefallen und ihr habt was neues erfahren.

Abbildungen
Abbildung 1: aus „David Archer (2006): Global Warming: Understanding the Forecast, Blackwell Publishing“, S.32

Abbildung 2: aus „David Archer (2006): Global Warming: Understanding the Forecast, Blackwell Publishing“, S.34

Abbildung 2: engl. Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Banquise_img_5961.jpg

von Martin Stolpe