Co2 reflektion, warum wärmer?
Hey mir wurde beigebracht, dass Sonenstrahlen einfallen auf Erde. Erde Wärme abgibt und Co2 wieder Wärme zurück auf Erde reflektiert. Aber warum reflrktiert Co2 nicht dchon einfallendes Sonnelicht? Kurzum warum führt die zunehmende Co2 Konzenttation zu einem Klimaerwärmung nicht zu einer abkühlung?
7 Antworten
Das kommt von dem verwendeten Modell "Greenhouse", welches halt nur eine starke Vereinfachung ist und nicht die wirklichen Mechanismen beschreibt. Damit sollten wir – immer noch stark vereinfacht – uns das ganze noch einmal ansehen.
Alsooo ...
Die Sonne sendet ca. 1350 W/m^2 zur Erdumlaufbahn (senkrecht zur Einstrahlrichtung). Hierdurch wird die Erdoberfläche, mit allem was da drauf ist, erwärmt. Im Wesentlichen durch die Erdoberfläche wird auch die Atmosphäre erwärmt. In der Atmosphäre sind vor allem Wasserdampf (und auch kondensiertes Wasser in Wolken), aber auch Kohlendioxid, Methan usw. die die Wärme aufnehmen und wieder abstrahlen. Hierdurch entsteht eine "warme" Atmosphäre. Oder:
Dieser Teil des Prozesses führt zur Aufwärmung der Erde und des Klimas.
Nun wird es auf der Erde nicht immer und immer wärmer, die Wärme wird auch wieder abgestrahlt. Solange die Konzentration von Wasserdampf und im zweiten von CO2 oder bspw. auch C2H6 hoch genug ist, strahlen H2O-Moleküle spezifische Infrarotstrahlen ab und andere, gleiche Moleküle absorbieren sie wieder. Das gleiche für CO2 et al. In diesen Luftschichten ist die Wärme im Gleichgewicht.
In höheren Luftschichten wird die Konzentration im Besonderen von CO2 dünner, hier gibt es immer noch CO2-Moleküle, die Infrarot abstrahlen, aber weniger, die es wieder aufnehmen. An diesem "CO2-Spiegel" (als Analogon zu Wasserspiegel) wird netto Wärme wieder in den Weltraum abgestrahlt.
Dieser Teil des Prozesses führt dazu, dass sich die Erde nicht immer weiter aufheizt.
Betrachten wir nur einmal den CO2-Spiegel. Die Temperatur des CO2-Spiegels bestimmt, wieviel Wärme abgestrahlt wird. Das ist zueinander proportional. Läge der CO2-Spiegel etwas niedriger, wäre die Temperatur etwas höher und es würde mehr Wärme abgestrahlt.
Durch immer mehr CO2 in der Atmosphäre ist der CO2-Spiegel aber gestiegen. Seine Temperatur ist niedriger und dadurch wird netto weniger Wärme abgestrahlt.
Et voilà: Es kommt zur Klimaerwärmung.
Entsprechend für Methan.
(Anm. 1: Daher kann CO2 mit einem Anteil von rund nur 400 ppm das Klima so stark beeinflussen.)
(Anm. 2: Hier werden gerade nur Luftmoleküle mit mehr als zwei Atomen betrachtet, H2O, CO2, C2H6. N2 mit dem höchsten Anteil in der Atmosphäre kommt gar nicht vor. Hierzu wäre die Antwort auf eine neue Frage erforderlich.)
CO2-Moleküle bestehen aus zwei Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom, die durch Valenzbindungen miteinander verbunden sind. Diese Verbindung kann man sich wie Sprungfedern vorstellen, die drei Massen miteinander verbinden. Wenn man an diesem Konstrukt wackelt, dann wackelt das Konstrukt auch. Man findet dann beim Rumwackeln vielleicht eine Wackelfrequenz, bei der das Konstrukt besonders schön wackelt. Das ist die Resonanz.
CO2 hat eine Resonanz im Infrarotbereich, also außerhalb des sichtbaren LIchtes. Bei Wenn das Licht, bei dem es sich ja um eine elektromagnetische Welle handelt, das CO2 Molekül mit der richtigen Wellenfrequenz trifft, dann nimmt es die Schwingung auf, schwingt ein Weilchen und gibt wieder Licht ab, das auch wieder diese Frequenz hat. Das ist mit "Reflexion" gemeint. Physikalisch korrekt wäre der Begriff "Streuung", da das Molekül das Licht in alle Richtungen ausstrahlen kann, also sowohl von der Erde aus betrachtet nach oben wie auch nach unten (aber nach oben ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass das Licht wieder auf ein CO2-Molekül trifft und dann endlich nach unten gestreut wird).
Diese Frequenz im Infrarotbereich findet sich auch im Sonnenlicht, allerdings ist das Intensitätsmaximum des Sonnenlichts im sichtbaren Bereich (bzw. unsere Augen haben sich so entwickelt, dass sie den intensivsten Teil des Sonnenlichts ausnutzen). Wenn die Erde vom Sonnenlicht angestrahlt wird, "schluckt" sie das Licht und strahlt es hauptsächlich als Infrarotlicht wieder ab, d.h. das Emissionsmaximum der Erde liegt im Infrarotbereich. Die Erde wandelt also das hauptsächlich sichtbare Licht in hauptsächlich infrarotes Licht um. Deshalb kann die Energie, die für die globale Erwärmung zur Verfügung steht, auf dem Weg zur Erdoberfläche ungehindert am CO2 vorbei und wird auf dem Rückweg, weg von der Erde, von Treibhausgasen zu einem Teil "reflektiert" ("zurückgestreut").
Von der Sonne gelangt vergleichsweise kurzwellige Strahlung (Effektive Temperatur der Sonne etwa 5770K) zur Erde. Von dieser Strahlung wird ein Teil reflektiert, ein Teil absorbiert in der Atmosphäre, ein Teil absorbiert von der Erdoberfläche.
Die Erde strahlt längerwellige Wärmestrahlung ab (Oberflächentemperatur etwa 290K). Diese längerwellige Strahlung wird von Wasserdampf, CO2 und anderen Gasen in der Atmosphäre teilweise absorbiert und anschliessend wieder in alle Richtungen emittiert, ein Teil gelangt damit zurück zur Erde.
Vergleiche
Nach der leider vorherrschenden Meinung nimmt das Co2 die Sonnenenergie (nur bestimme Wellenlängen im IR Bereich) auf und erwärmt sich hierdurch. Gleichermassen strahlt das erwärmte Co2 in alle Richtungen wieder ab (also auch in den Weltraum) wodurch tatsächlich ein Teil der Sonnenenergie "hängenbleibt" und nicht an der Erdoberfläche ankommt (insofern richtig!). Nun wird in der Theorie zum Treibhauseffekt behauptet, auch die von der Erdoberfläche ausgehende IR/Wärmestrahlung würde vom Co2 aufgenommen (bis hierhin richtig) und folglich teilweise zurückgestrahlt. Dies aber kann nicht funktionieren, denn dann müsste ein kälterer Körper einen wärmeren weiter erwärmen (2. Hauptsatz der Thermodynamik).
Der sogenannte Treibhauseffekt ist eine reine Erfindung, es gibt keinen einzigen experimentellen Nachweis desselben (und wie oben angedeutet ist auch die theoretische Grundlage falsch). Nachts wird es durch Ausstrahlung schnell kälter, wenn Wolken fehlen. Die Abkühlung geht oft bis zum Taupunkt, da Kondensation Wärme freisetzt und dann die Abkühlung bremst. Sonst bremst da nix die Abkühlung, auch kein Treibhauseffekt. Wäre die Erdnacht so lange wie eine Mondnacht (ca. 2 Wochen) und gäbe es kein Wasser/Wasserdampf in der Erdatmosphäre (wie auf dem Mond) würde es genauso stark abkühlen wie dort (siehe Wüste - dort trotz Hitze tagsüber nachts Frost möglich). Es bliebe aber im Durchschnitt trotzdem wärmer am Boden dieser gedachten wasserlosen Erdatmosphäre, allein aufgrund des Atmosphärendrucks (allgemeine Gasgleichung, höherer Druck = höhere Temperatur) - deshalb erfrieren wir hier nicht (und nicht etwa wegen eines Treibhauseffektes!).
Zunächst mal reflektiert ein Gas keine Strahlung, sondern absorbiert und emittiert sie. Der Unterschied ist deswegen wichtig, weil
- die Emission ungerichtet erfolgt.
- die Emission nicht zwangsläufig nach einer Absorption erfolgt. Absorbierte Strahlung kann auch einfach in Wärme umgewandelt werden und warme Luft kann auch Strahlung emittieren, ohne sie zuvor empfangen zu haben, sie kühlt sich dadurch ab.
Weiterhin musst du verschiedene Bereiche des Spektrums unterscheiden.
Das Sonnenlicht besteht zu einem geringen Teil aus UV, zum größten Teil aus sichtbarem Licht und zu einem weiteren großen Teil aus NAHEM Infrarot. Nah deshalb, weil es im Spektrum nah am roten Licht liegt. Nahes IR und sichtbares Licht durchdringen die Luft ziemlich ungestört.
Was von der Erde und überhaupt Körpern mit ähnlicher Temperatur abgestraht wird ist FERNES IR, fern deshalb, weil es weiter vom roten Licht entfernt ist. Dieses ferne IR ist es, das von Treibhausgasen absorbiert und emittiert wird.