CO2 – Eine energetische Betrachtung

Ein Diagramm, das im IPCC-Bericht 2001 veröffentlicht wurde, gilt als letztes und wichtigstes Beweismittel für eine durch Menschen verursachte Erderwärmung. Sie wird hauptursächlich auf den Anstieg der menschlichen CO2 -Emissionen zurückgeführt. Der “Erfinder” des Diagramms, Michael Mann, ist jedoch bis zum heutigen Tag nicht bereit, seine Berechnungsmethoden und Quellcodes offenzulegen. Politisierte Klimaforscher unterstützen dennoch seine Hypothese.

Zu unrecht, wie Erich Boson in dem folgenden Gastbeitrag rechnerisch nachweist.

CO2 kann unsere Atmosphäre nicht gefährlich aufheizen

Die politisierte Klimaforschung geht davon aus, dass die natürlichen Kohle­stoff­senken nicht in der Lage sind, das durch den Menschen zusätz­lich ver­ursachte CO2 gänzlich zu binden oder umzu­wandeln. Nach ihrer Vorstellung steigt in der Folge die Sättigung der Atmosphäre mit Kohlen­stoff­dioxid, das Erd­klima erwärmt sich, die Pol­kappen und Gletscher schmelzen ab und der Wasser­spiegel der Ozeane erhöht sich. Klimanotstand.

CO2 ist ein Atmosphärengas, das Infrarotstrahlung (IR) absorbiert. Klimaforscher, die sich den Nachweis des anthropogenen Klimawandels zur Aufgabe gemacht haben, behaupten, dass durch ein Mehr an CO2 mehr Rückstrahlung Richtung Boden erfolge, also eine Erwärmung der Erde. Im Normalfall, sagen sie, werde sich pro CO2 -Verdopplung die globale Temperatur um 1,1°C erhöhen.

Die Kernfragen sind jedoch ungelöst: Wieviel Wärmemenge kann CO2 in die Atmosphäre abgeben, die durch Absorption entsteht? Kann diese Wärmemenge unsere Atmosphäre aufheizen? Und wenn ja, um wieviel Grad?

Eine energetische Betrachtung

Grundlagenwissen aus der Atmosphärenphysik und Spektroskopie

Die Erdatmosphäre besteht zu ca. 78% aus Stickstoff, zu ca. 21% aus Sauerstoff und zu ca. 1% aus Argon. Der CO2-Anteil beträgt ca. 0,038%. Davon sind 96% natürlichen Ursprungs, also 0,03648% (N-CO2), und 4%, also 0,00152% (A-CO2), anthropogenen Ursprungs.

Das wirksamste Treibhausgas in der Atmosphäre ist der Wasserdampf. Weit dahinter folgen Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Ozon (O3) und Stickoxide (N2O), welche nur noch in Spuren in der Atmosphäre vertreten sind.

Abbildung 1: Die Erdatmosphäre besteht zu ca. 78% aus Stickstoff, zu ca. 21% aus Sauerstoff und zu ca. 1% aus Argon. Der CO2-Anteil beträgt ca. 0,038%. 96%, davon sind natürlichen Ursprungs also 0,03648% (N-CO2) und 4% also 0,00152% (A-CO2) sind anthropogenen Ursprungs.

Die Hauptbestandteile der Atmosphäre, Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2), die zusammen einen Anteil von 99% haben, absorbieren keine IR-Strahlung. Diese Gase sind für IR-Strahlung weitgehend transparent.

Nur die in Spuren vertretenen Treibhausgase, ca. 0,038%, sind in der Lage IR-Strahlung zu absorbieren.

Absorption

Die Absorption bezeichnet in der Physik allgemein das Aufnehmen einer Welle (elektromagnetische Wellen also auch IR-Strahlung) eines einzelnen Teilchens in ein Molekül oder Atom. Bei der Absorption von Licht durch Gase wie CO2 wird die aufgenommene Energie meist in thermische Energie verwandelt die dann an die Umgebung abgegeben wird. Es sind aber auch andere Mechanismen möglich, wie die verzögerte Freisetzung von Licht in Form von Fluoreszenz oder die Umwandlung in elektrische Energie durch den photovoltaischen Effekt. Diese Gase absorbieren auch nicht über den gesamten IR-Bereich, sondern nur bei diskreten Wellenlängen (Absorptions-Linien/Banden).

Abbildung 2: Die nachfolgende Abbildung gibt einen Überblick über die Strahlung der Erde (oben ) und das Absorptionsvermögen der Treibhausgase (direkt darunter). Quelle: R. A. Rohde, Image: Atmospheric Absorption Bands. Retrieved Oct. 3, 2008, from Global Warming Art.

Die Erdatmosphäre reflektiert die Strahlung der Sonne in einem Wellenlängenbereich zwischen 3цm und 100цm (Millionstel Meter) in Form von Infrarotstrahlung (blaue Kurve, Abbildung 2). Nur in einem schmalen Bereich eines Strahlungsfensters zwischen 8цm bis 13цm ist eine nahezu ungehinderte Ausstrahlung möglich (der blau gekennzeichnete Bereich, Abbildung 2).

Wasserdampf absorbiert den Großteil der Strahlungsenergie

Vor allem der Wasserdampf in der Atmosphäre ist für die Eingrenzung auf dieses Strahlungsfenster verantwortlich. Er absorbiert den Großteil der Strahlungsenergie und grenzt die Durchlässigkeit des Fensters auf 8цm bis 17цm ein. CO2 kommt als Treibhausgas an zweiter Stelle. Es grenzt das Strahlungsfenster im Bereich von 13цm – 17цm ein. Das Maximum der Absorption liegt bei 15цm.

Durch das Strahlungsfenster von 8цm bis 13цm beobachten IR-Wettersatelliten das Wetter (untere Wolkendecke und Erdoberfläche) auf der Erde. In diesem Strahlungsbereich kann die Wärmestrahlung der Erde nahezu ungehindert ins All entweichen. Außerhalb des Wärmeabstrahlungsspektrums der Erde liegen außerdem Infrarotfenster, die für das IR-Licht ebenfalls durchlässig sind.

Ein Beleg dafür ist die Beobachtung unseres Sternenhimmels mit einer handelsüblichen IR-Kamera, die im Bereich von 7,5цm -13 цm misst.

Abbildung 3: 1.25-Mikrometer (J Band), dass 2.2-Mikrometer (K Band) und
das 4.7-Mikrometer (M Band)

Über drei Bänder, das 1.25-Mikrometer (J Band), das 2.2-Mikrometer (K Band) und das 4.7-Mikrometer (M Band), lässt sich von der Erde aus mit einer IR-Kamera die Marsoberfläche beobachten; die Marsatmosphäre besteht zu fast 100% aus CO2. Die Beobachtungen sind möglich, da die IR-Stralung im Bereich von 7,5цm – 13цm nahezu nicht absorbiert wird. Der Bereich der Absorptions-Linien/Banden von CO2, macht die Atmosphäre für IR-Strahlung undurchlässig/undurchsichtig.

Keine Erwärmung der Erdoberfläche durch IR-Strahlung

Die Erdoberfläche ist, resultierend aus der Sonneneinstrahlung + Erdwärme, wärmer als die darüber liegende Atmosphäre und damit der darin enthaltenen, strahlenden CO2-Moleküle. Für die Wärmebilanz zwischen Körpern unterschiedlicher Temperatur gilt: „Wärme kann nicht von selbst aus von einem kälteren in einen wärmeren Körper übergehen.“ (Rudolf Clausius, 2. Hauptsatz der Thermodynamik).

Clausius betont, dass nicht nur der warme Körper dem kalten, sondern auch umgekehrt der kalte Körper dem warmen Wärme zustrahlt. Quantitativ wird diese Aussage durch das Planck‘sche Strahlungsgesetz beschrieben, das besagt, dass jeder Körper mit einer Temperatur größer als der absolute Nullpunkt elektromagnetische Strahlung aussendet, die in Relation zur Temperatur des Körpers und zur Wellenlänge steht. Die Erdoberfläche und die in der Erdatmosphäre enthaltenen CO2-Moleküle, deren Temperatur mit der Temperatur der Erdatmosphäre identisch ist, strahlen sich gegenseitig an. Die Energiedichte der Erdstrahlung ist jedoch aufgrund des Planck‘schen-Gesetzes größer als die Energiedichte der Strahlung aus der Atmosphäre, da die Erde eine höhere Temperatur hat.

Daraus folgt: Die Gesamtbilanz des durch Strahlung verursachten Wärmetransports geht in Richtung Atmosphäre.

Eine Erwärmung der Erdoberfläche durch IR-Strahlung aus der Atmosphäre ist damit ausgeschlossen.

Es stellt sich die Frage, welchen energetischen Effekt eine Verdopplung der derzeitigen CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre zur Folge hat, wenn eine Erwärmung durch Rückstrahlung nicht möglich ist.

Berechnung des energetischen Effekts
bei Verdopplung der derzeitigen CO2-Konzentration

CO2– Moleküle thermalisieren die durch IR-Strahlung angeregten unter den Bedingungen der bodennahen Atmosphäre, sie geben die durch Strahlung aufgenommene Energie in Form von kinetischer Energie an andere Luftmoleküle ab. Unter Thermalisierung wird die Erzeugung von zufallsverteilten Geschwindigkeitsvektoren durch zufällige Stöße durch Atome oder Moleküle verstanden, wobei sich Geschwindigkeitsbeträge unterschiedlicher betrachteter Teilchenmengen anpassen. Das thermodynamische System relaxiert demnach ins Gleichgewicht mit den Teilchen seiner Umgebung. Diese Umgebung verändert sich dabei natürlich auch, aber fast unbemerkbar, wenn die Umgebung um Größenordnungen mehr Teilchen besitzt als die thermalisierenden Atome bzw. Moleküle.

Um die Folgen der Thermalisierung zu ermitteln, wird zunächst die kinetische Energie eines Mols Luft – betrachtet als ideales Gas – berechnet. Dies gilt für das Strahlungsfenster im Bereich von 13цm – 17цm, da in diesem Bereich das Maximum der Absorption liegt. Die Einheit Mol gestattet es, die Temperaturerhöhung zu betrachten ohne das komplette Volumen der Erdatmosphäre zu kennen. Für ein Mol eines idealen Gases gilt das „Allgemeine Gasgesetz“

(Gl. 2.1)

Aus der statistischen Mechanik erhält man die Gleichung

(Gl. 2.2)

wobei

die Avogadro-Konstante und

die kinetische Energie eines idealen Gasmoleküls und

die allgemeine Gaskonstante ist.

Das Produkt

ist folglich der kinetische Energieinhalt eines Mol‘s eines idealen Gases. Aus dem „Allgemeinen Gasgesetz“ ergibt sich dann

(Gl. 2.3)

Damit errechnet sich die kinetische Energie eines Mols eines idealen Gases zu

(Gl. 2.4)

Für die „mittlere Erdtemperatur“ von 15°C, entsprechend 288,15 K, ergibt sich dann ein Gehalt an kinetischer Energie für 1 Mol Luft, gerechnet als ideales Gas, von

(Gl. 2.5)

Eine Verdoppelung der vorhandenen CO2-Menge bedeutet: Hinzufügung von 400 ppm CO2. Die hinzugefügten CO2-Moleküle ersetzen – da das System offen ist – die entsprechende Zahl Luftmoleküle, sodass die Menge von 1 Mol erhalten bleibt. 400 ppm eines Mols entsprechen Moleküle CO2, enthalten in 1 Mol Luft.
Die CO2-Moleküle strahlen bei einer Wellenlänge λ=15цm.

Laut dem Planck‘schen Strahlungsgesetz

(Gl. 2.6)

errechnet sich daraus ein Energieinhalt von

für ein Strahlungsquant eines CO2-Moleküls, wobei das Plancksche Wirkungsquantum mit

die IR-Wellenlänge mit

und die Lichtgeschwindigkeit mit

angenommen sind. Die Molekülzahl errechnet sich wie folgt: Ein Mol eines Stoffes enthält genau

Moleküle. Daraus folgt das 400 ppm Volumen von einem Mol Luft

Moleküle CO2 beinhaltet. Für

CO2-Moleküle ist das eine Gesamtenergie von

die durch 400 ppm CO2 in 1 Mol Luft eingetragen werden und dort als kinetische Energie zur Wirkung kommen. 400 ppm CO2 tragen via Strahlung 3,18 J als kinetische Energie in 1 Mol Luft ein, das einen kinetischen Energieinhalt von 3.592 J besitzt.

Das entspricht

Als Summe ergibt sich durch Bestrahlung von 400 ppm CO2 von der Erdoberfläche und nachfolgender Thermalisierung in der bodennahen Atmosphäre folglich eine

(Gl.2.7)

Energiezunahme von 3.593.71 J auf 3.596,89 J. Die Energiezunahme des CO2 wird durch die Equilibrierung in einen thermodynamischen Gleichgewichtszustand bzw. durch Umwandlung überschüssiger Energie in Form von Rotations- und Schwingungsenergie der Moleküle überführt, also thermalisiert. Thermalisierung benutzt man immer dann, wenn ein System nichtthermisch z.B. durch Photonenbestrahlung angeregt wird und die Anregungsenergie so verteilt wird, dass sich die Maxwell Boltzmann Verteilung einstellt. Die Maxwell Boltzmann Verteilung beschreibt die Verteilung

der Teilchengeschwindigkeiten’ in einem idealen Gas. In einem idealen Gas bewegen sich nicht alle Gasteilchen mit der gleichen Geschwindigkeit, sondern statistisch verteilt mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Es wird hierbei keine Raumrichtung bevorzugt, die Bewegungsrichtung ist also rein zufällig (Brownsche Molekularbewegung). Dabei wird CO2 warm und überträgt diese an die anderen Luftbestandteile weiter.

Diese Energiemenge ergibt gemäß

(Gl. 2.8)

eine Temperatur von

(Gl. 2.9)

Unter der Annahme, dass die mittlere Erdatmosphärentemperatur 15°C oder 288,15 Kelvin beträgt, ergibt sich eine Temperaturerhöhung von

Gl.

Maximale Erhöhung der Atmosphärentemperatur um 0,2549°C

Nachdem eine Strahlungswirkung durch „Back Radiation“ oder Rückstrahlung aus 5 km bis 9 km Höhe physikalisch ausgeschlossen ist (2. HS der Thermodynamik ), erzeugt eine Verdoppelung der heutigen atmosphärischen CO2-Konzentration um 400 ppm auf dem Weg kinetischen Energietransports eine Erhöhung der „mittleren Erdtemperatur“ von 15 °C auf 15,2549°C in der bodennahen Luftschicht. Die nachfolgende Grafik zeigt die in Abhängigkeit der CO2-Konzentration in Abhängigkeit des Thermalisierungsbeitrags.

Abbildung 4: Modellprojektion des inkrementellen Anstiegs der Strahlungswärme, die in der unteren Atmosphäre durch CO2-Injektionen in Schritten von 20 ppm eingefangen wird. Quelle: Dr. Fred Singer University of Chicago

Eine Erhöhung derAtmosphärentemperatur um 0,2549° C kann nur dann eintreten, wenn alle zusätzlichen CO2-Moleküle die von der Erdoberfläche ausgehende IR-Strahlung bei 15 μm absorbieren. Belegt durch Messungen mittels FT-IR-Spektrometrie (Fourier-Transform-Infrarotspektrometer-Messung), nimmt die IR-Spektrenabsorption von CO2 bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Luft lediglich in der Größenordnung von 1% zu. Im Jahr 2006 untersuchte Fred Singer die Abhängigkeit zwischen Absorptionsrate und CO2 Konzentration.

Bei niedrigen atmosphärischen Konzentrationen hat das Gas daher zunächst einen starken Absorbtionseffekt, da es bei diesen Wellenlängen austretende Strahlung blockiert. Die Enge der spektralen Intervalle, in denen CO2 Strahlung absorbiert, führt jedoch zu einer raschen Sättigung seiner Wirkung, so dass jede Verdoppelung der CO2-Konzentration die Thermalisierung um eine konstante Menge verstärkt. Bereits geringe Anteile von CO 2 genügen,um den Hauptteil des von ihm absorbierbaren Strahlungsbereichs abzudecken. Zusätzliche Anteile haben einen immer geringeren Effekt.

Abbildung 5: „Beim heutigen CO2 Gehalt, werden bereits 98,5% der für CO 2 absorbierbaren Strahlung in der Atmosphäre absorbiert,“ laut Prof. Reimund Stadler Inst. Organ.Chemie der Mainzer Univ. (Dez. 1994).

Aufgrund dieser Beziehung gilt folgende Annahme: Die Zunahme der CO2 verursachten Erwärmung hängt von der bereits in der Atmosphäre vorhandenen Menge an CO2 ab und nimmt bei einem für alle geringeren Temperaturanstieg stetig ab.

Zusätzliches CO2 übt keinen nennenswerten Einfluss auf die bodennahe Erdatmosphäre aus.

Belege für diese Aussage findet man auch in den Berichten des IPCC.

  • IPCC 1992(IS92): “In der Mitte des 15μm-Absorptions-Bereichm hat zusätzliches CO2 nahezu keinen Effekt… “
  • IPCC CIimale Change (1994). Radiative Forcing…, Cambridge Univ: S. 175 (nach: H. Hug, Angstrompeter),
  • Quelle: P.J.Crutzen;T.E.Graedel:Chemie der Atmosphäre, Spektrum Akad.Vlg Berlin 1993,S.414

Anders liegt der Fall in der oberen Troposphäre, wo das Strahlungsvermögen des CO2 aufgrund der geringen Luftdichte den Thermalisierungseffekt überwiegt, bzw. ganz zurückdrängt. Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre und reicht vom Erdboden bis zum Beginn der Stratosphäre. Die Dicke der Troposphäre beträgt etwa 8 Kilometer an den Polen und 18 Kilometer am Äquator und beinhaltet ca. 90% der gesamten Luftmenge sowie beinahe der gesamte Wasserdampf der Erdatmosphäre.

Mehr CO2 kann Atmosphäre abkühlen

Mehr CO2 kann hier die aus der Atmosphäre auf kinetischem Weg übernommene Energie in Form von Strahlung – statistisch zu 50% – in den Weltraum abstrahlen und so die Atmosphäre zusätzlich abkühlen.

In der folgenden Grafik wird die durch die Thermalisierung resultierenden Heizraten in Abhängigkeit des Abstandes von der Erdoberfläche gezeigt.

Es ist deutlich zu erkennen, dass der Hauptanteil der Temperaturerhöhung im Bereich von 0 m bis etwa 13 km Höhe aus Wasserdampf (Wolken) resultiert.

In einer Dissertation an der Universität Bremen wies Holger Schmithüsen 2014 nach, dass in der zentralen Antarktis das CO2 keine Wirkung hat. Zu bestimmten Jahreszeiten hat CO2 sogar einen kühlenden Effekt. (pdf)

Die Behauptung politisierter Klimaforscher, dass sich die Temperatur um 1,1°C oder mehr pro CO2-Verdopplung erhöhe, trifft nicht zu. Mehr CO2 bedeutet nicht mehr Rückstrahlung oder Erwärmung Richtung Boden.

Die Reduzierung der CO2-Emissionen hat keinen in der Realität messbaren Effekt auf das Klima.

Erich Boson

Titelfoto: jhraskon, pixabay

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