Kann das atmosphärische CO2 nennenswert Wärme absorbieren?
In diesem öffentlich-rechtlichen Film sieht man, wie etwa 5cm 100% CO2 soviel IR-Strahlung absorbieren wie ein Blatt Papier.
Aber wieviel IR-Strahlung wird denn durch einen CO2-Anstieg von 0,03% auf 0,04% in einer wohl über 10km dicken Luftschicht zusätzlich absorbiert? Und wie kommt das?
Ich mein: Das was das CO2 absorbiert, strahlt es ja in alle Richtungen wieder ab... Also auch in Richtung Weltall... Oder wie ist das mit Wärme? Die ist doch immer mit IR-Strahlung verbunden... Oder? Ich hab echt voll Probleme mit Wärmelehre...
6 Antworten
Was meinst du genau? CO2 hat ein Absorbtionsspektrum bei ca. 15um, welches für den Treibhauseffekt verantwortlich ist.
Der Absorbtionsquerschnitt ist maximal etwa 200 m²/mol, damit kommt man bei 400ppm auf einen Absorptionskoeffizienten von ca. 3,75/m.
Was meinst du mit "wie kommt das?" ? Wie kommt was?
Natürlich strahlt die Atmosphäre alles was sie absorbiert im Gleichgewicht wieder ab. Der Hauptteil der Strahlung die in das Weltall abgestrahlt wird, stammt aus einem Bereich der oberen Luftschichten die von TOA gemessen etwa um die optische Dicke liegen. Alles was darunter liegt, wird wiederum absorbiert und gelangt nicht in den Weltraum. Mit anderen Worten: Die Schicht ist nur bis zu einer bestimmten räumlichen Dicke in das Weltall transparent, darüber wird sie "blickdicht"
Die optische Dicke einer Schicht der räumlichen Dicke h berechnet sich aus
Hier ist σ der Wirkungsquerschnitt von CO2 pro mol und n die Anzahl der Mol CO2 pro m³.
Die Transmission einer Schicht der optischen Dicke z ist dann
Daraus erkennt man, dass mit steigender optischen Dicke die Transmissivität stark abnimmt.
Fügt man der Atmospäre CO2 hinzu, verdoppelt beispielsweise die Konzentration von 200ppm auf 400ppm, so wird die optische Dicke einer Schicht bei gleichbleibender räumlicher Dicke um den Faktor 2 größer: Jene Schicht, aus der der Großteil der Emissionen stammt, hat sich also nach oben verlagert. Da dort aufgrund des adiabatischen Temperaturgradienten von etwa -0,6°/100m auch tiefere Temperaturen herrschen, muss sich die Erdoberfläche entsprechend erwärmen, damit das Gleichgewicht wieder erreicht ist: genau das ist im Groben der Treibhauseffekt.
Die Abstrahlungsintensität wächst logarithmisch mit der CO2 Konzentration. Das ergibt sich aus der von mir oben beschriebenen Tatsache, dass sich die optisch aktive Schicht in höhere Lagen verschiebt, wo es kälter ist. Daneben gibt es auch effekte, die mit der Verbreiterung der Emissionslinien durch Kollisionen (Druckverbreiterung) zu tun haben. Dadurch werden bei Erhöhung der CO2 Konzentration die begrenzenden "Flügel" des Absorbtionsbandes immer relevanter; diese füllen sich quasi mit Absorption auf und tragen entsprechend bei.
Ziemlich gut zusammengefasst ist das alles unter:
Rechnen wir das mal ganz einfach (sicherlich ein wenig zu stark vereinfacht) durch: Wenn man 5 cm mit 100 % CO2 hat, entspricht das einer Luftsäule von 5 cm / 0,03 % = 167 m, bzw. 5 cm / 0,04 % = 125 m. In einer Luftschicht von 10 km Höhe entspricht das 60 bzw. 80 Blatt Papier.
Absorption von CO2 im Infrarotbereich passiert, weil das Molekül von dieser bestimmten Wellenlänge von einem in einen anderen Schwingungszustand versetzt werden kann. Um das zu tun, nimmt es die Energie auf, die ihm durch das Infrarotlicht zur Verfügung gestellt wird. Irgendwann geht das Molekül wieder in seinen Grundzustand zurück und gibt dabei wieder Infrarotstrahlung ab. Das passiert in alle Richtungen, zu 50 % Wahrscheinlichkeit also wieder nach unten.
Zu deiner letzten Frage: Das CO2 gibt also die IR-Strahlung in alle Richtungen ab. Nun hast du aber eine Luftsläule, d.h. kannst dir das vereinfacht so vorstellen, dass die Moleküle in einer Reihe übereinander sind. Von unten trifft IR-Strahlung auf das erste Molekül. Hier kann das Licht zu 50 % runter und zu 50 % hoch. Die 50 %, die hoch gehen, treffen aufs nächste Molekül. Hier sind wir wieder bei 50 % runter und 50 % hoch, aber nurmehr von urpsrünglich 50 %, sprich 25 % / 25 %. Wir sehen also, wenn wir diese Reihe für n Moleküle fortsetzen dass nach oben hin immer weniger IR-Strahlung durchkommt und der Großteil der IR-Strahlung wieder am Boden ankommt.
absorbiert? Wie sollte ein Gas irgendwas "absorbieren"? Das CO2 hindert einen Teil des Sonnenlichts daran, wieder an den Weltraum zurück ab gegeben zu werden!
Wie soll ein Gas irgendwas absorbieren, ist das dein Ernst?
Du siehst doch in der Abbildung selbst dass die Atmosphäre 80 W/m² an Wärme absorbiert, also von Gas. Wenn gas keine Wärme aufnehmen könnte dann wäre es überall an der Luft 0K und sie wäre flüssig
Gas kann Wärme in Form von Bewegungsenergie absorbierten: Translation und Rotation in verschiedenen Achsen
Absorbtion findet immer statt, auch bei geringen Mengen. Suche mal das Gewicht der gesamten Erdatmosphäre, ein m³ wiegt bereits 1 kg
Lüüügenpresse es sind 1,3 kg!! Und was willst du mir jetzt damit eigentlich sagen?? 🤔🥴
aber wohl kaum bei den Mengen von 400 ppm
wie ist das gemeint? Natürlich absorbiert das ... wieso auch nicht? Das kann man in physikalischen Gastabellen detailliert nachlesen.
Dass dein "wohl kaum" Lügenpresse ist. Wir reden hier über 2000 Billiarden Tonnen CO2
an dem Bild stört mich total, dass die Sonne (gelbe Linien) nicht von dem CO2 gehindert werden... komisch... 😋
ja schon, aber das ist nicht so relevant, da die Sonne ein kurzwelliges Spektrum hat: sie strahlt ja mit einer Temperatur von 5000K und nicht mit 300K. Schau mal hier:
https://qph.cf2.quoracdn.net/main-qimg-f9bc312e4d114e9e32a62714c36580aa
Das ist das Sonnenspektrum, da ist der Bereich mit 15um ja rechts gar nicht mehr drauf, da irrelevent.
oh ok... verstehe... das IR von der Sonne kommt also ungehindert durch das CO2... aber das Zimmertemperatur-IR-Licht kommt nicht am CO2 vorbei...
dann wär da noch, dass so ein IR-Photon es ja quasi dauernd wieder „versucht“ wegzukommen... warum ist es nicht wie bei Einarmigen-Banditen, wo man zwar 97% Gewinn erzielt, aber nach ein paar Stunden trotzdem Pleite ist? ist dieser Fluchtweg also umso länger, je mehr CO2 da ist?
obwohl wenn man mal nachrechnet: 340-100-239... da bleibt ja nur 1W pro m²... und das bei offenbar geschätzten Werten...
Werden sie sicher auch! Aber das beeinflusst halt kaum das Klima auf der Erde...!
>aber das Zimmertemperatur-IR-Licht kommt nicht am CO2 vorbei...
Nein, auch das IR der Sonne bei 15uM kommt nicht durch die Atmosphäre. Das ist aber irrelevent, da der Anteil dieses IR Bereichs im Planck'schen Sonnenspektrum energetisch irrelevent ist. Das Spektrum eines Strahler mit 5000K unterscheidet sich gewaltig von einem Spektrum, das bei Erdtemperatur ausgestrahlt wird.
>obwohl wenn man mal nachrechnet: 340-100-239... da bleibt ja nur 1W pro m²
Was meinst du damit? Das eine Watt bewirkt die Erderwärmung - genau um das geht es ja. Und so geschätzt sind die werte nicht. Satelliten vermessen die Strahlungsbilanz mit ihren Geräten mittlerweile äußerst genau (siehe https://ceres.larc.nasa.gov/).
Das eine Watt/m² meinte ich natürlich. Die zu erwartende Erderwärmung pro zusätzlichem Netto-Strahlungsantrieb beträgt, je nach Modell ca 1Km²/W. Eine Verdopplung der CO2 Konzentration bewirkt einen Strahlungsantrieb von 4W/m², dadurch muss man mit einem Temperaturanstieg von etwa 4K rechnen. Das ist pure Physik.
Licht und weitere Strahlung mit geringerer Wellenlänge als Wärmestrahlung wird natürlich auch durch die Atmosphäre behindert.
Trifft solche Strahlung z.B. auf Wasser, dann wird die Energie, vergleichbar mit einer Mikrowelle in Wärme umgesetzt.
Für Wärmestrahlung stellt dann aber die Atmosphäre (Dank CO2) ein größeres Hindernis dar. Ein Teil kann nicht abgestrahlt werden, er verbleibt auf der Erde.
Man hätte im Bild nicht einfach nur Watt/m² bei den gelben Linien, sondern diese Angaben differenziert nach Wellenlängen machen sollen.
Die Oberfläche der Erde ist ca. 5 * 10¹⁴ m². Da pro m² 10 Tonnen Druck wirken, ist die Gesamtmasse 5 * 10 ¹⁸ kg. Auch wenn davon 'nur' 400 ppm CO2 sind, ergibt das
4 * 10^-4 * 5 * 10¹⁸ = 20 * 10¹⁴ kg CO2.
10¹² ist 1 Billiarde, also haben wir 2000 Billiarden Kilo CO2 oder
2 Billarden Tonnen CO2
Soviel zu Kommentaren, das sei nicht relevant.
ok... ich dachte eben nur, dass das CO2 ja auch Energie in alle Richtungen (also auch ins Weltall) abstrahlt... aber scheinbar nur in so einer dünnen Schicht am äußeren Rand, wo es auch noch kalt ist, so dass angeblich 1W pro m² bei uns bleibt...
Interessante Frage!
Die wichtigste natürliche Quelle für Infrarot-Strahlung ist die Sonne. Infrarot-Strahlung hat einen Anteil von ca. 50 Prozent an der Sonnenstrahlung, die den Erdboden erreicht. Außerdem gibt die durch die Sonneneinstrahlung erwärmte Erde Infrarot-Strahlung ab.
Hier zwei älterere Artikel aus dem Spiegel: https://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/erneuerbare-energie-waermestrahlung-der-erde-anzapfen-a-956663.html
https://www.spiegel.de/fotostrecke/strom-aus-dem-infrarotlicht-der-erde-fotostrecke-111790.html
die Frage war, wieviel zusätzlich absorbiert wird... und wie es dazu (also zu dieser zusätzlichen Absorption...) kommt...
ok... also du meinst, dass warmes CO2 in 1km Höhe praktisch keine Wärme von der Erde weg abfeuert?