Im Beitrag „Klima ./. Wetter“ haben wir festgestellt, dass Klimamodelle sich mit dem Strahlungshaushalt der Erde beschäftigen. Sehen wir uns das genauer an, lassen aber erst einmal Schauplätze wie Wolken und Biospäre fort.

Die Erde bekommt ihre Energie von der Sonne in Form von elektromagnetischer Strahlung (nicht nur, aber hauptsächlich).

Das Spektrum, also die abgebildeten Kurven, kann man bequem mit Satelliten oder am Erdboden messen. Schwieriger wird es, wenn die Strahlung der Erde gemessen werden soll. Deshalb geht man davon aus, dass diese Strahlung der Strahlung eines so genannten Schwarzen Körpers entspricht. Was das ist, ist ohne Belang; Hauptsache, man kann sie berechnen.

Wie man sieht, hängt das Spektrum eines Schwarzen Körpers nur von der Temperatur ab, und die kennt man ja. Also nimmt man die Kurve für 300K als Emissionsspektrum der Erde für die Modellrechnungen.

Die Probleme mit quantitativen Modellen fangen in dieser Stelle bereits an. Das berechnete Spektrum eines schwarzen Körpers ist eine Näherung und stimmt bereits bei der Sonne auch nur näherungsweise. Man muss sich klar machen, dass eine Temperaturänderung von 1°C bei einer mittleren Erd-Temperatur, die ca. 300°C über dem absoluten Nullpunkt liegt, nur gerade einmal eine Änderung von 0,3% darstellt. Wenn die Genauigkeit der Messwerte nicht besser als dieser Wert ist, sind die Rechenergebnisse entsprechend unzuverlässig. Wenn man im Diagramm der Sonnenstrahlung das Verhältnis der gelben Fläche zur Gesamtfläche betrachtet, macht das mehr als 0,3% aus. Für Berechnungen ab einer bestimmten Genauigkeit wird man daher auf das reale Spektrum zurückgreifen müssen. Das ist aber für die Erdkomponenten ein messtechnisch schwer lösbares Problem. In den Modellen stecken daher meist idealisierte Daten. Finden sich diese einschränkenden Angaben in den Modellen?

Zum Verständnis des Modelldetails ist noch eine Erläuterung zu den Grafiken angebracht: Das Diagramm des Sonnenspektrums bezeichnet auf der Y-Achse die Strahlungs-Leistung in Watt/m². Anstelle des abstrakten Begriffs „Energie“ kann man aber auch mit dem anschaulicheren Teilchenbegriff „Photon“ operieren. Die Energie des einzelnen Photons ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge: je kürzer die Wellenlänge, desto höher seine Energie. Wenige Photonen mit kurzer Wellenlänge können mehr Energie transportieren als viele mit langer Wellenlänge. Man kann das Strahlungsintensitätsspektrum bei Bedarf leicht in ein Spektrum der Photonenanzahl umrechnen.¹

Die Sonnenseite

Von der Sonne kommende Strahlung trifft zunächst auf die oberen Schichten der Atmosphäre, wo die hochenergetische Strahlung (kurze Wellenlängen) Atome und Moleküle in ihre Bestandteile zerlegt und eine Reihe chemischer und physikalischer Reaktionen auslöst. Der größte Teil hochenergetischer Strahlung wird hier ausgefiltert.

Die Filterung hat Auswirkungen auf das Leben auf der Erdoberfläche. Ihr teilweiser Wegfall ist im Zusammenhang mit dem so genannten Ozon-Loch bekannt, das in Polnähe zu schwächerer Filterwirkung führt und mit Chemikalien wie Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen und anderen Halogenverbindungen in Verbindung gebracht wird. Die Diskussion ist zwar im letzten Jahrzehnt ziemlich eingeschlafen, das Ozon-Loch als solches ist allerdings nach wie vor existent. Das Verhältnis natürliche/menschengemachte Ursachen scheint heute anders bewertet zu werden als früher und sich mehr vom Alarmismus auf natürliche Ursachen zu verlagern.²

Im Zusammenhang mit dem Klima fällt die Bewertung der Ozonschicht oder besser des Ozons (O₃) unterschiedlich aus. Die Filterwirkung des Ozons, das wie alle Moleküle aufgrund unterschiedlicher Mechanismen in verschiedenen Bereichen des Spektrums Licht absorbiert, wird in den oberen Atmosphärenschichten einerseits als dämpfend für den Klimawandel eingeschätzt, andererseits in den unteren Schichten als „starkes Treibhausgas“ und damit als Treiber betrachtet. Bei einem Klimawandel, der stets als Wandel zu einer Temperaturerhöhung zu verstehen ist, „könnte sich die dämpfende Wirkung abschwächen“, womit anscheinend irgendeine Wirkung des Klimawandels in den oberen Atmosphärenschichten gemeint ist.³ Die Modelle geben das irgendwie nicht her, da es sich um die Sonneneinstrahlung und nicht die Abstrahlung der Erde handelt. Wie kommen die Leute also auf diese Behauptung?

Weitere Wirkungen kurzwelliger Strahlung unterhalb der Ozonschicht sind Ionisierungsvorgänge, die sich in Blitzen äußern können, Sonnenbrand bei Organismen (Zerstörung von Molekülen) und Photosynthese, bei der die Strahlung in biologische Verbindungen unter Aufnahme von atmosphärischem CO₂ umgesetzt wird. Blitze werden als klimarelevant eingestuft, da infolge der elektrischen Entladung Treibhausgase wie Stickoxide entstehen. Wie weit dies quantifizierbar ist und in den Modellen verwertet wird, ist nicht so ohne weiteres zu sehen, zumal Stickoxide auch aus anderen natürlichen Quellen (und nicht nur aus Dieselmotoren) stammt. Wie beim Thema Ozon ist aber auch die Sprache davon, dass „die Anzahl und Intensität der Gewitter stark zunehmen könnte“. Die Modelle geben das nicht her (es handelt sich um die Sonnenstrahlung, die das verursacht, nicht die Abstrahlung der Erde). Wie kommen die Leute also auf diese Behauptung?

Ein weiteres Phänomen in der Atmosphäre ist die so genannte Lichtstreuung. Hierunter fasst man eine ganze Reihe unterschiedlicher Vorgänge summarisch zusammen, die ein Photon gewissermaßen vom geraden Weg abbringen. Die Streuung ist wellenlängenabhängig und wirkt sich um so stärker aus, je kürzer die Wellenlänge ist. Streueffekte in der oberen Atmosphäre sind für den blauen Himmel verantwortlich, der ansonsten schwarz wäre mit der Sonne als gleißender Punktlichtquelle. Ein Teil der Strahlung wird dabei in den Weltraum zurück reflektiert, ein Teil auch absorbiert.

Die bislang vorgestellten Effekte in der oberen Atmosphäre sind insofern bedeutsam, als sie durch natürliche Ereignisse wie Vulkanausbrüche oder menschenproduzierte Klimaengineering-Projekte das Klima tatsächlich beeinflussen können. Die Wirkungen sind jeweils kurzfristig und werden durch eine Erhöhung der Sulfatkonzentration (häufig als Schwefelkonzentration bezeichnet) in der oberen Atmosphäre hervorgerufen. Sulfate bilden in der dünnen Atmosphäre Aerosole, d.h. fein verteilte Tröpfchen von Schwefelsäure, deren Wirkung ähnlich wie die von Wolken bzw. der Ozonschicht ist. Durch die feine gleichmäßige Verteilung sind sie nicht als Wolken wahrnehmbar. Sie reflektieren trotzdem eine beträchtliche Menge der einfallenden Sonnenstrahlung oder strahlen die absorbierte Sonnenstrahlung in den Weltraum zurück. Dadurch werden die unteren Schichten der Atmosphäre sowie die Erdoberfläche stark aufgeheizt werden, was zu einer merklichen Abkühlung führt.

Die Aerosolteilchen sind jedoch relativ schwer und sinken daher auch schnell ab. Ein großer Vulkanausbruch beschert der Erde allenfalls einige Jahre ein etwas kühleres Klima und fantastische Sonnenuntergänge, ist aber schnell wieder Geschichte. Viel gravierender sind die Wirkungen der abgesunkenen Sulfate, die als „sauerer Regen“ niedergehen und vor wenigen Jahrzehnten im Rahmen des damaligen Waldsterbens diskutiert wurden und zur Entwicklung der Entschwefelungstechnologie bei der Energie-Erzeugung führten. Trotz dieser negativen Erfahrungen mit diesen Wirkungen wird dauerhaftes Klimaengineering mit Sulfataerosolen in Klimakreisen ernsthaft diskutiert. Was geht in den Köpfen solcher Leute vor?

Wolken werden in der Klimamodellierung recht stiefmütterlich betrachtet, obwohl sie den Lichtstrahlen ziemlich im Weg sind. Ihre Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung lässt sich mit Hilfe der Optik (Wellenoptik) modellieren. Wolken bestehen aus Wassertröpfchen oder Eis. An den Phasengrenzen kommt es zur Reflexion oder Brechung, bei Durchgang durch eine Phase zu einer Dämpfung des Signals. Für die Modellierung benötigt man die wellenlängenabhängigen Brechungs- und Dämpfungsindizes, die Tropfen- bzw. Kristallgeometrie sowie Tropfen- bzw. Kristalldichte. Im Prinzip lässt sich damit durchrechnen, welcher Strahlungsanteil reflektiert, durchgelassen und absorbiert wird. Das gilt sowohl für die Strahlung der Sonne am Tag als auch für die abgestrahlte Energie der Erdoberfläche in der Nacht. Das Problem der Bewölkung ist allerdings ihre Dynamik, Höhe und innere Struktur. Grundsätzlich sollte man erwarten, das Wolken am Tag die Energiezufuhr von der Sonne vermindern, also kühlen, in der Nacht aber den Abfluss von der Erde vermindern, also wärmen. Man müsste daher nicht nur die Wolkenart und Menge analysieren, sondern auch ihre Verteilung auf Tag- und Nachtstunden. Das lässt sich anscheinend in den bislang nicht simulieren. Der Wolkeneinfluss wird daher durch geschätzte Parameter berücksichtigt, wobei die offizielle Tendenz der aktuellen Wirkung in Richtung eines insgesamt leicht kühlenden Einflusses von ca. 5°C geht. In einigen Datenpräsentationen wird das als bestätigter Fakt präsentiert, andere Klimaforscher geben sich unsicher, in welche Richtung die Wirkung tatsächlich erfolgt. Wolken sind damit bereits in den Modellen zum aktuellen Klima immer noch eine Baustelle, und was sich bei Klimaänderungen tut, steht in den Sternen. Trotzdem wird eine Zunahme von Stürmen und anderen mit Wolken verbundenen Wetterphänomenen vorausgesagt. Wie kommen die Leute auf diese Behauptung?

Die zunehmende Weglänge des Lichtes durch die Atmosphäre führt zu einer Dämpfung der auf dem Boden auftreffenden Energiemenge ähnlich der Dämpfung in den Wolken. Zusammen mit der Streuung resultiert die Wellenlängenabhängigkeit in den roten Sonnen-Untergängen und der fühlbaren Abkühlung. Reflexion und Absorption von Licht durch Oberflächenwasser ergibt sich aus dem Einfallswinkel (Optik again) und kann geometrisch modelliert werden. Eis und Schnee können formal ebenfalls recht einfach berücksichtigt werden. Was an Licht auf den Erdboden trifft, wird materialabhängig reflektiert oder absorbiert, wobei zu Berücksichtigen ist, dass die Farbe von Gegenständen aus dem reflektierten Licht folgt; absorbiert wird gewissermaßen die Komplementärfarbe, die dann auch wieder das Spektrum definiert, das emittiert werden kann.

Die Nachtseite der Erde

Die von der Nachtseite der Erde emittierte Strahlung deckt aufgrund der Temperatur vorzugsweise das Spektrum im Infrarotbereich ab. In diesem Energiebereich können Moleküle Energie durch interne Schwingungen oder durch Rotation aufnehmen, aufgrund der quantenmechanischen Gesetze aber nur durch Absorption von Licht mit bestimmten Wellenlängen. Licht mit anderen Wellenlängen wird durchgelassen.

Jede Molekülart hat ein anderes Absorptionsspektrum und eine andere Empfindlichkeit. Wasser ist das weitaus wichtigste dieser Treibhausgase mit einer zwischen wenigen 100 und 40.000 ppm variierenden Konzentration. Das CO₂ kommt nur auf eine Konzentration von 400 ppm, die aber in Relation zu Wasser kaum variiert und mit menschlichen Einflüssen in Verbindung gebracht wird. Daneben werden eine Reihe weiterer Gase berücksichtigt, die teilweise in sehr geringer Konzentration vorhanden sind und deren Wirkung zur einheitlichen Darstellung oft auf CO₂ umgerechnet wird.⁴

Die Spektren sind nur bei Gasen relativ schmalbandig. Bei Flüssigkeiten sind die Banden aufgrund der Wechselwirkungen deutlich breiter, bei Festkörpern durch weitere hinzu kommende Mechanismen noch wesentlich breiter. Für die Emission des Bodens wird, wie oben schon bemerkt, vom Strahlungs-Modell des Schwarzen Körpers ausgegangen, für die Prozesse in der Atmosphäre von der CO₂ – Konzentration oder der Konzentration anderer Spurengase. Fragen, die sich die Klimamodellierer an dieser Stelle gefallen lassen müss(t)en:

• Welchen Einfluss hätte es, wenn die extrem variierende Wasser-Konzentration, die derzeit nur als Mittelwert (wie auch immer ermittelt oder geschätzt) in die Modelle eingeht, eine andere Verteilung (Geometrie) oder einen anderen Wert annimmt? Wasser ist immerhin einer der wichtigen „global Player“ in dem Spiel, so dass Änderungen nicht einfach unterschlagen werden können.
• Wie berechtigt ist die Annahme der Schwarzkörperstrahlung bei extrem unterschiedlichen Oberflächen wie Wasser, verschiedenen Arten von Böden und Gesteinen und verschiedenen Arten von Vegetation? Angesichts der formal nur sehr geringen Änderungen in der Bilanz können die behaupteten Änderungen der Erdoberfläche (andere Küstenverläufe, andere Vegetationsbilder) sehr große Auswirkungen haben.
• Wie zuverlässig sind die Annahmen über die Verweildauer der Spurengase, die in CO₂ -Äquivalente umgerechnet werden, in der Atmosphäre?

Wer eine Antwort auf solche Fragen erhält, darf sie hier gerne posten.

Wird ein Photon von einem Treibhausgasmolekül absorbiert, so verbleibt das Molekül eine gewisse Zeit, die grob aus der Energie folgt, im angeregten Zustand und strahlt dann wieder ein Photon der gleichen Wellenlänge unter zurückfallen auf den Ausgangszustand ab. Da die Richtung der Abstrahlung zufällig ist, wird von zwei auf diese Weise eingefangenen Photonen nur eines in Richtung Weltraum abgestrahlt, das andere wieder in Richtung Erdboden, den es wieder aufheizt. Ein erläuterndes Zahlenbeispiel findet sich in „Klima ./. Wetter“.

Der Grad der theoretischen Aufheizung bei Verdopplung der Treibhausgaskonzentration heißt Klimasensitivität und die Auseinandersetzungen zwischen den verschiedenen Fraktionen kreisen um diesen Begriff. Wenn beispielsweise von den 120 Photonen mit der „richtigen“ Wellenlänge schon 110 eingefangen werden, das Absorptionssystem also gesättigt ist, macht eine Steigerung der Konzentration kaum noch etwas aus, anders sieht es bei nur 50 eingefangenen aus. Das hört sich alles zwar recht übersichtlich an, ist es aber nicht. Anfang der 1990er Jahre beurteilte die Enquete-Kommission des Deutschen Bundestags die Absorption durch Kohlendioxid als bereits gesättigt und ordneten dem CO₂ in den höheren Schichten der Atmosphäre sogar eine kühlende Wirkung zu. Allenfalls eine 30%-ige Senkung der Emissionen sei sinnvoll. Heute sind im Handel der Klimamodellierer Klimasensitivitäten zwischen 0,2°C und 6°C erhältlich und eine vollständige (!) Emissionseinstellung wird gefordert. Jeder Vertreter eines Wertes steht nicht an, die Vertreter anderer Werte „ahnungslose Schwachköpfe“ zu schimpfen und sich selbst als einzigen echten Fachmann zu definieren.

Um einen Einblick in die Dissonanzen zu geben: die angeregten Moleküle stoßen mit anderen Gasmolekülen zusammen, wobei sie sich meist analog zu Billardkugeln verhalten (elastische Stöße). Bei einem Teil der Stöße (inelastische Stöße) können sie allerdings die Anregungsenergie verlieren, die dabei in Geschwindigkeit der Stoßpartner umgesetzt wird, was als Temperaturerhöhung wahrgenommen wird. Ist der mittlere Abstand zwischen Stößen klein gegenüber der mittleren Lebensdauer, wird mehr Energie in Wärme umgewandelt als emittiert. Im unteren Teil der Atmosphäre liegen solche Verhältnisse vor und erst in den oberen Schichten wird die Emission der führende Prozess. Auch die Rückstrahlung aus dieser Schicht wird zum Teil vor dem Erdboden absorbiert und verkleinert dessen Aufheizung erneute Aufheizung. Die untere Atmosphäre heizt sich dadurch auf und weniger der Erdboden wie im Modell ohne Stöße.

Wird die Wärme durch andere Prozesse (z.B. Konvektion, d.h. aufsteigende warme Luft) in die höheren Schichten transportiert, wird dort der Umkehrprozess verstärkt: bei Stößen können Moleküle zu Lasten der Geschwindigkeit (und damit der Temperatur) angeregt werden und sind nun in der Lage, durch Strahlungsemission Energie abzugeben. Je höher die Temperatur, desto höher die Wahrscheinlichkeit dafür. Hinter diesen Überlegungen dürfte auch der von den Enquete-Kommissionen referierte Abkühlungseffekt durch CO₂ stecken.

Die nächste Fraktion will das so nicht stehen lassen und argumentiert, dass die Stoßanregung ja auch in den unteren Schichten abläuft und so doch der Boden aufgeheizt wird. Um diese Auffassung zu belegen, werden Arbeiten über Strahlungsgleichgewichte vorgelegt, die genau dies aussagen, was wiederum Kritiker auf den Plan ruft, die darauf hinweisen, dass bei täglichem Tag- und Nachtwechsel wohl kaum von erreichbaren Gleichgewichten ausgegangen werden kann, …

Um die Verwirrung komplett zu machen, formulieren einige Modellierer noch komplexe Wechselwirkungen (Rückkopplungsverstärkung): ein CO₂-Molekül kann auf dem Umweg über Stöße auch andere Moleküle wie H₂O anregen, die weniger effektiv Strahlung absorbieren. Dies könnte nun dazu führen, dass ein CO₂-Molekül, das in einer bestimmten Zeit 20 Photonen emittiert (und 10 davon zum Erdboden sendet), in Gegenwart von H₂O zwar nur zu 18 Emissionen kommt, aber 8 Emissionen des Wassers induziert, das alleine nur 2 Emission hinbekommen würde. Statt 11 Photonen würden nun 13 zum Erdboden geschickt und die Erwärmung verstärken. Dies wäre ein Beispiel für eine positive Rückkopplung. Man kann hier die Fantasie walten lassen und weitere Mechanismen für positive oder negative Rückkopplungen entwerfen.

Rückkopplungen sind sicher in irgendeiner Form vorhanden. Solche Modelle zu entwickeln ist damit legitim. Das Problem besteht allerdings darin, so etwas auch nachzuweisen. In der Praxis wird fleißig mit irgendwelchen Messwertreihen herum getrickst, um bestimmte Rückkopplungen wie die zwischen CO₂ und H₂O zu belegen (meist so formuliert, dass der Mechanismus offen bleibt, um möglichst wenig Angriffsfläche zu bieten), während andere Fraktionen wiederum herum tricksen – teilweise mit den gleichen Messwerten – um zu zeigen, dass das nicht stimmen kann.

Fazit

Sowohl auf der Tag- als auch auf der Nachtseite bleiben eine ganze Reihe Fragen offen. Nicht nur nach Begründungen für Behauptungen, die aus den Modellen eigentlich nicht folgen, oder der Genauigkeit von Daten, sondern auch, wieso sich die Klimaleute bei einer ganzen Reihe von Sachen eigentlich nicht einig sind. Gerade die letzte Geschichte mit den Stößen ist im Zusammenhang von weiteren Klimagrößen, zu denen wir in weiteren Kapiteln kommen werden, äußerst wichtig.

Als Beobachter kann man sich derzeit ziemlich viel aussuchen, was hinkommen könnte – oder auch nicht. Also räumt bitte erst mal zu Hause auf, bevor ihr andere beschimpft.

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1 Manchmal schleichen sich auf diesem Weg selbst bei Fachleuten Fehler ein: beim Weltraumteleskop Hubble wurden für die Berechnung der optischen Eigenschaften bei einigen Komponenten metrische, bei anderen zöllische Einheiten verwendet, was erst auffiel, als sich der Apparat im Weltraum befand, was zu entsprechend aufwändigen Updates führte. Ohne Experiment = unscharfe Bilder wäre das nicht aufgefallen. Damit soll allerdings nur eine mögliche Fehlerquelle genannt und keinesfalls gesagt werden, dass Klimamodelle solche Fehler enthalten.

2 Ein Beispiel für das Kippen „gesichterer Erkenntnisse“ im Lauf der Wissenschaftsevolution, wobei unterschiedliche Interessengruppen anscheinend nach wie vor unterschiedliche Auffassungen vertreten.

³ Die dämpfende Wirkung entsteht durch Aufnahme nennenswerter Mengen von Sonnenstrahlung, von der die Hälfte wieder in den Weltraum abgestrahlt wird und die Erdoberfläche entlastet (vergleiche „Klima ./. Wetter“, Modell). Bei den anderen Gasen ist eine nennenswerte Aufnahme von Sonnenstrahlung nicht möglich, weshalb sie erst Nachts mit der Aufnahme der Erdstrahlung ihre Bedeutung erlangen. Das Grundmodell ist somit durchaus konsistent, nur die Rückwirkung auf die Ozonschicht müsste genauer begründet werden.

4Beispielsweise entsteht bei der Rinderhaltung aufgrund des Verdauungssystems Methan, das als kritisches Treibhausgas gilt. Aufgrund der Umrechung der Wirkung in CO₂-Einheiten entstehen dann Aussagen, dass bei der Produktion von 1 kg Fleisch soundso viel kg CO₂ (-Äquivalente) freigesetzt werden.