Kleine linke Klimaserie (X): Populäre CO2-Experimente

Lesezeit22 min
Die­ser Arti­kel stellt Teil IX der »klei­nen lin­ken Kli­ma­se­rie« in der Mag­Ma dar. Bis­her erschienen:

I. Wis­sen­schaft­li­che Aus­sa­gen im Unter­schied zu all­ge­mein­ver­ständ­li­chen Aussagen

II: Tem­pe­ra­tur­ent­wick­lung der letz­ten 1000 – 2000 bezie­hungs­wei­se 30 Jahre

III: Tem­pe­ra­tur­ent­wick­lung der letz­ten 1000 – 2000 bezie­hungs­wei­se 3 Jahre

IV: Geschwin­dig­keit, Gleich­zei­tig­keit und Mitteltemperatur

V: Zur Ent­ste­hungs­ge­schich­te glo­ba­ler Temperaturkurven

VI: Paris, Tem­pe­ra­tur­an­oma­lien und ‑mit­te­lun­gen, Wet­ter­bal­lons und unse­re Atmosphäre

VII: Luft- und Was­ser­tem­pe­ra­tu­ren im Pari­ser Eintopf

VIII: Nettotreibhausgasemissionsverringerung auf Kapitalistisch

IX: Erhöht CO2 die Temperatur?

Der Haupttitel dieser Serie hätte wohl besser gelautet: »Langfristiger Wetterwandel – eine Untersuchung von und für Verrückte, die es genauer wissen wollen«. Von denen gibt es hoffentlich ausreichend viele und speziell jüngere, so dass über das, was sich im weiteren Verlauf dieser Folge herausstellen wird und mich Physik-​Dummchen überraschte, vielleicht irgendwann geschmunzelt werden kann.

Die letzte Folge ergab, dass allein durch zusätzliches CO2 in der Luft die Lufttemperatur nicht steigt. Zur Temperatursteigerung müssen sich die Luftteilchen im Mittel schneller bewegen. Ohne zusätzliche Bewegungsenergie wird durch zusätzliches CO2 in der Luft lediglich die Durchschnittsmasse der Luftteilchen erhöht und dadurch deren mittlere Geschwindigkeit verlangsamt. Im Endeffekt bleibt die Temperatur gleich.

Dies sagen folgende Gleichungen der kinetischen Gastheorie aus:

Bei allem sollte nicht vergessen werden, dass es nur um den Effekt von CO2 in Gasen unter experimentell relativ einfach herzustellenden Bedingungen geht, nicht um den Effekt von CO2 in der Atmosphäre. Die Atmosphäre ist mit ihren Schichten und Strömungen und vertikalen Temperaturwechseln über einer sich drehenden Kugel, die durchs Weltall rast, eine völlig andere Nummer. Aber um dafür Verständnis entwickeln zu können, wollen erstmal die grundlegenden physikalischen Beziehungen verstanden sein. Nach denen ist zur Erhöhung der Temperatur eines Gases zusätzliche Energie nötig. Bloß die Molekül-​Zusammensetzung eines Gases zu verändern (ohne dass es dadurch zu chemischen Reaktionen kommt, die Energie freisetzen könnten), genügt zur Temperaturerhöhung nicht.

Um zu einer Temperaturerhöhung zu kommen, wurde in der letzten Folge in einem Gedankenexperiment einem reinen CO2-Gas Energie zugeführt und mit Hilfe von Freiheitsgraden berechnet, wie die Temperatur im Gas darauf im Vergleich zu herkömmlicher Luft mit ihrem heutigen CO2-Gehalt (420 ppm) reagiert. Dabei kam heraus: Bei gleichem Energiezuwachs steigt im CO2-Gas die Temperatur weniger als in herkömmlicher Luft und auch weniger als zum Beispiel in Argon-Gas.

Dieses Ergebnis passt schlecht zu verbreiteten Vorstellungen und Experimenten, nach denen zusätzliches CO2 bei gleicher Energiezufuhr höhere Lufttemperaturen verursacht.

Aber Berechnungen von Temperaturen mit Hilfe von Freiheitsgraden sind bloß Näherungen. Unter anderem verändern sich Freiheitsgrade in Abhängigkeit zur Temperatur. Schwingungsmöglichkeiten der Moleküle können bei niedrigen Temperaturen ausgeschaltet sein und bei hohen Temperaturen hinzukommen. Vielleicht ist diesbezüglich oder anderweitig in den Rechnungen etwas schief gelaufen? Zur Kontrolle – und Klima-​Alphabetisierung – folgt eine andere Art der Berechnung.

Spezfische Wärmekapazität

In der Physik gibt es einen Zweig, der »Wärmelehre« genannt wird. Die Energie heißt dort Q und bedeutet »Wärmeenergie«. Damit ist eine spezielle Energieform gemeint, deren Wirksamkeit sich als Temperaturunterschied messen lässt.1

Wird die Wärmeenergie eines Stoffes – sei es ein Gas oder ein Feststoff oder eine Flüssigkeit – erhöht, spielen nach der Wärmelehre zwei Aspekte eine Rolle: die Masse mgesamt des Stoffes und seine spezifische Wärmekapazität cspez.

Je größer mgesamt, desto mehr Wärmeenergie wird benötigt, um einen Stoff wärmer zu machen. Viel Wasser im Nudeltopf zum Kochen zu bringen, verbraucht mehr Energie, als wenig Wasser im Nudeltopf zum Kochen zu bringen.

Die spezifische Wärmekapazität cspez bezeichnet die Fähigkeit eines Stoffes, Wärme zu speichern. In der hier verwendeten Variante bedeutet cspez: die Wärmenergie, die benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes um 1 °C (gleich 1 Kelvin) zu erwärmen. Dass dieser Kram »Wärmekapazität« genannt wird, deutet auf eine Umkehrbarkeit hin: cspez ist auch die Wärmenergie, die herausspringt, wenn 1 kg eines Stoffes um 1 °C abkühlt.2

Unterschiedliche Wärmekapazitäten sind spürbar. Im Winter zum Beispiel fühlt sich der Pfahl einer Ampel kälter an als ein Baumstamm derselben Masse, weil der Ampelpfahl eine geringere Wärmekapazität hat als der Baumstamm. Aufgrund dessen, so erzählen Bescheidwissende, flutscht die Wärmenergie der Hand beim Ampelpfahl schneller in den Pfahl und dann in die Welt hinaus als beim Baumstamm. Kurz vor dem Anfassen haben unpassend zum Gefühl – oder genauer: zur Begrifflichkeit, die einige Kulturen der Kälter/​Wärmer-​Empfindung verpasst haben – Ampelpfahl und Baumstamm dieselbe Temperatur: die der Umgebung.

Die spezifische Wärmekapazität hängt vom Stoff ab und ändert sich mit den Temperatur- und Druckverhältnissen.

Für die Berechnungen, die noch kommen werden und deren Details am Ende dieses Beitrags verlinkt sind, wird die kleine Physikwelt der letzten Folge zugrunde gelegt:

  • die Ausgangstemperatur T1 sei 288,15 K = 15 °C
    (offizielle bodennahe Soll-​Durchschnittstemperatur des »natürlichen Treibhauseffekts«, die laut NASA die Erde erstaunlicherweise 2021 hatte 3)
  • das Volumen sei 1 m³ entsprechend 1000 Liter
  • der Drucksei 98500 Pa
    (durchschnittlicher Luftdruck an der Erdoberfläche laut englischem Wikipedia)
  • die Teilchenanzahl N sei 2,47590697841378·1025
    (das ist die Anzahl, die nach der in der letzten Folge behandelten universellen Gasgleichung bei einem Volumen von 1 m³ und Druck von 98500 Pa eine Temperatur von 288,15 K ergibt)
  • die Energiezufuhr ΔQ betrage 1203 Joule [J]
    (entsprechend einer Temperaturerhöhung im Bereich von grob 1 C° = 1 K).

Dankenswerterweise stellt die US-​Regierung kostenlos auf echten Messungen basierende Werte zu spezifischen Wärmekapazitäten bereit. Hier sind einige Werte für Gase bei gleich bleibendem Druck von 98500 Pa in Joule pro Kilogramm mal Kelvin (kg·K): 4

Temperatur trockene Luft N2 O2 Ar CO2
288,15 K = 15 °C 1010,6 1041,3 918,3 521,6 841,0
293,15 K = 20 °C 1010,7 1041,3 918,9 521,6 845,8
298,15 K = 25 °C 1010,9 1041,3 919,6 521,5 850,7

Gleich bleibender Druck bedeutet: Das Gas kann sich bei Temperaturerhöhungen ausdehnen, sein Volumen vergrößern.

Darf das Gas sein Volumen nicht vergrößern, zum Beispiel weil es in einem Glas gefangen ist, erhöht sich mit der Temperatur der Gasdruck. Hier sind einige spezifische Wärmekapazitäten für Gase bei gleich bleibendem Volumen von 1 m3 in Joule pro kg·K:

Temperatur

trockene Luft

N2 O2 Ar CO2
288,15 K = 15 °C 720,9 743,0 657,0 312,4 647,3
293,15 K = 20 °C 721,1 743,1 657,7 312,4 652,4
298,15 K = 25 °C 721,3 743,1 658,4 312,4 657,4

Um abzuschätzen, was mit der Temperatur eines CO2-Gases und herkömmlicher Luft passiert, wenn zusätzliche Energie zugeführt wird, eignet sich folgende Formel:

ΔQ (sprich: delta Kuh) ist der Unterschied der Wärmeenergie, der zwischen einem Zustand mit einer Ausgangstemperatur T1 und einem Zustand mit einer höheren – oder auch niedrigeren – Temperatur T2 besteht.

Wird T2 unter Bedingungen der oben beschriebenen Physikwelt nach einer Energiezufuhr von 1203 J beim CO2-Gas größer oder kleiner sein als bei herkömmlicher trockener Luft?

Zur Berechnung wird die Grundgleichung der Wärmelehre umgestellt:

Bei herkömmlicher trockener Luft ist mgesamt: die Teilchenanzahl N mal der mittleren Luftteilchenmasse 4,811·10−26 kg, die in der letzten Folge ermittelt wurde:

Beim CO2 ist mgesamt: die Teilchenanzahl N mal – auch in der letzten Folge ermittelter – CO2-Teilchenmasse 7,308·10−26 kg:

Mit den spezifischen Wärmekapazitäten der Tabelle oben zum gleich bleibendem Druck eingesetzt, kommt für Luft heraus:

und für CO2:

Ergebnis: Dieselbe Energiezufuhr erzeugt beim CO2-Gas eine geringere Temperaturerhöhung als bei herkömmlicher Luft, wenn der Druck gleich bleibt und sich das Volumen erhöhen darf.

Befinden sich die Gase in einem Glasbehälter, so dass durch die Energieerhöhung der Druck steigt, kommt heraus:

Ergebnis: Dieselbe Energiezufuhr erzeugt beim CO2-Gas eine geringere Temperaturerhöhung als bei Luft, wenn das Volumen gleich bleibt und der Druck steigt.

Nimmt man in einem Gedankenexperiment das errechnete T2 als neues T1 und errechnet ein nächstes T2 nach erneuter Energiezufuhr von ΔQ = 1203 J mit dem neuen Volumen bzw. dem neuen Druck usw., kommen folgende Temperaturentwicklungen in °C heraus:

Zusammengefasst ergibt die Berechnung mit spezifischen Wärmekapazitäten dasselbe wie die Freiheitsgrad-​Berechnung: CO2 reagiert hinsichtlich der Temperatur auf eine Energiezufuhr träger als trockene Luft und Argon.

Auch für feuchte Luft kommt ein Ergebnis heraus, das der Freiheitsgrad-​Berechnung entspricht –eine Linie, die zwischen trockener Luft und CO2 liegt:

Steigt in der herkömmlichen Luft der CO2-Gehalt, nehmen die Steigungen der blauen bzw. grünen Linie immer mehr ab, bis sie schließlich auf der roten Linie mit 100 % CO2 zu liegen kommen.

Beim Klima- bzw. Wetterwandel geht es um eine Erhöhung des CO2-Gehalts in der Luft von 0,028 % auf 0,042 %, d.h. um 0,014 %. Entsprechend würden die Steigungen der blauen bzw. grünen Linie der Steigung der roten Linie um 0,014 % näher rücken. Diese Abflachung der Temperatursteigung liegt im Bereich von Milligrad. Lebewesen erleben täglich Temperaturschwankungen von mehreren Graden. Würden sie eine Abflachung der Temperatursteigung um einige Milligrad bemerken?

Rückspiegel

Man kann ebensogut in Richtung Energieverlust, anstatt Energiegewinn, rechnen. Dabei kommt heraus: Derselbe Energieverlust bewirkt im CO2-Gas eine geringere Temperatursenkung als in herkömmlicher Luft.

Die Gültigkeit der Rückwärtsrechnung folgt aus der Grundgleichung der Wärmelehre.

Wenn eine Energiezufuhr um ΔQ einen Stoff um 1 °C erwärmt, dann muss unter sonst gleichen Bedingungen ein Energieverlust von ΔQ diesen Stoff auch um 1 °C abkühlen.

Wenn dies gilt:

muss auch das gelten:

Wenn beispielsweise dies einigermaßen stimmt:

muss auch das einigermaßen stimmen:

Zusammenfassend: Aufgrund seiner relativ vielen Freiheitsgrade bzw. hohen Wärmekapazität haben Energieschwankungen beim CO2 einen geringeren Temperatureffekt als bei den meisten anderen Luftteilchen. Dies gilt für Energiezufuhren und Energieverluste gleichermaßen.

Zur Veranschaulichung ein Gedankenexperiment mit abwechselnd schneller Zufuhr von 1203 J und langsamem Verlust von 1203 J durch Kühlung – berechnet mit den Freiheitsgradformeln der letzten Folge:

Beim Argon entstehen durch Energieschwankungen die höchsten Temperaturschwankungen, bei Luft niedrigere und bei CO2 noch niedrigere. CO2 wirkt bei Energieschwankungen in Bezug auf die Temperaturen stabilisierend, nicht temperaturerhöhend.

Erfolgt die Energiezufuhr, bevor die Kühlung für einen Verlust von 1203 J gesorgt hat, entspricht dies insgesamt einer Zufuhr von Energie. Im Mittel kommt dann das heraus, was bereits berechnet wurde: CO2 reagiert in Bezug auf die Temperaturen träger auf die Energiezufuhr als andere Luftteilchen.

CO2-Experimente des Typs »Wärmelehre«

Bei der Royal Society, einer Organisation, die sich um das Bildungsniveau mindestens der britischen Bevölkerung bemüht, wurde ein Experiment zum Wärmeverlust von CO2 im Vergleich zu herkömmlicher Luft durchgeführt. Das Experiment stützt die Ergebnisse der bisherigen Gedankenexperimente. Es funktioniert wie folgt:

In einen aufblasbaren Gymnastikball wird ein Heizelement platziert und der Ball einmal mit CO2 und einmal mit normaler Luft bei gleichem Druck gefüllt. Dann wird die jeweilige Füllung auf rund 50 °C aufgeheizt. Danach wird mit einem Temperatursensor direkt am Ball der Temperaturverlauf der Abkühlung auf Raumtemperatur gemessen. 5

Hauptergebnis: Beim CO2 verläuft der Wärmeverlust langsamer. Nebenergebnis: Bei höherem Luftdruck im Ball wird der Verlangsamungseffekt größer. 6

Anders als im Gedankenexperiment zeigt das reale Experiment eine gebogene Linie. Der Energiebetrag ΔQ, der dem Ball während der Abkühlung verloren geht, und damit der Temperaturverlust werden je Zeiteinheit nach und nach kleiner. Dieses Phänomen entspricht dem Newtonschen Abkühlungsgesetz. Newtons Abkühlungsgesetz besagt: Je kleiner der Temperaturunterschied eines Körpers zur Umgebung, desto lahmarschiger seine Temperaturanpassung an die Umgebung. Das Gedankenexperiment geht demgegenüber von einem gleich bleibenden Energieverlust je Zeiteinheit aus.

Das Experiment bei der Royal Society ist betitelt: »Ein einfaches Experiment zur globalen Erwärmung«. Dass der Effekt auch gespiegelt funktioniert und die Aufheizung beim CO2 länger dauert bzw. mehr Energie erfordern würde, wenn sie gleich schnell passieren soll, wird der zu bildenden Bevölkerung nicht verraten.

Doch gibt es auch Experimente, die die gespiegelte Variante demonstrieren und zeigen, dass dieselbe Energiezufuhr beim CO2-Gas eine geringere Temperaturerhöhung erzeugt als bei herkömmlicher Luft. Eines dieser Experimente war 2021 in Jena beim »Wissenschaftsfestival rund um die MINT-​Disziplinen Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik für Schülerinnen und Schüler« zu bestaunen (hier im Video bei der Friedrich-​Schiller-​Universität): 7

Ein Luftballon wird mit Stickstoff (N2) gefüllt, d.h. dem Molekül, das rund 78 % der atmosphärischen Luft ausmacht. Ein zweiter Luftballon wird mit CO2 gefüllt. Beide Ballons werden gleichermaßen mit einer Infrarotlampe bestrahlt. Auf der gegenüberliegenden Seite werden die Ballons jeweils mit einer Infrarot-(IR)-Kamera anvisiert und die Temperaturanzeige der Kamera abgelesen. Ergebnis: Die Temperaturanzeige beim CO2-Ballon ist niedriger als die beim Sticksoff-​Ballon.8

Daraus sollen die Schulkinder schließen:

»Befindet sich in der Erdatmosphäre, die durch den Luftballon dargestellt ist, immer mehr CO2, kann von der Erdoberfläche (Wärmelampe) aus weniger IR-​Strahlung zurück ins All gelangen, da diese von den CO2-Molekülen absorbiert werden kann. Dadurch steigt die Temperatur in der Erdatmosphäre.« (Aufgabenblatt mit Musterlösung und niedlichem Eisbär)

Das Experiment wurde betitelt mit: »Klimakiller CO2«.

Doch aus »weniger IR-​Strahlung ins All« folgt nicht »steigende Temperatur in der Erdatmosphäre«. Es kommt darauf an, inwieweit sich die absorbierte IR-​Strahlung, die nicht ins All kommt, temperaturerhöhend auswirkt. Nach dem »Klimakiller«-Experiment selber wirkt die Energie, die nicht ins All kommt, nicht temperaturerhöhend: Die Temperaturanzeige beim CO2-Ballon ist niedriger als die beim Sticksoff-Ballon.

Um den Widerspruch zwischen Beobachtung und erwarteter Schlussfolgerung nicht zu bemerken, muss man wohl nicht nur Wärmeenergie von Temperatur nicht unterscheiden können. Vielleicht nützt trotzdem ein Gleichnis: Ein Gletscher in den Alpen enthält mehr Wärmeenergie als eine Tasse heißen Tees.

Zwischen IR-​Absorptionsfähigkeit und geringerer Temperaturerhöhung des CO2 besteht nach dem in dieser und der letzten Folge angesammelten Halbwissen ungefähr folgender Zusammenhang: Die CO2-Moleküle verwenden Energie der absorbierten IR-​Strahlung, um die Freiheitsgrad-​Sache zu zelebrieren bzw. ihre höhere Wärmekapazität auszuspielen. Anstatt mit der kompletten Energie schneller durch die Gegend zu flitzen und dadurch die Temperatur im Gas zu erhöhen wie der Stickstoff, steigern die CO2-Moleküle ihre Vibrationen.

Zwar widerspricht die bessere IR-​Absorptionsfähigkeit von CO2 dem Schluss, der den Schulkindern entgegen ihrer eigenen Beobachtung abverlangt wird: »Dadurch steigt die Temperatur in der Erdatmosphäre.« Doch für sich muss die Aussage, dass durch vermehrtes CO2 die Temperatur in der Erdatmosphäre steigt, nicht falsch sein. Sie folgt nur nicht direkt und allein aus der besseren IR-​Absorptionsfähigkeit von CO2. Aus der besseren IR-​Absorptionsfähigkeit von CO2 direkt und allein folgt, was Wärmelehre und kinetische Gastheorie besagen und was zu beobachten ist und was die Gedankenexperimente und das Experiment bei der Royal Society zeigen. Um das nochmal zusammenzufassen:

Dieselbe Energiezufuhr erzeugt beim CO2-Gas eine geringere Temperaturerhöhung als bei herkömmlicher Luft bzw. Stickstoff. Derselbe Energieverlust erzeugt beim CO2-Gas einen geringeren Temperaturverlust als bei herkömmlicher Luft bzw. Stickstoff. Eine Temperaturerhöhung kann prinzipiell nur zustande kommen, wenn mehr Energie zugeführt wird als verloren geht. Wird mehr Energie zugeführt als verloren geht, führt dies zu höheren Gastemperaturen – und zwar beim CO2 zu weniger hohen als bei Stickstoff und Sauerstoff, weil CO2 besser zittern kann.

Der Aufbau des Klimakiller-​Experiments (oder vielleicht eher Naturwissenschaftsverständniskiller-​Trainings?) ist durch die Infrarotkamera reichlich kompliziert. Man müsste nachforschen, was die Kamera eigentlich wie »misst« und wie sie eingestellt ist. Auch die Infrarotlampe ist nachforschungsbedürftig. Strahlt sie überhaupt jene speziellen Frequenzen ab, die CO2 zum Vibrieren anregen?

Ein einfacheres Experiment mit demselben prinzipiellen Ergebnis habe ich auf den Webseiten eines abgelaufenen, EU-​finanzierten Klimaprojekts gefunden (Experiment 3): 9

Ein Luftballon wird mit herkömmlicher Luft gefüllt, ein zweiter Luftballon mit CO2. Die beiden Ballons werden jeweils mit der Hand vor eine Thermosäule gehalten. Die Thermosäule erfasst die Wärmeenergie des Ballons und damit der Hand durch den Ballon hindurch. Sie verwandelt die empfangene Wärmeenergie in eine elektrische Spannung, die zum Beispiel ein Multimeter anzeigen kann. Ergebnis: Beim CO2-Ballon wird eine niedrigere Spannung anzeigt, d.h. ist die empfangene Wärmeenergie geringer.

Die Ergebnisse der oben erwähnten Experimente passen mit der Wärmelehre und kinetischen Gastheorie zusammen. Grafisch lässt sich ihre Grundaussage etwa so veranschaulichen:

Enthält ein Gas wie die Luft viel CO2, steigt bei Energiezufuhr die Temperatur weniger (rechte Seite der Grafik) und fällt bei Energieverlust die Temperatur weniger (linke Seite der Grafik).

Mit dem ersten Fall (rechte Seite der Grafik) lässt sich propagandistisch als »Beleg« für eine temperaturerhöhende Wirkung von CO2 etwas anfangen, wenn man das Publikum dazu bringt, das unmittelbar zu Beobachtende zu ignorieren. Mit dem zweiten Fall (linke Seite der Grafik) lässt sich propagandistisch als »Beleg« für eine temperaturerhöhende Wirkung von CO2 etwas anfangen, wenn der erste Fall unbekannt ist. Beide Fälle zusammen ergeben, dass mehr CO2 bei ausgewogenen Energiegewinnen und ‑verlusten die Temperaturschwankungen dämpft wie im vorigen Abschnitt gezeigt.

CO2-Experimente des Typs »Anti-​Wärmelehre«

Experimente wie das Schulexperiment bei Sonnentaler, das in der letzten Folge vorgestellt wurde, behaupten: Enthält ein Gas viel CO2, steigt bei Energiezufuhr seine Temperatur stärker als zum Beispiel in herkömmlicher Luft. »Schaut her!« sagen sie, »Wenn wir einem Gas mit hohem CO2-Gehalt Energie zuführen, wird das Gas wärmer als ein Gas mit niedrigem CO2-Gehalt.«

Damit widersprechen diese Experimente den im letzten Abschnitt erwähnten Experimenten und der Wärmelehre. Deshalb bezeichne ich sie als »CO2-Experimente des Typs ›Anti-​Wärmelehre‹«.

Die Behauptung von Experimenten des Typs »Anti-​Wärmelehre« entspricht zunächst der rechten Seite in folgender Grafik:

Mit etwas physikalischem Grundverständnis oder auch nur Mathe-​Kenntnis, dass sich Formeln umstellen lassen ohne falsch zu werden, wäre aus der Behauptung von Experimenten des Typs »Anti-​Wärmelehre« die linke Seite der Grafik zu folgern. Diese besagt: Enthält ein Gas viel CO2, sinkt bei gleichem Energieverlust die Temperatur stärker als z.B. in herkömmlicher Luft.

In der Konsequenz ließe sich mit Experimenten des Typs »Anti-​Wärmelehre« ebensowenig wie mit Experimenten des Typs »Wärmelehre« ein temperaturerhöhender Effekt von CO2 belegen. Ausgewogene Energiegewinne und Energieverluste würden einander in Bezug auf die mittlere Temperatur ausgleichen. Allenfalls könnte man auf Basis von Experimenten des Typs »Anti-​Wärmelehre« behaupten: Vermehrtes CO2 verstärkt eine natürliche Energieerhöhung, zum Beispiel durch stärkere Sonneneinstrahlung, falls es zu ihr kommt. Dies aber nur, wenn man auf die klassische Physik scheißt.

Diejenigen, die CO2-Experimente des Typs »Anti-​Wärmelehre« als Belege für den Erwärmungseffekt von CO2 propagieren, bemerken anscheinend nicht, dass sie den Boden »der Wissenschaft« verlassen haben. Um so lustiger ist es, wenn sie denjenigen, die an solche Belege nicht glauben, »Wissenschaftsleugnung« nachsagen.

Zusammenfassung

Ein schönes Beispiel für einen wissenschaftsbejahenden Umgang mit beiden Typen von CO2-Experimenten bot der Journalist Dirk Pohlmann in einem Vortrag »Klima & Betrug« 2019. Pohlmanns Vortrag, den ich erst kürzlich entdeckte, hat diesen Beitrag wesentlich beeinflusst. Ohne ihn wäre ich nicht auf die Typen-​Einteilung der CO2-Experimente gekommen.

Als Belege dafür, dass »die Lichtresorption« des CO2 die »Temperatur erhöht«, führt Pohlmann in seinem Vortrag vier Experimente an.

Zwei sind vom Typ »Wärmelehre«, d.h. zeigen, dass durch mehr CO2 die Temperatur weniger stark steigt:

… und zwei sind vom Typ »Anti-​Wärmelehre«, d.h. zeigen, dass die Temperatur durch mehr CO2 stärker steigt:

  • Hoimar Ditfurth 1978: Der Ast, auf dem wir sitzen – ZDF-Sendung
  • Greenhouse Gas Demo mit Alka-​Seltzer-​Tablette zur Herstellung von CO2 und Plastikflaschen – nach einer Experimentbeschreibung der »Online-​Schule« der US-​Wetterbehörde NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), vorgeführt von einem US-​amerikanischen College-Lehrer.

Menschen mit Ahnung von Wärmelehre reagieren auf Experimente des Typs »Anti-​Wärmelehre«, falls sie sich zu reagieren getrauen, indem sie nach Fehlern in den Versuchsabläufen suchen. Oft kommt dabei für Physiklaien unverständliches Zeug heraus. Pohlmann meint dazu:

»Das ist […] klassisch für die Argumentation: Es wird immer irgendetwas gefunden, um grundsätzlich die Sache anzuzweifeln. Bei jedem dieser Experimente finden sie irgendwelche Argumente, […] um zu sagen: Deswegen stimmt das nicht.«

Eins von diesen irrationalen Klimaleugnungsargumenten lautet zum Beispiel: Steigt an irgendeiner Stelle im Versuchsablauf unerkannt der Druck im CO2-Gas, könnte gemäß der universellen Gasgleichung ein Ergebnis herauskommen, das der Wärmelehre zu widersprechen scheint. In der letzten Folge dieser Serie hatte sich so etwas angedeutet.

Beim NOAA-​Experiment springt eine Druckerhöhung in der CO2-Flasche als mögliche Ursache der Temperaturerhöhung sprudelnd ins Auge.10 Beim Sonnentaler Experiment ist ein Fehler schon schwerer zu entdecken und beim Ditfurth-​Experiment noch schwerer, denn da kommen Wärmeströmungen und alles Mögliche ins Spiel.11

Trotzdem oder deshalb könnte das Ditfurth-​Experiment etwas mit realen Verhältnissen zu tun haben. Nach den Regeln der klassischen Physik gilt allerdings auch hier die Umkehrung: Spult man Ditfurths ZDF-​Sendung rückwärts ab, wäre die Lampe ein Energiesauger (etwa das nächtliche Weltall) und müsste, falls die klassische Physik stimmt, aus Ditfurths Bottich die Wärme viel schneller entziehen als aus dem Bottich mit gewöhnlicher Luft. Hinsichtlich einer erwärmenden Wirkung von CO2 in der Atmosphäre ist durch das Experiment wegen dieser ausgleichenden Wirkung nichts gezeigt.

Übrigens stand ab 2004 einige Jahre lang auch in der Experimentbeschreibung der »Online-​Schule« der NOAA, dass in dieser Hinsicht durch das Experiment nichts gezeigt wird:

»Kohlendioxid hat in den letzten 100 Jahren in der Atmosphäre stark zugenommen. Obwohl es nur 0,03 % der Atmosphäre ausmacht, wird es mit der globalen Erwärmung in Verbindung gebracht. […] Man geht davon aus, dass eine Zunahme des Kohlendioxids zu einer globalen Erwärmung führen wird. Obwohl der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre in den letzten 100 Jahren zugenommen hat, gibt es keinen Nachweis dafür, dass er einen Anstieg der globalen Temperaturen verursacht. […] Das Verhalten der Atmosphäre ist äußerst komplex. Daher ist auch die Feststellung der Gültigkeit der globalen Erwärmung komplex. Es ist unklar, wie stark sich der Anstieg des Kohlendioxids auswirken wird oder ob wir überhaupt die Auswirkungen eines Anstiegs erkennen können.«12

Die Unklarheit wurde irgendwann nach 2007 durch Löschung des zitierten Textes beseitigt.

Also, ich hoffe, Dirk Pohlmann und andere denken über ihre geschätzen CO2-Experimente nochmal scharf nach – auch wenn dabei herauskommen könnte, dass diese Experimente eher als eine erwärmende Wirkung von CO2 eine hohe Bereitschaft zur Selbst- und/​oder Fremdverarschung demonstrieren.

Wenn auch in politischer und sozialer Hinsicht oder hinsichtlich der geistigen und emotionalen Entwicklung von Schulkindern ein Verarschungscharakter dieser Experimente weitaus mehr bedeuten würde, so bedeutet er in physikalischer Hinsicht bloß, dass sich eine erwärmende Wirkung von CO2 experimentell nicht so einfach bestätigen lässt. Die einfachen Experimente beider Typen sprechen gegen eine erwärmende Wirkung, sobald man sie nach den beiden Richtungen des Energiegewinns und ‑verlustes betrachtet. Ihre Interpretation als »Belege« für eine erwärmende Wirkung ist auf Unwissenheit und schiefe Deutungen angewiesen.

In der nächsten Folge soll der Frage nachgegangen werden, wie vermehrtes CO2 ohne Verstöße gegen die Wärmelehre eine erwärmende Wirkung zustande bringen kann.

Dateien mit den Rechnungen dieser Folge:

Fußnoten

1 Dies im Unterschied zu anderen Energieformen, deren Wirksamkeiten sich ebenfalls als Temperaturunterschied messen lassen. Soweit ich diesen Unterschied verstehe: Verbrennt man sich an einem heißen Bügeleisen die Finger, ist eine Übertragung von Wärmeenergie im Spiel. Haut man sich ein kaltes Bügeleisen auf die Finger, steigt die Temperatur der Finger (d.h. die kinetische Energie der Fingermoleküle) ebenfalls, doch ist nicht eine Übertragung von Wärmeenergie im Spiel, sondern Wärmeenergie erzeugende Kraft und Arbeit. Die innere Energie U der letzten Folge hängt mit Q wie folgt zusammen: Die Änderung der inneren Energie ΔU eines Gases ist die Summe der dem Gas zugeführten Wärmeenergie Q abzüglich der Arbeit W, die das Gas verrichtet, indem es sein Volumen vergrößert (zum Beispiel, indem es einen Kolben nach oben drückt oder gegen die Erdanziehung anarbeitet). Als Formel: ΔU = Q – W. Andere Möglichkeit: Die Änderung der inneren Energie ΔU eines Gases ist die Summe der dem Gas zugeführten Wärmeenergie und der Arbeit, die auf das Gas angewendet wird, zum Beispiel, indem man einen Kolben herunterdrückt oder als Erdgeist die Teilchen an sich zieht. Als Formel: ΔU = Q + W. (Nach einem Video von Michael Biezen – englisch).

2 Geht es um Temperaturunterschiede, darf in Formeln Celsius statt Kelvin verwendet werden, weil derselbe physikalische Temperaturunterschied in Celsius- und Kelvin-​Angaben denselben Wert hat.

3 NASA Earth Fact Sheet, Eintragung unter »Average temperature«/Durchschnitts­temperatur (Stand 21.12.2021). Laut Umweltbundesamt entsprechen »knapp 15 Grad Celsius« dem »natürlichen Treibhauseffekt«. Das Wort »knapp« kam irgendann in der letzten Zeit dazu. Im Februar 2021 waren es noch »circa 15 Grad Celsius«.

4 Teilchenwerte vom National Institute of Standards and Technology (NIST), U.S. Department of Commerce. Stand: 19.5.2023. Luftwerte habe ich anhand der Teilchenwerte entsprechend der NASA-​Konzentrationsangaben (Tabelle ganz oben in der letzten Folge) berechnet. Zur Kontrolle, dass die Rechenwerte in den Bereich von Literatur- und Messwerten fallen, siehe z.B. die Liste empfohlener konstanter cp-Werte auf Seite 15590 und die Grafik aus Seite 15592 in M Baumgartner, R Weigel et al.: Reappraising the appropriate calculation of a common meteorological quantity: potential temperature. Atmos. Chem. Phys., 20, 15585 – 15616, 2020, DOI 10.5194/acp-20 – 15585-​2020 Eine von unendlich vielen Verständnisfallen: In der Tabelle ist der Zahlenwert beim CO2 kleiner als der zum Beispiel beim Sauerstoff. Trotzdem heißt es, CO2 habe eine »größere« Wärmekapazität als Sauerstoff. Das Wort »größer« bezieht sich auf eine gleiche Anzahl der Teilchen. Die Zahlenwerte in der Tabelle beziehen sich auf Kilogramm. Um 1 kg auf die Waage zu bringen, sind weit weniger CO2-Moleküle als Sauerstoffmoleküle nötig. Wäre die Angabe nicht in Joule pro kg·K, sondern in Joule pro Mol·K, dann wäre der Zahlenwert beim CO2 größer als der beim Sauerstoff. »Mol« wollte ich gerne vermeiden, weil unbekannter als Kilogramm, aber das hat seinen Preis …

5 Bild von Levendis Yiannis A., Kowalski Gregory, Lu Yang and Baldassarre Gregory 2020: A simple experiment on global warming. R. Soc. open sci.7192075192075, DOI 10.1098/rsos.192075 – Lizenz: http://​creativecommons​.org/​l​i​c​e​n​s​e​s​/​b​y​/​4​.0/

6 Grafik von Levendis Yiannis A., Kowalski Gregory, Lu Yang and Baldassarre Gregory 2020: A simple experiment on global warming. R. Soc. open sci.7192075192075, DOI 10.1098/rsos.192075, mit unautorisierten Übersetzungen ins Deutsche versehen – Lizenz: http://​creativecommons​.org/​l​i​c​e​n​s​e​s​/​b​y​/​4​.0/

7 Bild gebastelt aus Wikimedia Commons von AJ, Asurnipal und Hannes Grobe

8 Im Musterlösungsarbeitsblatt heißt es, die Infrarotkamera könne die Temperatur »messen«, aber da bin ich lieber vorsichtig, weil das zu messende Objekt ungewöhnlich ist und die Kamera darauf vielleicht nicht eingestellt war. Ich hoffe, dass zumindestens der Temperaturvergleich im Sinn von »höhere/​niedrigere Temperatur« brauchbar ist. Siehe z.B. Johannes Horak: Wie funktioniert eine Infrarotkamera? Die Messgleichung. Blog Timaios 25.7.2019.

9 Bild gebastelt aus Wikimedia Commons von Evan-​Amos und André Karwath aka Aka

10 Zur Abschätzung der Druckveränderung, die durch die Alka-​Seltzer-​Tablette in der Flasche entsteht, kann man Luftballongrößen messen. Auch entsteht bei der Sprudelei wohl Wasserdampf.

12 NOAA: Jetstream – an Online Weather School. 26.12.2004, archiviert bei web​.archive​.org unter der vom College-​Lehrer in seinem Video angegebenen Adresse. Der zitierte Text wurde irgendwann nach 2007 gelöscht. Unautorisierte Übersetzung.

Bild: Lopuchow A.M. »Prüfung in Chemie«, 1953 (https://t.me/SocialRealm)

2 thoughts on “Kleine linke Klimaserie (X): Populäre CO2-Experimente

  1. Zum Artikel sind Korrekturanmerkunegn erforderlich.

    CO2-​Ballon versus N2-Ballon

    Fehler: Reduktion auf Absorption.

    Stellen wir uns vor, jemand geht an einem strahlend sonnigen Tag in ein Glashaus, und innen ist es stockdunkel.

    Kann man aus der perfekten Dunkelheit im Glashaus schließen, das Glas wäre perfekt schwarz, also ideal absorbierend beschichtet?

    Nein, das kann man – allein aus der Dunkelheit – nicht schließen. Denn das Licht könnte auch durch Reflexion vom Eindringen in das Glashaus abgehalten werden. Das kann auch diffuse Reflexion sein. (Weiße [*] statt spiegelnde Oberfläche.) (Vorwörtsreferenz zitierter Ditfurth-Film)

    Dieser Effekt ist beim unterstellten Treibhauseffekt durch CO2 sehr wichtig. Der Ursprung sind nämlich Löcher im Sonnenspektrum, sog. Absorptionsbanden im Infrarotbereich. Und daraus wurde geschlossen, dass Infrarotstrahlung absorbiert würde. (Vergleiche oben, dass es sich um Absorption handelt, kann daraus schon gar nicht schließen.)

    Um eine Absorption im Bereich der CO2-​Infrarotbande zu erklären, bedarf es schon eines ergänzenden Prozesses. Es wir nämlich dabei ein Photon [**] absorbiert, und dieses Photon hat einen Spin (anschauliche Darstellung: Drehimpuls um die eigene Achse) von s = 1ħ [***] Diese Infrarotbande entspricht aber energetisch einer Oszillationsbande, das heißt es wird eine (innere translatorische) Oszillation (=Schwingung) angeregt. Und diese Anregung ist KEIN optischer Übergang, das heißt kann nicht durch Absorption oder Emission eines Photons erklärt werden.

    Der optische Übergang muß also separat erklärt werden. Und das macht man wie folgt: Mit der Oszillationsanregung soll gleichzeitig eine Rotationanregung erfolgen. Und dadurch würde die Drehimpulsabsoption erfolgen. Wer mit Fermis Goldener Regel (Wirkungsquerschitt = Zustandsdichte [****] mal Matrixelement [*****]}) vertraut ist – alle anderen bitte nicht ablenken lassen – hält dies für möglicherweise nicht abwegig bzw. unwahrscheinlich. Denn die Zustandsdichte der Rotationszustände ist im gegebenen Fall hoch. Das liegt aber ganz wesentlich an den geringen Energie(niveau)abständen der Rotationszustände. Und damit wird die Differenz zwischen der Energieabsorption bei der Oszillationsanregung und der Energieabsorption bei der gleichzeitigen Rotationsanregung groß. Um es diplomatisch zu sagen, das belastet das Matrixelement. Und es kommt auf das Produkt aus Zustandsdichte und Matrixelement an.

    Wenn das Matrixelement für den oben beschriebenen Prozess klein wird, kann es auch sein, dass das kleine System sagt: »Passt nicht.« Und spuckt das Photon einfach wieder aus. Und zwar in IRGEND EINE Richtung.

    Und wenn ich dann auf der Erde ein Spektrometer habe mit einem kreisäquivalenten Öffnungswinkel von effektiv 2 Grad und die Infrarotbande vollständig gestreut würde, dann kämen dort nur noch 0,56 % an. Und absorbiert wäre (vor der Spektrometeraufzeichnungseinheit) dann nichts.

    *Tatsächliche Farbe abhängig vom eingestrahlten Licht.
    ** Photon = Lichtquant(um)
    *** ħ = h/(2π)
    **** Anzahl der Zustände pro Intergieintervall
    ***** Letztlich ein Maß für die Wahrscheinlichkeit

    Hoimar-​von-​Ditfurth-​Experiment

    Die Aussage »Nach den Regeln der klassischen Physik gilt allerdings auch hier die Umkehrung« ist falsch.

    Es gibt in der klassischen Thermoidynamik IRREVERSIBLE PROZESSE. Exakt das ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Die Entropie nimmmt, von marginalen Fluktuationen abgesehen, nicht ab. Und eine Ansaugen der Energie durch die Lampe in dem Experiment wäre eine system(atisch)e Entropieabnahme.

    ABER hier gibt es zwei WICHTIGE FEHLER IM GEZEIGTEN EXPERIMENT.

    Erstens (im Vergleich weniger wichtig):
    Infolge der massivst intensivierten Vielfachstreuung der Infrarotstrahung in der (bis mindestens 1,5 m Höhe fast reinen) CO2-​Atmosphäre wird auch die Absorption (woran auch immer) größer, einfach durch den VERVIELFACHTEN Weg.

    Zweitens (GANZ WICHTIG):
    Das Setup lasst nur Luftaustausch nach oben – gegen die Gravitation – zu. Durch die höhere Dichte von CO2 gegenüber »normaler« Luft (Faktor etwa 44/29,4) wird die Wärmeabfuhr durch Konvektion MASSIVST behindert. Das Setup hat damit einen katastrophalen Fehler. Bereits ein höheres, näher an den oberen Rand der lateralen Begrenzung, Auffüllen mit CO2 hätte gereicht, diesen systematischen Fehler signifikant zu mindern.

    Der Film zeigt ganz deutlich: Das Problem ist die Popularisierung und Emotionalisierung der Wissenschaft. Die Ditfurth-​Botschaft ging prägend an die Öffentlichkeit, bevor sie systematisch geprüft wurde. Aus der »Theorie der Halbbildung« Adornos (um 1960) wurde – schon Ende der 70er – die Praxis und explosive Distribution des bildungoiden Bildungsvakuums.

    Hinweis: Ich bin Physiker.

  2. Im Beitrag wird nicht behauptet, nicht rückgängig zu machende (irreversible) Vorgänge seien rückgängig zu machen (reversibel). Es wird behauptet, dass wenn die Grundgleichung der Wärmelehre für ein T1=x und für ein T2=y stimmt, sie auch für den umgedrehten Fall mit T1=y und T2=x stimmen muss. (Dass die Grundgleichung der Wärmelehre immer und in allen Fällen stimmen muss, wird wiederum nicht behauptet.)

    Zur Veranschaulichung der mathematisch abstrakten Umdrehbarkeit kann man sich vorstellen, dass der Ditfurth-​Film rückwärts läuft, muss es aber nicht. Wenn man sich das vorstellt, müsste man sich, wie im Beitrag angeregt, einen anderen zugrunde liegenden Vorgang vorstellen als beim vorwärts laufenden Film. Einmal ist es ein Abkühlungsvorgang (durch einen Phantasie-»Energiesauger«) und einmal ein Erwärmungsvorgang (durch eine Lampe). Vorzustellen, dass sich eine in die Umgebung verstreute oder von einer Lampe abgestrahlte Wärmeenergie wieder zum Ausgangspunkt bringen lässt, braucht man sich dabei nicht, kann es aber. In diesem Fall käme die Irreveribilitätssache ins Spiel. 

    Es gab mal Zeiten, in denen Experten durch für’s jeweilige Publikum unverständliches Fachblabla das Publikum eher von eigenständigem Denken abschrecken und zum Glauben motivieren konnten als ihm ihre emotionalen Bedürfnisse, psychosozialen Unfähigkeiten oder auch taktischen Anliegen vorzuführen. Wären diese Zeiten vorbei, würden die populären CO2-​Experimente propagandistisch wahrscheinlich weniger gut wirken. Insofern würde ich solidarische Physiker zur Vorsicht raten.

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