Kleine linke Klimaserie (XI): So kann CO2 die Lufttemperatur erhöhen!

Волков Андрей Викторович «На пограничном корабле» 1977 год.
Lesezeit54 min

»Die kleinste Bewegung ist für alle Natur von Bedeutung,
das gesamte Meer ändert sich durch einen Stein.«

Blaise Pascal (Pensées, ca. 1660)

Die­ser Arti­kel stellt Teil XI 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?

X: Populäre CO2-Experimente

XI: So kann CO2 die Lufttemperatur erhöhen!

XI: So kann CO2 die Lufttemperatur erhöhen!

Nach den letzten beiden Folgen zu urteilen sind Experimente, die mit Hilfe von Lampen und Luft‐ und CO2-gefüllten Gefäßen einen Erwärmungseffekt von CO2 demonstrieren sollen, je nach Deutungsbedürfnis kompetente Verarschungen oder inkompetente Nichtverarschungen.

Die praktisch bewährten physikalischen Formeln der Wärmelehre und kinetischen Gastheorie besagen: Damit Luft mit erhöhtem CO2-Gehalt eine bestimmte Temperatur, z.B. 20 °C, haben kann, muss sie mehr Energie enthalten oder bekommen als herkömmliche Luft. Bei Zufuhr derselben Energiemenge steigt in Luft mit erhöhtem CO2-Gehalt die Temperatur weniger stark an als in herkömmlicher Luft. CO2 verwendet einen Teil der Energie für molekulare Schwingungen, anstatt damit schneller durch die Gegend zu fliegen und die Temperatur zu erhöhen (siehe Freiheitsgrad‐​Sache der 9. Folge).1 Umgekehrt sinkt die Temperatur von Luft mit erhöhtem CO2-Gehalt bei Verlust derselben Energiemenge weniger stark als die Temperatur herkömmlicher Luft. Ein Teil der verlorenen Energie stammt aus molekularen Schwingungen, so dass dessen Verlust nicht temperatursenkend wirkt. Manche populären CO2-Experimente indoktrinieren das Publikum, indem sie diesen Effekt trägerer Abkühlung vorführen, ohne auf den Effekt trägerer Erwärmung hinzuweisen. Die beschriebenen Wirkungen lassen sich nur bei sehr hohem CO2-Gehalt demonstrieren und messen, den Menschen in der Atmosphäre praktisch nicht herstellen könnten.

Die Frage, mit der sich diese Folge beschäftigt, ist: Wie lässt sich in naturwissenschaftlich stimmiger Weise unter Beibehaltung derselben Energiequelle und ‑menge (Sonne bzw. Lampe) durch mehr CO2 die Temperatur der Luft erhöhen?

Vielleicht motivierende Nebenfragen lauten: Wie kann man in der Klimafrage mit dem (vielleicht nur angeblichen) Mainstream mitziehen und zugleich ein Selbstbild als vernunftgesteuerter Mensch wahren, ohne zumindestens eine ungefähre Antwort auf obige Frage geben zu können? Hängt dann die Einstellung zur Klimafrage nicht von einem blinden Glauben an zu Autoritäten erklärten staatsverlesenen Leuten oder Institutionen ab – oder noch schlimmer: von einer Illusion, man hätte die Sache im Prinzip verstanden, so dass man sich einbilden kann, nicht einfach nur autoritätshörig und propagandaanfällig zu sein?

Elektromagnetische Strahlung

Ein Alltagsbeispiel dafür, dass es überhaupt möglich ist, Dinge mit derselben Energiequelle und ‑menge unterschiedlich warm zu bekommen, sind schwarze und weiße T‑Shirts im Sommer. Schwarze T‑Shirts werden bei gleicher Sonneneinstrahlung wärmer als weiße. Schwarze T‑Shirts heizen sich mehr auf, indem sie irgendwie Sonnenstrahlung verschlucken – wodurch sie überhaupt erst schwarz, Licht‐​los aussehen.2

Den üblichen physikalischen Formeln der Wärmelehre und kinetischen Gastheorie widerspricht das nicht, denn sie beziehen sich auf Energiemengen, die in einem System (Erde mit Atmosphäre oder Behälter mit Gas oder T‑Shirt‐​Stoff) enthalten sind. Wird Strahlung reflektiert wie beim weißen T‑Shirt, kommt ihre Energie nicht ins System.3

Joule und Watt

Im Schulexperiment bei Sonnentaler, das in der vorletzten Folge vorgestellt wurde und den aufheizenden Effekt von CO2 nachweisen soll, dient als Energiequelle eine »starke Lampe (500 Watt)«.4

Die Angabe »500 Watt« bedeutet: pro Sekunde zieht die Lampe 500 Joule Energie aus der Steckdose: 1 W = 1 J/​s (lies: 1 Watt ist gleich 1 Joule pro Sekunde).

Energiemengen werden in Joule (J) angegeben, Leistungen in Watt (W). Beispiel aus der Physiotherapie: Um auf einer ebenen Fläche einen schweren Medizinball einen Meter weit zu rollen, brauchen wir eine bestimmte Energiemenge von soundsoviel Joule – egal wie schnell oder langsam wir dabei sind. Aber um den Medizinball schneller einen Meter weit zu rollen, müssen wir diese Energiemenge schneller liefern, d.h. mehr Leistung bringen, angegeben in Watt gleich Joule pro Sekunde.5

Strahlung

Was ist Lichtenergie, Strahlung aus Lampen und Sonnen überhaupt für ein Zeug?

Erklärungen Bescheidwissender springen zwischen zwei Anschauungen hin und her. Mal ist von teilchenartigen »Photonen« die Rede und mal von irgendwie räumlich ausgedehnten »elektromagnetischen Wellen«. Wissenschaftlerinnen der Chinesischen Akademie für Ingenieurphysik Mianyang/​Sichuan fassten 2022 diese Situation so zusammen:

»Photonen und Wellen sind wichtige widersprüchliche Angelegenheiten; die Wellentheorie kann den photoelektrischen Effekt und den Compton‐​Effekt nicht erklären, während die Theorie der Lichtteilchen die Beugungs‐ und Interferenzphänomene des Lichts noch nicht erklärt hat. Doch haben Experimente bestätigt, dass Teilchen Wellenphänomene aufweisen«. 6

Demnach hatte »die Wissenschaft« bis mindestens vor Kurzem keine konsistente Erklärung für grundlegende Phänomene des Zeugs zu bieten, das als Sonnenlicht die Temperaturen der irdischen Atmosphäre oder als Lampenlicht Gastemperaturen in Gläsern beeinflusst.

Irgendwann wird der Teilchen/​Welle‐​Dualismus sicherlich in einem neuen Begriff und einer neuen Vorstellung aufgehoben. Da bin ich optimistisch, denn wer zum Beispiel konnte sich vor 500 Jahren in den kühnsten Phantasien ausmalen, was ein »Handy« oder ein »Borderline‐​Syndrom« sein soll? Um die Dinge bis zu ihrer kulturellen Einbettung in die menschlichen Gemüter zu vereinfachen, sei das Zeugs absurderweise als »Photonen mit Welleneigenschaften« aufgefasst.

Photonen

Ein Photon hat, heißt es, eine Masse von Null und fliegt mit Lichtgeschwindigkeit in eine bestimmte Richtung.7 Während seines Fluges schwingt die »Welleneigenschaft« eines jeden Photons in (weitgehend?) gleich bleibender Weise.

Die Welleneigenschaft eines Photons, das für Menschen Gegenstände sichtbar macht, schwingt ungefähr 400 Trillionen bis 750 Trillionen Mal pro Sekunde. Die Welleneigenschaft eines Photons, das Menschen bei Lampen als Betriebshitze interpretieren und nicht als Licht, schwingt meistens weniger häufig pro Sekunde. Bei sehr großer Betriebshitze können Teile der Lampe allerdings auch Photonen mit Schwingungen des menschlich sichtbaren Bereichs abstrahlen: das Material beginnt, in Rot, Gelb oder Weiß zu glühen. Nach diesem Prinzip funktionieren Glühlampen.8

Die Schwingungshäufigkeit der Welleneigenschaft von Photonen wird »Frequenz« genannt und häufig in Hertz (Hz) angegeben. Eine Frequenz f von 1 Hz bedeutet: eine Schwingung pro Sekunde.

Elektromagnetisches Spektrum

Photonen unterscheiden sich voneinander einzig und allein durch ihre Flugrichtung und die Frequenzen ihrer Welleneigenschaften. Im Zusammenhang mit der menschlichen Körperlichkeit, Gesellschaftlichkeit und Praxis entstehen aus letzterem Unterschied qualitative Unterschiede der Farbe, Wärme und Nutzbarkeit wie sie im elektromagnetischen Spektrum notiert sind:

Die bunten Linien im elektromagnetischen Spektrum kennzeichnen den für Menschen sichtbaren Bereich, der etwa zwischen 400·1012 und 750·1012 Hz liegt.

Die Frequenz f gibt Auskunft über die Energie E, die ein Photon repräsentiert oder ist.9 Je geringer die Frequenz f, desto geringer die Energie E des Photons:

E = h • f Planck/​Einstein‐​Gleichung10

h wird »Plancksches Wirkumsquantum« genannt und beträgt 6,62607015·10−34 Joule pro Schwingung (J/​Hz).

Der Buchstabe h stammt von Plancks Benennung dieses Werts als »Hilfskonstante«. Einer Anekdote zufolge hielt Planck h zuerst für einen Rechentrick. Später stellte sich heraus, dass h eine Naturkonstante ist: sie repräsentiert die Mindestmenge von Energie, die nötig ist, um überhaupt irgendeine physikalische Wirkung zu erzielen.11 Ohne diese Mindestmengenbedingung wäre das Universum, falls es überhaupt (noch) exisitierte, womöglich ein einziger, sich ständig verändernder Waberkram von was auch immer.

Photonen, Atome und Moleküle

Photonen können die Temperatur von Gasen nur indirekt erhöhen. Dies etwa in folgender Weise:

(1) Atome bzw. Moleküle im Gas nehmen Energie von Photonen auf, »Absorbtion« genannt→ (2) In den Atom‑ bzw. Molekülteilen passiert etwas → (3) Zwischen den Atomen bzw. Molekülen im Ganzen passiert etwas → (4) Atome bzw. Moleküle flitzen schneller durch die Gegend, d.h. die Temperatur steigt.

Für Leserinnen, die schon länger aus der Schule raus sind und beruflich nichts mit Physik und Chemie zu tun haben, folgt eine streng wissenschaftliche Darstellung zum Verständnis, was Atome und Moleküle überhaupt sind:

Links sind Atome dargestellt. Sie bestehen aus positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Wahrscheinlichkeitsdichtewolken, die an die Kerne angedockt sind und »Elektronen« heißen. Luftmoleküle, z.B. das Wasser‐​Molekül rechts im Bild, entstehen durch Kollektivierung von Elektronen. Die kollektivierten Elektronen heißen »kovalente Bindungen«. In der vorletzten Folge wurden diese Bindungen als Federn dargestellt, um ihre Fähigkeit zum Schwingen hervorzuheben:

Absorbtion

Um im Folgenden die Dinge zu vereinfachen, verwende ich das Wort »Teilchen«, wenn Moleküle und Atome gleichermaßen gemeint sind.

Photonen kann man sich als Manifestationen kleiner Energiemengen vorstellen. Bei der Absorption von Photonenenergie durch Luftteilchen – Stickstoff, Sauerstoff, Wasser, Kohlendioxid usw. – verpuffen die Manifestationen und geht ihre Energie in die Luftteilchen über. Im Wesentlichen können die Luftteilchen mit dieser Energie zwei Dinge anstellen, auch kombiniert: (A) sich verändern, und (B) sich erregen.

(A) Veränderungen durch Photonen

  • Elektronen werden aus Orbitalen gekickt (Photoionisation/​Photoeffekt) oder Atomkerne werden zerlegt (Photodesintegration)
    Das passiert bei hohen Photonen‐​Frequenzen im Gamma‐​Bereich. Sonneneruptionen oder kosmische Ereignisse oder auch Gewitter erzeugen solche Photonen.
  • Molekülverbindungen werden gekappt (Photodissotiation/​Photolyse)
    Das kann bei Photonen‐​Frequenzen ab dem sichtbaren Bereich und höher passieren. Beispiele: Photonen von mindestens rund 4·1014 Hz können O2-Moleküle in Sauerstoffatome O zerlegen. Die Sauerstoffatome können sich dann z.B. mit O2 zusammentun und Ozon O3 bilden. Photonen von mindestens rund 3·1015 Hz können Wasserdampf‐​Moleküle H2O in eine Hydroxylgruppe HO und ein Wasserstoffatom H zerlegen, die sich dann mit anderen Luftteilchen zusammentun. Photonen von mindestens rund 2·1015 Hz können CO2 je nach den Umständen in Kohlenmonoxid CO und ein Sauerstoffatom O oder in Kohlenstoff C und Sauerstoff O2 zerlegen. 12 In der Atmosphäre können photolytisch bedingte Umgruppierungen relativ harmlose Dreckmoleküle aus Industrieschloten in gefährlichere Dreckmoleküle verwandeln und umgekehrt.13

(B) Erregung durch Photonen

  • Elektronen springen in einen höheren Energiezustand
    Dieser elektronische Übergang passiert in der Atmosphäre am ehesten bei Photonen‐​Frequenzen des UV‐​Bereichs und des energiereicheren sichtbaren Bereichs.
  • Molekulare Schwingungen
    Dieser vibronische Übergang passiert in der Atmosphäre am ehesten bei Photonen‐​Frequenzen des Infrarot‐​Bereichs und des energieärmeren sichtbaren Bereichs.
  • Veränderung von Drehungen um die eigene Achse
    Diese Rotationsanregung kann in der Atmosphäre schon bei Photonen‐​Frequenzen des energieärmeren Infrarot‐ und Mikrowellen‐​Bereichs passieren.14

Beim Sonnentaler Experiment kommt es durch die Lampen‐​Photonen (glücklicherweise) nicht zu Veränderungen der Gasteilchen in den Gläsern, nicht zu chemischen oder nuklearen Reaktionen, sondern maximal zu Erregungen, d.h. zu Rotationsanregungen, vibronischen und/​oder elektronischen Übergängen.

Infrarotstrahlung, wie sie die Land‐ und Wasseroberflächen der Erde abgeben, oft »langwellige Strahlung« genannt, ist allgemein zu energiearm, um mehr als Erregungen zustande zu bringen. Das Sonnenlicht, das die Erdoberfläche erreicht, ist vergleichsweise energiereich: es enthält Photonen im Ultraviolett‐​Bereich, die Moleküle zerlegen können. Glas lässt viele dieser hochfrequenten energiereichen Photonen (»kurzwellige Strahlung«) nicht durch, so dass man hinter Fenstern zwar keinen Sonnenbrand, aber dafür Vitamin D‑Mangel bekommt.

Bei der Absorption von Photonenenergie sind die Teilchen normalerweise wählerisch: sie absorbieren nur Photonen bestimmter Frequenzen, während sie Photonen anderer Frequenzen ignorieren.

Deshalb ist das Argument, die Gesamtenergie der Sonneneinstrahlung verändere sich kaum und könne somit nichts mit der »globalen Erwärmung« zu tun haben, irreführend.15 Die Sonneneinstrahlung kann mit einer »globalen Erwärmung« dann nichts zu tun haben, wenn sich außer ihrer Gesamtenergie auch ihre Frequenzzusammensetzung nicht verändert hat (und außerdem die Reflexionseigenschaften der Erdoberfläche und der Atmosphäre, ihr Albedo – und wer weiß, was noch –, gleich geblieben sind).

Absorption bei Molekülen

Folgendes Gleichnis hilft vielleicht, die Frequenzabhängigkeit der Photonenabsorption bei Molekülen wenigstens ein bisschen zu verstehen:

Moleküle mit ihren Atomen gleichen schwingenden Systemen, die sich wie Schaukeln verhalten.16 Um eine Schaukel anzuschubsen, wird ihr Anschubsenergie zugeführt. Findet der Anschub in Portionen statt, die zum Rhythmus der Schaukel passen (passende Photonen‐​Frequenz), absorbiert die Schaukel die Anschubsenergie in einer Weise, dass sie schneller und höher schwingt. Das wird »Resonanz« genannt. Findet der Anschub in Portionen statt, die nicht zum Rhythmus der Schaukel passen, wird die Schaukel trotz der zugeführten Anschubsenergie langsamer, anstatt schneller. Die Energie verschwindet dadurch nicht, sondern wird als »Betriebshitze« oder schreiendes Kind in die Gegend geworfen, anstatt die Schaukel anzutreiben.

Eine Konsequenz dessen ist: Will man die Schaukelhöhe (Temperatur) herausfinden, kann man die Energien, die die Schaukelanschubserin der Schaukel zuführt, nicht einfach aufaddieren. Je nachdem, ob die Energien antreibend oder abbremsend wirken, wären sie aufzuaddieren oder abzuziehen.

Anders als im Schaukelgleichnis erzeugen nicht‐​resonante Photonen in Gasen keine Betriebshitze bzw. Wärme. Die Moleküle im Gas lassen nicht‐​resonante Photonen allermeistens einfach »durchfliegen«.17 Immerhin sind Moleküle zum allergrößten Teil »leerer Raum«. Hinsichtlich der Größenverhältnisse gleichen die Atomkerne Murmeln, die in der Mitte des Spielfelds eines Fußballstadions für 100 000 Leute liegen. Ihre Elektronen sind wie Mücken, die die Leute der äußersten Sitze nerven.18

Um unter diesen Umständen ein Photon erwischen zu können, sind außer resonante Photonenfrequenzen Fangnetze nötig. Diese Fangnetze bestehen in den unterschiedlichen elektrischen Ladungen von Elektronen und Atomkernen.

Dipolmoment

Manche Molekülsorten können ein besonderes Fangnetz ausbilden: das molekulare Dipolmoment. Das molekulare Dipolmoment besteht in einer unterschiedlichen elektrischen Ladung, die sich über das Gesamtmolekül erstreckt. Es wird durch ein unausgewogenes Flugverhalten der kollektivierten Elektronen erzeugt. Als Beispiel das H2O‑Molekül:

Absorption bei Atomen

Auch die Absorption von Photonenenergie durch Atome (einzeln oder in einem Molekülverband) ist frequenzabhängig.

Das wird vielleicht verständlicher, wenn man sich Elektronen als um den Atomkern herum angeordnete stehende Wellen vorstellt. Stehende Wellen entstehen, wenn man einen Stein in ein Gewässer wirft. Sie funktionieren, indem die Wellentäler und ‑berge ineinander übergehen. Stehende Wellen bilden keine halben oder viertel Wellentäler oder ‑berge aus, sondern immer nur mit ganzen Zahlen abzählbare.

Damit ein Elektron in einem Atom bzw. Molekül auf ein höheres Energieniveau springen kann (im Bild von 6 auf 7 Schwingungen), muss das absorbierte Photon eine bestimmte Menge Energie haben oder sein. Unpassende Energiemengen würden zu Elektronensprüngen »ins Nichts« führen – fast buchstäblich, denn niemand weiß bislang, was zwischen zwei Energieniveaus mit einem Elektron los ist oder inwiefern es überhaupt existiert.19

Spektren

Resonanzfrequenzen ändern sich unter anderem in Abhängigkeit vom aktuellen Erregungszustand der Teilchen. Ein Atom, bei dem zum Beispiel ein Elektron bereits auf einem höheren Energieniveau herumschwirrt, kann Photonen anderer Frequenzen absorbieren als ein Atom derselben Sorte im Grundzustand. In Gasen, auch solchen, die nur aus einer einzigen Sorte von Teilchen bestehen, befinden sich normalerweise Teilchen in Zuständen unterschiedlicher Erregungskombinationen. Entsprechend haben Teilchen derselben Sorte je nach ihrem grundsätzlichen Aufbau und weiteren Umgebungsbedingungen mehrere bis viele Resonanzfrequenzen.20 Ein Alltagsbeispiel für Erregungsvielfalt ist das kochende Nudelwasser: manche Wassermoleküle erregen sich dermaßen, dass sie aus dem Topf herausfliegen, andere bleiben im Topf.

Die Resonanzfrequenzen, die verschiedene Teilchensorten haben können, lassen sich mit einem im Prinzip einfachen technischen Aufbau herausfinden: Man werfe Photonen bekannter Frequenzen auf die Teilchen und schaue, ob die Photonen dieser Frequenzen durchkommen oder nicht. Das Verfahren heißt »Absorptionsspektroskopie« und seine Ergebnisse »Absorptionsspektren«.21, 22

Wurden mit Hilfe der Absorptionsspektroskopie oder anderer Arten der Spektroskopie Sets von Resonanzfrequenzen der jeweiligen Teilchensorten herausgefunden, kann man die Spektroskopie umgekehrt nutzen. Durch Bestrahlung eines Gasgemisches mit Photonen vieler Frequenzen lässt sich herausfinden, aus welchen Teilchensorten das Gasgemisch besteht – falls die Resonanzfrequenzen der Teilchensorten im Gasgemisch einander nicht allzu sehr überlappen. In CO2-orientierten Klimafragen spielt insbesondere die Überlappung der Resonanzfrequenzen von CO2 und Wasserdampf (H2O) eine Rolle. Durch sie wird es schwierig herauszufinden, wer von beidem was bewirkt.

Wasserdampf

Hier ist ein Absorptionsspektrum von Wasserdampf bei etwa Zimmertemperatur und bodennahen Druckverhältnissen, wobei die Photonen eine 10 cm breite Wasserdampf-»Barriere« durchqueren (Weglänge):23

Die Grafik stellt nur einen kleinen Ausschnitt aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum dar: einen Teil des Infrarotbereichs, oben in der Grafik durch das Rechteck mit den blauen Punkten angedeutet.

Die horizontale Achse gibt Photonen‐​Frequenzen an – nicht in Hertz (Hz), sondern in Einheiten, die bei Spektren üblicher sind. cm-1 steht für: Anzahl der Wellen pro Zentimeter; µm steht für: Wellenlänge in Mikrometern. Hier ist ein Umrechner.24

Spektrallinien, die im Spektrum bis nach oben ragen (Absorption: 1,0), besagen: fast alle ins Gas fliegenden Photonen dieser Frequenz wurden irgendwo auf ihrem 10 cm langen Weg durch das Gas absorbiert. Bei Photonenfrequenzen zwischen 700 und 1300 cm-1 bzw. zwischen rund 14 und 8 µm zeigt das Spektrum des Wasserdampfs nichts (Absorption: 0,0): der Wasserdampf hat so wenig Photonen absorbiert, dass eine Absorption nicht mehr eingezeichnet oder nicht mehr gemessen werden konnte. Die allermeisten Photonen dieses Frequenzbereichs sind geradewegs durch den Wasserdampf hindurchgeflogen. Da in diesem Bereich auch andere Luftteilchen fast keine Photonen absorbieren, fliegen Photonen dieses Frequenzbereichs fast ungehindert von der Sonne zur Erdoberfläche und von der Erdoberfläche ins Weltall. Das wird als »atmosphärisches Fenster« bezeichnet.25

Stickstoff und Sauerstoff

Andere Luftteilchen haben weitaus weniger Resonanzfrequenzen und schlechtere elektromagnetische Fangnetze als Wasserdampf. Hier sind Absorptionsspektren von Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2), bezogen auf dieselben Umgebungsbedingungen wie das H2O‑Spektrum:

Stickstoff‐ und Sauerstoff‐​Moleküle absorbieren nur sehr wenig Photonen. Sie können schwache Dipolmomente ausbilden, wenn die Flüge ihrer ansonsten sehr ordentlich herumfliegenden Elektronen durch einen äußeren Einfluss gestört werden.26 Die Absorptionsskala links endet schon bei 14·10‑5 = 0,00014 und nicht erst bei 1. Fast alle Photonen fliegen durch die Moleküle hindurch und nur sehr wenige werden absorbiert.

Kohlenstoffdioxid

CO2 liegt zwischen den Extremen von Wasserdampf und Stickstoff/​Sauerstoff. Wenn es angeregt ist und bestimmte Arten von Schwingungen vollführt (»v2« und »v3« genannt), bildet sich beim CO2 ein temporäres molekulares Dipolmoment wie es das Wassermolekül ständig hat.

Im Frequenzbereich zwischen 1000 und rund 7 µm absorbiert CO2 vor allem Photonen mit Frequenzen um 15 µm herum.

Die kleinen Hügel links und rechts werden »Zweige« genannt, der hohe mittlere Bereich »Kern« und die daran anschließenden Seitenbereiche »Flügel«.27

CO2 hat noch weitere Absorptionsbänder im Infrarotbereich. Die im Allgemeinen für am wichtigsten gehaltenen liegen bei 10 µm, 4,3 μm, 2,7 μm und 2 μm.28 Hier sind sie beisammen, wieder bezogen auf dieselben Umgebungsbedingungen wie die bisherigen Spektren:

Die Absorption um 10 µm reicht bei 10 cm Weglänge nur bis 0,002 – zu gering, um in der Grafik oben sichtbar zu sein, doch bei niedrigerem Druck und höherer Temperatur steigt sie.29 Bei 1,4 µm streut CO2 Photonen: es fängt Photonen dieser Frequenz ein und spuckt sofort wieder Photonen anderer Frequenzen aus (Raman‐Streuung).30

Eine Studie von 2023 fasst den klimatisch entscheidenden Absorptionsbereich von CO2 wie folgt zusammen:

»Der Strahlungsantrieb (radiative forcing – RF) des Klimawandels aufgrund des Anstiegs der Kohlendioxid (CO2)-Konzentration liegt hauptsächlich im Wellenzahlbereich 500 – 850 cm-1 (Wellenlängen von etwa 12 bis 20 μm).« 31

Mit »Strahlungsantrieb« ist grob gemeint: der Unterschied zwischen der von der Erde und unteren Atmosphäre absorbierten Sonnenenergie und der von ihnen in Form langwelliger Strahlung ins Weltall abgegebenen Energie.32 Letztere wird »OLW« genannt – »outgoing longwave radiation« /​ausgehende langwellige Strahlung, d.h. meist Photonen mit Wellenlängen größer als 4 – 5 µm. Beträgt der »Strahlungsantrieb« nicht Null, treibt er die Natur, die stets Energieunterschiede zu nivellieren trachtet, zu Veränderungen, nicht zuletzt von Temperaturen. Strahlungsantriebe von exakt Null wären ein extrem unwahrscheinlicher Zufall, da sich in der Natur ununterbrochen alles verändert.

Außer im Infrarotbereich haben CO2, Wasserdampf H2O, Stickstoff N2 und Sauerstoff O2 sowie das Sauerstoffatom O und Ozon O3 auch in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums Resonanzfrequenzen, in denen sie Photonen absorbieren.33

Spektralberechnungen

Bei anderen Umgebungsbedingungen, zum Beispiel niedrigerem Luftdruck oder höherer Temperatur oder in Gasgemischen mit unterschiedlichen Teilchensorten, würden die oben gezeigten Spektrallinien der Teilchen anders aussehen. Praktisch ist es unmöglich, Spektrallinien für alle Umgebungsbedingungen und Weglängen zu messen. Was nicht gemessen wurde, wird berechnet.

Die genaueste Methode zur Berechnung spektraler Vorgänge in der Atmosphäre heißt »Line-by-Line«-Methode. Sie geht von einzelnen Spektrallinien aus, die Datenbanken wie HITRAN (high‐​resolution transmission molecular absorption database) aus Messdaten und Berechnungen bereitstellen und wird von unterschiedlichen Software‐​Produkten mit unterschiedlichen Ergebnissen realisiert. Viele Berechnungen spektraler Vorgänge, etwa in Klimamodellen, geschehen mit einfacheren Methoden.34

Zur Überprüfbarkeit von »Line-by-Line«-Software heißt es in einer Arbeit von 2018:

»Leider ist eine geschlossene analytische Lösung der Strahlungs­transport­gleichungen für realistische Bedingungen nicht verfügbar, so dass ein Vergleich der numerischen Ergebnisse [der Software‐​Produkte] mit [gemessenen] Referenzwerten nicht möglich ist. Natürlich ist die Überprüfung des Codes anhand analytischer Ergebnisse für Zwischengrößen, z.B. Querschnitte, die aus einer kleinen Anzahl von Linien für einen bestimmten Druck, eine bestimmte Temperatur und ein bestimmtes Molekül bestehen, obligatorisch, aber dies beweist natürlich nicht die Korrektheit und Konsistenz des gesamten Codes. Der Vergleich von berechneten Spektren mit experimentellen Messungen ist aufgrund der unvollständigen Kenntnis der Atmosphäre (d.h. Druck, Temperatur und Zusammensetzung eines im Allgemeinen inhomogenen Mediums), der Ungenauigkeit der spektroskopischen Daten und möglicher Verzerrungen durch instrumentelle Artefakte schwierig. Daher ist dieser Ansatz im Wesentlichen auf Labormessungen für eine homogene Gaszelle beschränkt«.35

Ersatzweise wird darauf geachtet, dass die unterschiedlichen Software‐​Produkte unter sich nicht allzu unterschiedliche Ergebnisse liefern. Ähnliche Achtsamkeit könnte auch bei den verschiedenen langfristigen globalen Temperaturanomalie‐​Datensätzen praktiziert worden sein, da sie trotz fehlender Messdaten, insbesondere von vor 1950, ziemlich gleich aussehen (5. Folge).

Entspannungen

Ein Teilchen, das ein Photon absorbiert hat, möchte die hinzugewonnene Energie, die Erregung, so schnell wie möglich wieder los werden und in seinen entspannten Grundzustand auf dem Sofa zurückkehren.

Entspannungsvorgänge nach Photonenabsorptionen dauern meistens weit weniger als eine Sekunde.36 Sie bestehen einzeln oder gemischt aus folgenden Komponenten:

  • Übergang von Elektronen auf niedrigere Energieniveaus
  • Übergang von Schwingungs‑ oder Rotationsarten auf solche niedrigerer Energieniveaus
  • Ausspucken eines Photons oder mehrerer Photonen
  • Weiterreichen der Erregung durch Kollision mit einem anderen Teilchen

Im Wesentlichen können nur Kollisionen temperaturerhöhend wirken, da durch sie Möglichkeiten entstehen, dass Teilchen schneller durch die Gegend fliegen. Kollisionen können aber auch kühlend wirken, zum Beispiel, wenn Sauerstoff‐​Atome auf CO2-Moleküle treffen:

»In der oberen Erdatmosphäre regen Zusammenstöße mit O‑Atomen aus der Umgebung die CO2-[0000]-Schwingungspopulation im Grundzustand effizient zum ersten angeregten [0110]- oder ν2‐​Schwingungszustand an. Die anschließende Entspannung der ν2‐​Population erfolgt durch spontane Emission von 15‐​μm‐​Strahlung. Ein großer Teil dieser Strahlung entweicht in den Weltraum, wodurch der Atmosphäre kinetische Energie entzogen wird.«37

Sauerstoff‐​Entspannung

Wüssten die Teilchen, wie kompliziert ihre Entspannung ist, fänden sie es wahrscheinlich entspannender, erregt zu bleiben.38 Zur Illustration einige Entspannungsmöglichkeiten des im Vergleich zu H2O und CO2 einfach gebauten Sauerstoffs in der mittleren Atmosphäre (etwa 60 bis 90 km Höhe):

In der Grafik nimmt das Energienivieau von oben nach unten ab. Rechts oben, rot umrahmt, ist ein erregter Zustand von O2 symbolisiert.39 Dieser entstand nach Absorption von Photonen der Sonne durch zwei einzelne O‑Atome, die sich im dadurch angeregten Zustand nach Zusammenstoß mit irgendeinem anderen Teilchen (»M«) zu einem Sauerstoffmolekül O2 verbinden konnten (»O+O+M«). Die durchgezogenen schwarzen Pfeile, die mit »q« beschriftet sind, kennzeichnen Entspannungen durch Kollisionen mit einem anderen Teilchen (Quenching). Die gestrichelten schwarzen und roten Pfeile kennzeichnen das Ausspucken von Photonen. Auf hohem Energieniveau kann es zur Photodissotiation kommen (blau eingezeichnet). Unten in Grün ist die Absorption eines Photons zu sehen (J1). Darauf kann O2 mit der Abgabe eines Photons derselben Wellenlänge reagieren (A2) oder, wenn es zwischendurch mit anderen Teilchen kollidiert und dadurch Energie verliert (q2), mit der Abgabe eines Photons größerer Wellenlänge, d.h. niedrigerer Energie (A3), oder es kann die Energie durch nochmalige Kollision loswerden (q3).

Gemäß der üblichen Naturgesetze kommt aus den Entspannungen der Luftteilchen nicht mehr Energie heraus als die ursprünglich absorbierten Photonen mitbrachten.

CO2-Entspannung

Um die Entspannungsvorgänge in der Atmosphäre zu erfassen, wird mit Modellen und Simulationen gearbeitet. Als Beispiel eine Konferenzunterlage von 2021 mit dem Titel »Simulationen der CO2-Multitemperatur‐​Schwingungskinetik auf der Grundlage von neuen Relaxationszeitmodellen« – in nichtwissenschaftlicher Sprache ungefähr: Simulationen von CO2-Schwingungsbewegungen, die unterschiedliche Temperaturen und neue Modelle von Entspannungszeiten berücksichtigen:

»Die Modellierung der Schwingungskinetik in Kohlendioxid‐Strömen ist von entscheidender Bedeutung für die Erforschung des Mars und für Umweltprogramme auf der Erde. […] Es gibt zwei Hauptrichtungen zur Verbesserung der Genauigkeit von Multitemperatur‐Modellen in polyatomaren Gasen: Erhöhung der Modellkomplexität durch Einführung von Schwingungstemperaturen aller Schwingungsmodi und Entwicklung zuverlässiger Modelle für Schwingungsrelaxationszeiten unter Berücksichtigung verschiedener Relaxationskanäle. Da experimentelle Daten zur Relaxationszeit nur in begrenzten Temperaturbereichen gewonnen werden, sind theoretische Ansätze, die auf hochpräzisen Daten für die Querschnitte von Schwingungsenergieübergängen beruhen, von großer Bedeutung. Kürzlich haben wir ein kinetisch‐​theoretisches Modell für die Auswertung von Relaxationszeiten bei Kohlendioxid entwickelt. Das Modell basiert auf der Mittelwertbildung der Schwingungsenergievariation während verschiedener Übergänge mit Ein‐​Temperatur‐ oder Multi‐​Temperatur‐​Schwingungsverteilungsfunktionen; die Übergangswahrscheinlichkeiten werden entweder mit dem SSH‐​Modell (Schwartz/​Slawsky/​Herzfeld‐​Methode) oder dem Modell des erzwungenen harmonischen Oszillators (FHO) erster Ordnung berechnet. […] Für das FHO‐​Modell und die experimentellen Zeiten sind die Temperaturen der gekoppelten und der asymmetrischen Schwingungsmodi kaum unterscheidbar, während bei der SSH‐​Theorie die Relaxation im asymmetrischen Schwingungsmodus aufgrund der zu niedrig vorhergesagten Raten der Schwingungsübergänge zwischen den Schwingungsmodi deutlich langsamer verläuft. Die Verwendung der FHO‐ und SSH‐​Modelle führt also zu unterschiedlichen Mechanismen der Schwingungsrelaxation.«40

Wer nur »Bahnhof« verstanden hat wie ich, kann mitnehmen: Der Kram lässt sich nicht mal eben ausmessen oder in Weckgläsern vorführen.

Leistungen

Alle in den Spektren oben gezeigten Teilchen sind befähigt, Strahlungsenergie sowohl in der unteren Atmosphäre zurückzuhalten als auch Energie aus der unteren Atmosphäre herauszuhalten oder herauszutransportieren.

Die im Folgenden genannten Zahlen – die neuesten, die ich jeweils finden konnte – sollen als Anhaltspunkte dienen, um ganz grob allgemeine Größenordnungen beteiligter Energien einschätzen zu können. Die Zahlen sind keine Messwerte, sondern anhand von Messwerten ermittelte Ergebnisse von Modellrechnungen. Nach den Temperaturwert‐​Erfahrungen vorangegangener Folgen wäre besser zu prüfen als es mir möglich war, ob oder inwiefern die Zahlen Genauigkeiten vorspiegeln, die nicht zu rechtfertigen sind.

Über O2 und N2 heißt es in einer Studie von 2012, deren Ergebnisse bis mindestens 2020 verwendet wurden:

»Es ist eine weit verbreitete Auffassung, dass die beiden Hauptbestandteile der Atmosphäre, molekularer Stickstoff (N2) und molekularer Sauerstoff (O2), ›fast keinen Treibhauseffekt‹ ausüben […] Daher werden N2 und O2 manchmal nicht als natürliche Treibhausgase betrachtet«. – »Wir fanden heraus, dass im globalen Durchschnitt bei klarem Himmel die OLR [outgoing longwave radiation – von der Erde und unteren Atmosphäre ins Weltall abgestrahlte langwellige Strahlung] aufgrund von O2 um 0,11 W/​m2 und aufgrund von N2 um 0,17 W/​m2 reduziert wird.«41

TOA und OLR

Die Angabe W/​m2 im letzten Zitat kann man sich ungefähr vorstellen als: Anzahl von Photonen mit gewissen Energien (h·f), die jede Sekunde am oberen Rand der Atmosphäre (TOA) eine Fläche von einen Quadratmeter Richtung Weltall durchqueren (negativer Strahlungsantrieb) bzw. pro Sekunde durch Absorptionen daran gehindert werden (posititver Strahlungsantrieb). »TOA« steht für »top of atmosphere«; meistens ist die Tropopause gemeint, d.h. der Bereich unmittelbar oberhalb des Bereiches, in dem sich das Wetter abspielt (Troposphäre). Die Energie aller Photonen mit Frequenzen des langwelligen Bereichs zusammengenommen, die es über die TOA hinaus ins Weltall schaffen, ist die OLR (outgoing longwave radiation – ausgehende langwellige Strahlung).

Die OLR bildet eine entscheidende Komponente, um erwärmende und abkühlende Effekte der unterschiedlichen Luftteilchensorten nach Photonenabsorptionen ermitteln zu können.

»Unser Verständnis des Klimasystems der Erde und unsere Fähigkeit, künftige Klimaveränderungen zu modellieren, hängen von genauen Messungen der ausgehenden langwelligen Strahlung (OLR) der Erde (W/​m2) am oberen Rand der Atmosphäre (TOA) ab (d.h. der Strahlung, die vom System Erde‐​Atmosphäre ausgesandt wird und in den Weltraum gelangt). Zwar wird die OLR seit mehr als vier Jahrzehnten mit speziellen Breitbandinstrumenten überwacht, doch liefern diese nur die spektral integrierte OLR über einen breiten Spektralbereich, was es schwierig macht, die einzelnen Auswirkungen der verschiedenen Klimatreiber (insbesondere der Treibhausgase) zu bewerten«.42

Laut NASA‐​Dokumentation liegen die Unsicherheiten bei der Schätzung von Strahlungsflüssen an der TOA durch das Satellitensystem CERES/​EBAF bei etwa 3 bis 8 W/​m2 (Quadratwurzel des mittleren quadratischen Fehlers).43

Erschwernisse entstehen auch durch Unordentlichkeiten der Natur. Über demselben Erdgebiet kann die OLR von einem Monat zum anderen um einige zig W/​m2 steigen oder fallen.44 Zudem ändert sich über die Erde verteilt die OLR um rund 100 W/​m2 und die eintreffende Sonnenenergie um knapp 300 W/​m2. An den Polen strahlt die Erde mehr Energie ins Weltall als von der Sonne hereinkommt und in den Tropen strahlt die Erde weniger Energie ins Weltall als von der Sonne hereinkommt. Winde, Meeresströmungen und Kräfte der Erdrotation verteilen die daraus resultierenden Energieunterschiede über den Erdball.

Die Monatsmittelwerte der global gemittelten OLR schwanken um etwa ±1 W/​m2 .45 So auch die kurzwellige Sonnenstrahlung, die Erde und Atmosphäre absorbieren (ASR – absorbed shortwave radiation).46

Zieht man von der ASR die OLR ab, kommt die EEI heraus: das »Energieungleichgewicht der Erde« (»Earth’s Energy Imbalance«): EEI = ASR – OLR.47

Eine Studie von 2024 berichtet:

»Das Gleichgewicht zwischen der von der Erde absorbierten solaren Strahlungsenergie und der in den Weltraum abgestrahlten thermischen Infrarotstrahlung (auch Energieungleichgewicht der Erde oder EEI genannt) bestimmt, ob sich die Erde erwärmt oder abkühlt«.

»Satellitenbeobachtungen des Wolken‐ und Strahlungsenergiesystems der Erde zeigen, dass sich das Energieungleichgewicht der Erde von 0,5 ± 0,2 W/​m2 in den ersten zehn Jahren dieses Jahrhunderts auf 1,0 ± 0,2 W/​m2 im letzten Jahrzehnt verdoppelt hat. […] Es gibt mehrere Hinweise darauf, dass die EEI zunimmt. […] Die Beschleunigungsrate für 1960 bis 2020 beträgt 0,15 ± 0,05 W/​m2 pro Jahrzehnt und 0,30 ± 0,28 W/​m2 pro Jahrzehnt für den jüngeren Zeitraum zwischen 2002 und 2020.« 48

Soetwas sollte man wohl nicht im Physikunterricht bei Messaufgaben machen: »Hallo Herr Lehrer, wir haben gemessen, wie dick das Physikbuch ist! Es ist 30 ± 28 mm dick, also zwischen 2 mm und 58 mm. Das Mathebuch dagegen ist zwischen 10 und 20 mm dick. Also ist das Physikbuch dicker!«

Was in vielen Erklärungen und Berechnungen ignoriert zu werden scheint: Die Erde strahlt nicht nur Energie in langwelligen Frequenzen ab, sondern auch in kurzwelligen. Die kurzwellige Abstrahlung wird »OSL« genannt (outgoing shortwave radiation). Die OSL hängt stark von der Jahreszeit ab. Mal ist sie über dem Nordpol sehr groß, mal über den Tropen und mal über dem Südpol (Animation der NASA dazu).49

Strahlungseffekte von H2O

Atmosphärischer Nichtwolken‐​Wasserdampf, auch »Luftfeuchtigkeit« genannt, reduziert laut einer Studie von 2012 bei wolkenfreiem Himmel die OLR im globalen Mittel um 63,7 W/​m2.50 In einem wissenschaftlichen Artikel von 2013 ist von 77,3 W/​m2 die Rede, was vielleicht an einer anderen Berechnungsweise oder Begriffsbestimmung liegt.51

Im fünften Sachstandsbericht des »Weltklimarats« (IPCC) von 2013 heißt es über Wolken:

»Bewölkung hat einen globalen und jährlichen kurzwelligen Strahlungseffekt (SWCRE) von etwa ‑50 W/​m2 und […] einen mittleren langwelligen Strahlungseffekt (LWCRE) von etwa +30 W/​m2, mit einer Schwankungsbreite von 10 % oder weniger zwischen den veröffentlichten Satellitenschätzungen«.52

Beim Wasser in der Atmosphäre spielt etwas eine Rolle, das »Wasserdampf‐​Kontinuum« heißt. Anders als die üblichen Absorptionsspektren, die oben gezeigt werden, absorbiert das Wasserdampf‐​Kontinuum Photonen aller möglichen Frequenzen, einschließlich der Lieblingsfrequenzen des CO2. Um 2020 herum war noch unklar, was es damit auf sich hat:

»Die Ursache für dieses Kontinuum ist nicht bekannt, es wird jedoch vermutet, dass es auf eine Kombination aus einer Verbreiterung der fernen Flügel, z.B. durch Kollisionseffekte, und einer Absorption durch Wasserdimere (gebundene oder quasi‐​gebundene Komplexe aus zwei Wasserdampfmolekülen) zurückzuführen ist«.53

Studien von 2020 und 2021 berichten über Unterschiede, die aus unterschiedlichen Berechnungsweisen des Wasserdampf‐​Kontinuums entstehen:

»Die Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche (bei wolkenfreiem Himmel) erreicht, ist beim Kontinuumsmodell MT_CKD2.5 im globalen Durchschnitt um etwa 1,2 W/​m2 und beim [Kontinuumsmodell] CAVIAR (Continuum Absorption in the Visible and Infrared and its Atmospheric Relevance) um 0,74 W/​m2 mehr reduziert«. 54

Vor etwa zwei Jahren wurden neue Berechnungsweisen eingeführt, die mit dem Wasserdampf‐​Kontinuum zu tun haben. Sie veränderten die Strahlungsflüsse der Atmosphäre, die bei Satellitenbeobachtungen herauskommen. Über den Tropen, d.h. der halben Erdoberfläche, wird gegenüber den vorangegangenen Berechnungsweisen die aufwärts gerichtete Strahlungsleistung um 0,13 W/​m2 größer. In den Sommern mittlerer Breiten wird die abwärts gerichtete Leistung um 0,28 W/​m2 kleiner. Im subarktischen Sommer wird die abwärts gerichtete Leistung um 0,6 W/​m2 kleiner.55

Eine Studie von 2023, die anti‐​russischen Boykottmaßnahmen entgangen zu sein scheint, berichtet über die Auswirkungen des Kontinuums, wenn sich die Luftfeuchtigkeit ändert:

»Für die Sommerbedingungen des Jahres 2021 in der unteren Wolgaregion wurde der Einfluss der Wasserdampf‐​Kontinuumsabsorption in der Atmosphäre auf den CO2-Strahlungsantrieb […] geschätzt. […] Es zeigt sich eine Abnahme des CO2-Beitrags zur Strahlungswirkung auf die Erdoberfläche mit zunehmender Feuchtigkeit, was zu einer schwächeren Erwärmung der Oberfläche und einer stärkeren Erwärmung der Atmosphäre führt.« 56

Ein 2019 und 2022 beschriebenes Wasserproblem bezieht sich auf den Ultraviolett‐Bereich:

»In der Literatur gibt es Diskussionen über das Ausmaß der Nah‐​UV‐​Absorption von Wasserdampf. […] Die Abhängigkeit der Nah‐​UV‐​Absorption durch Wasserdampf von der Temperatur ist nicht bekannt.« 57

»Die Absorption der Sonnenstrahlung durch Wasserdampf im nahen UV‐​Bereich ist ein schlecht verstandenes, aber wichtiges Thema in der Atmosphärenforschung. […] Die Einbeziehung von Wasserdampf‐​Absorptionsquerschnittsdaten in ein Strahlungstransfermodell ergab für die Standardatmosphäre ein geschätztes Energiebudget von 0,26 W/​m2 in den USA und 0,76 W/​m2 in den Tropen. Dies zeigt, dass die Nah‐​UV‐​Absorption des Wasserdampfs einen wichtigen Beitrag zur Klimasimulation leistet«. 58

»Die Absorption von Wasserdampf im Bereich von 290 – 350 nm [0,29 – 0,35 µm] wird durch theoretische Berechnungen und Multiphotonen‐​Anregungsstudien auf Oberton‐ und Kombinationsbanden mit mindestens neun Anregungsquanten zurückgeführt. Wir führten eine vorbereitende experimentelle Studie durch. […] Wir schätzen, dass die Nah‐​UV‐​Absorption von Wasserdampf ein Energiebudget von etwa 0,81 W/​m2 für Miami, FL um 12 GMT am 1. Juli des Jahres 2020 hatte. Obwohl die Effekte dieser einfachen Simulationen nur geringfügig zu sein scheinen, könnten sie erhebliche Auswirkungen haben«. 59

Strahlungseffekte von CO2

Dem Energiebudget der Nah‐​UV‐​Absorption durch Wasserdampf bei Miami oder auch dem CAVIAR/​MT_​CKD-Berechnungsunterschied entspricht ungefähr der Wert dessen, was Menschen laut IPCC‐​Sachstandsbericht von 2021 im laufenden Atmosphärenbetrieb durch ihre Treibhausgas‐​Emissionen bewirken: 0,79 ± 0,27 W/​m².60 Seit 1750 bis 2019, so das IPCC, reduzierten Menschen die OLR um 2.16 W/​m2 (zwischen 1,90 und 2,41 W/​m2).61

Insgesamt reduziert CO2 laut einer Studie von 2012 die OLR um 26,8 W/​m2.62 In einem wissenschaftlichen Artikel von 2013 ist von 38,2 W/​m2 die Rede, was an einer anderen Berechnungsweise oder Begrifflichkeit liegen kann.63

Der Effekt, den zusätzliches CO2 auf den Strahlungsantrieb hat, sinkt nach allgemeiner Meinung mit zunehmendem atmosphärischen CO2-Gehalt. Die folgenden Grafiken veranschaulichen diesen Effekt bezogen auf die von der Erde ins Weltall abgegebene Strahlung anhand einer vereinfachenden Schätzung. Sie entstanden anhand einer Studie, die zwei Wissenschaftler des »Keine Panik!«-Klimalagers mit hochkarätigen Karrieren in der etablierten Physik‐​Szene verfassten und nicht in einer etablierten Fachzeitschrift erschien.64

Grafik A zeigt die Situation einer wolkenlosen Atmosphäre, die alle normalerweise dort vorhandenen Teilchen enthält – außer CO2. Steigt in der Atmosphäre der CO2-Gehalt von Null auf 400 ppm, entsteht bei 15 µm eine riesige CO2-Kuhle (B). Photonen dieses Frequenzbereichs kommen nur noch ungefähr zur Hälfte ins Weltall durch. Steigt der CO2-Gehalt von 400 auf 800 ppm, ist kaum ein Unterschied zu sehen (C).

Alle drei Kurven zusammen:

Die kleinere Kuhle rechts neben der CO2-Kuhle entsteht vor allem durch Ozon O3.65 Die schwarze gebogene Linie zeigt an, wie die OLR aussähe, würde die Erde als glattpolierter Körper mit 15,55 °C Körpertemperatur ohne atmosphärische Hindernisse das physikalisch maximal Mögliche abstrahlen (Schwarzkörperstrahlung).66

Die gesamte OLR beträgt etwa 340 W/​m2.67 Im Fall der Verdoppelung von 400 auf 800 ppm kam in der Studie zu den Grafiken oben eine Reduktion der Strahlung von rund 3 W/​m2 heraus. Laut einer Studie von 2022 gehört es zu den »grundlegenden Fakten der Klimawissenschaft«, dass jede Verdoppelung der atmosphärischen CO2-Konzentration etwa 4 W/​m2 Strahlungsreduktion mit sich bringt – wofür sich, so die Studie, »in der Fachliteratur konkurrierende Erklärungen finden«.68

Zur Kontrolle suchte ich in etablierten Fachzeitschriften nach ähnlichen Grafiken und fand eine Studie von 2019, die mit Hilfe einer neuen Satellitenmesseinrichtung, die mit Wolken besser klar kommt, eine genauere OLR‐​Berechnung zustande bringen wollte.69 Vereinfacht abgezeichnet sieht danach der OLR‐​Unterschied zwischen 400 und 800 ppm CO2 so aus:

In der Studie heißt es dazu: »Bei einer angenommenen CO2-Konzentration von 800 ppm […] wurde die OLR um etwa 1 W/​m2 reduziert.«70

2016 kam eine Studie, die eine Studie von 2023 als noch brauchbar einschätzt, zum Ergebnis, dass eine Verdoppelung des atmosphärischen CO2-Gehalts die ausgehende Strahlung im Durchschnitt um 2,3 W/​m2 reduzieren würde. Interessant sind die unterschiedlichen Werte, aus denen der Durchschnitt gebildet ist:

»Der Strahlungsantrieb eines homogenen Treibhausgases (HGG) kann sehr inhomogen sein, da er von anderen atmosphärischen und oberflächennahen Variablen abhängt. Im Fall einer CO2-Verdoppelung [des gesamten CO2 in der Atmosphäre, nicht nur des menschlichen Beitrags] variiert der monatliche mittlere unmittelbare [instantaneous] Antrieb am oberen Rand der Atmosphäre geographisch und zeitlich von positiven zu negativen Werten, wobei die Spanne (-2,5 bis 5,1 W/​m2) mehr als dreimal so groß ist wie der globale Mittelwert (2,3 W/​m2). Die vertikale Temperaturveränderung in der Atmosphärensäule (Temperaturgradient) ist der beste einzelne Prädiktor für die Erklärung von Schwankungen des Strahlungsantriebs. Darüber hinaus tragen auch die Maskierungseffekte von Wolken und Wasserdampf zur Inhomogenität des Strahlungsantriebs bei.« 71

In einem Forschungsbericht von 2023 heißt es, normalerweise sei der Strahlungsantrieb von CO2 positiv und unter gewissen Umständen negativ:

»Kohlendioxid (CO2) ist als wichtiges Treibhausgas dafür bekannt, dass es die Langwellenemission der Erde verringert und damit einen positiven Antrieb hervorruft, der den Nettoenergiefluss in das Erdsystem erhöht. In dieser Studie erörtern wir die Ursache für den negativen Antrieb, bei dem CO2 die langwellige Emission erhöht, was am häufigsten in der Antarktis und unter einigen seltenen Bedingungen in der Arktis und den Tropen geschieht. […] Im Gegensatz zur herkömmlichen Meinung hat die oberflächennahe Inversion [steigende, statt sinkende Temperatur mit zunehmender Höhe] nur einen geringen Einfluss auf den Antrieb. [… B]ei einer höheren CO2-Basiskonzentration reagiert der unmittelbare TOA‐​Antrieb empfindlicher auf die Änderungen der Emissionsschicht in der Stratosphäre, während die Troposphäre und die Oberflächentemperatur bei einem sehr niedrigen CO2-Szenario mehr Gewicht haben könnten. Dies kann eine nicht‐​monotone Abhängigkeit des Antriebs durch die CO2-Konzentration mit sich bringen«.72

Bei all dem ist zu berücksichtigen, dass es nur um unmittelbare Strahlungseffekte von CO2 geht. Klimakatastrophale Aussichten entstehen aus Folgewirkungen, die diesen unmittelbaren Strahlungseffekten zugeschrieben werden.

Gesamtantrieb

Eine beliebte Laienfalle ist die Annahme, mit steigendem atmosphärischen CO2-Gehalt müsse die von der Erde ins Weltall abgestrahlte Energie (OLR) abnehmen, weil CO2 ja Energie »festhält«. Laut einer Studie von 2023 nimmt die OLR jedoch zu:

»Die Beobachtung des durch gut gemischte Treibhausgase verursachten globalen Strahlungsantriebs war aufgrund unregelmäßiger, unkalibrierter oder flächenmäßig begrenzter Messungen bisher schwer zu erfassen. Der Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) auf dem Aqua‐​Satelliten der NASA hat jedoch kürzlich die erforderlichen Daten geliefert (2003 – 2021). Diese beispiellosen Beobachtungen liefern Messungen der von der Erde abgestrahlten thermischen Wärme bei präzisen Wellenlängen, d.h. im Infrarotspektrum, und ermöglichen es uns, die Auswirkungen der Erhöhung der Treibhausgaskonzentration auf das Klima der Erde genau zu bestimmen […] Unsere Studie liefert […] eine solide Bestätigung der physikalischen Grundlagen des Klimawandels. […]

Wir stellen fest, dass hyperspektrale Infrarot‐​Satellitenbeobachtungen zwischen 2003 und 2021 eine Abnahme der OLR in den CO2-, CH4- und N2O‑Bändern und eine Zunahme der OLR in den Wasserdampf‐ und Fensterbändern zeigen. Letztere übersteigt die erstere, so dass sich ein positiver Breitband‐​OLR‐​Trend ergibt. Wir haben neuartige globale Strahlungstransfersimulationen durchgeführt und gezeigt, dass die beobachteten Veränderungen auf steigende CO2-, CH4- und N2O‑Konzentrationen zurückzuführen sind, die Folgendes bewirken: (a) einen IRF [unmittelbaren Strahlungsantrieb – instantaneous radiative forcing], der die Emission in den CO2-Flügeln, CH4- und N2O‑Bändern verringert (‑0,21 W/​m2 pro Jahrzehnt), (b) eine Abkühlung der Stratosphäre, die die Emission im O3-Band und im Kern des CO2-Bands verringert (-0,10 W/​m2 pro Jahrzehnt), und (c) ein wärmerer Planet, der die Emission im gesamten Infrarotspektrum und insbesondere in den H2O‑Rotations‐ und Fensterbändern erhöht (0,45 W/​m2 pro Jahrzehnt).«73

AIRS kann den Frequenzbereich von 3,7 bis 15,4 µm erfassen, d.h. bekommt den oben als »wichtig« bezeichneten CO2-Wellenlängenbereich von 12 bis 20 µm nur zum Teil mit.74 Bei mittlerer bis starker Bewölkung sind hyperspektrale Infrarot‐​Satellitenbeobachtungen, sagen Bescheidwissende, praktisch unbrauchbar.75 Eine Studie, die 2023 erschien, berichtet über Unterschiede zwischen gängigen OLR‐​Berechnungsmethoden von rund 2 bis 5 W/​m2.76

2020 schätzten Wissenschaftlerinnen in einem Papier der American Meteorological Society die OLR‐​Situation wie folgt ein:

»Die in den Weltraum ausgestrahlte langwellige Strahlung (OLR) ist eine grundlegende Komponente des Energiehaushalts der Erde. Es gibt zahlreiche, miteinander verflochtene physikalische Prozesse, die zur OLR beitragen und die den Klimawandel antreiben und auf diesen reagieren.

Spektral aufgeschlüsselte Beobachtungen können diese Prozesse entwirren, aber technische Beschränkungen haben genaue weltraumgestützte Spektralmessungen, die das ferne Infrarot (FIR) von 100 bis 667 cm-1 (Wellenlängen zwischen 15 und 100 µm) abdecken, verhindert. Das FIR‐​Spektrum der Erde ist daher im Wesentlichen ungemessen, obwohl mindestens die Hälfte der OLR aus diesem Spektralbereich stammt.«77

Dies sagte auch Xianglei Huang, ein an NASA‐​Missionen beteiligter Professor, in einem Vortrag bei der NASA 2023.78 Das Neueste, das ich dazu finden konnte, stammt vom Frühjahr 2024:

»Bis heute sind keine genauen Statistiken und Klimatologien für Wolkenparameter verfügbar. […] Das FORUM‐​Experiment (Far‐​infrared Outgoing Radiation Understanding and Monitoring), die neunte Earth‐​Explorer‐​Mission der Europäischen Weltraumorganisation, wird zum ersten Mal vom Weltraum aus das gesamte von der Erde abgestrahlte Spektrum von 100 bis 1600 cm-1 spektral aufgelöst messen.«79

Zusammenfassung

Alles in allem scheinen die Dinge bei den Strahlungsantrieben wie bei den Temperaturanomalien zu laufen (7. Folge): »Die Klimawissenschaft« kämpft mit Werten, die im Bereich technologisch bedingter Messungenauigkeiten liegen oder in natürlichen Schwankungen untergehen, um ihnen eine den Menschen zuschreibbare physikalische Wirkung abzutrotzen.

Immerhin kam bis hierhin heraus, dass CO2 in naturwissenschaftlich verträglicher Weise Lufttemperaturen erhöhen kann: durch Kollisionen während der Entspannungsphase nach Photonenabsorptionen, die ohne CO2 nicht stattfinden würden, wenn die Kollisionen zu erhöhten Fluggeschwindigkeiten von Teilchen durch die Gegend führen.

Lässt sich aus einer geringen bis nicht vorhandenen Messbarkeit eines menschengemachten CO2-Antriebs schließen, dass, wenn menschliche Aktivitäten physikalische Wirkungen auf das Klima haben, diese gering sein müssen? Gibt es zur Aussage »Eine erhöhte atmosphärische CO2-Konzentration kann die Lufttemperatur erhöhen« trotz der messtechnischen Schwierigkeiten handfeste physikalische Nachweise dafür, dass bzw. um wie viel erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen die Lufttemperatur erhöhen? Zur nächsten Folge mache ich mich auf die Suche nach Antworten auf diese nun nicht mehr ganz so naiv gestellten Fragen.

Fußnoten

1 Um das mal erwähnt zu haben: im Physik‐​Jargon ist bei »schnelleren Flüge durch die Gegend« von »translatorischer kinetischer Energie« die Rede – im Unterschied zu vibratorischer und rotatorischer kinetischer Energie.

2 Weil wie bei der Erdatmosphäre die Energie aus zwei Richtungen kommt, von oben und vom Körper, kann schwarze Kleidung bei viel Sonne trotzdem angenehmer sein.

3 Weißes T‑Sirt von Wikimedia Commons | GlennD09, schwarzes T‑Shirt von Wikimedia Commons | Adam4267

4 Dass der Fernsehprofessor Harald Lesch ähnliche Peinlichkeiten veranstaltet hat, erfuhr ich erst kürzlich . Dies als Beispiel zu nehmen, wäre SEO‐​wirksamer gewesen. – Jüngst kam die Klimakoffer‐​Affaire hinzu. Norbert Häring berichtet.

5 Beispiele dafür beziehen sich oft auf Hochheben. Aber funktioniert das? Muss man nicht, wenn man etwas langsamer hochhebt, länger gegen die Gravitation anarbeiten, so dass mehr Joule nötig sind?

6 D Yuan, Q Liu: Photon energy and photon behavior discussions . Energy Reports Volume 8, Supplement 2, May 2022, pp. 22 – 42, DOI 10.1016/j.egyr.2021.11.034. Das Zitat verweist auf: M Born, PC Clemmow et al.: Principles of optics. 60th Anniversary Edition 2019, Cambridge U. Press, London (2019), pp. Xxxii-xl.Sämtliche Zitate aus englischsprachigen Quellen sind unautorisiert übersetzt. Literaturverweise bzw. Fußnotennummern wurden teilweise zur besseren Lesbarkeit nicht mitzitiert. In eckigen Klammern stehen Zusätze, die nicht Teil des Zitats sind.Kurzerklärung des Welle/​Teilchen‐​Dualismus in Deutsch. – Vortrag über Photonen von Klaus Peter Haupt beim Schülerforschungszentrum Nordhessen (mit vielleicht Fehlern: Lichtbrechung im Glas bedeutet nicht Geschwindigkeitsverlangsamung, sondern Wegverlängerung) – Schöne Vorlesung eines Experimentalphysikers zur Teilchen/​Welle‐​Frage für Ahnungslose in Englisch: Charles S. Adams 2018 Durham University (unten rechts beim Zahnrad gibt’s eine automatische Übersetzung). Der Teilchen/​Welle‐​Dualismus lässt sich vielleicht auflösen, indem man sich das, worin Wellen sich ausbreiten, also mindestens den Raum, als eine Art flüssigen Schaum (Äther?) »vorstellt«, und Teilchen als energetische Ausstülpungen dieses Schaums. Siehe z.B. Arvin Ash: What Is A Particle? A Visual Explanation of Quantum Field Theory.

7 Bei Lichtgeschwindigkeit vergeht für Photonen keine Zeit und sind von ihnen keine Strecken zu überbrücken. ( Do photons experience time?Wie erlebt das Licht die Raumzeit wirklich?Warum ist Glas transparent?) Nach Darstellungen, die vorherrschend zu sein scheinen, können Photonen keine Masse haben, weil dies bewährten physikalischen Formeln widerspräche (siehe dazu Diskussion bei StackExchange). Nach anderen Darstellungen haben Photonen eine klitzekleine Masse, die im Klima‐ Zusammenhang aber wohl ignoriert werden könnte, wenn es sie gäbe. Nicht mit Photonen zu verwechseln sind »virtuelle Photonen«, denen Masse und Geschwindigkeitsänderungen zugeschrieben werden (englisches Wikipedia und D Yuan, Q Liu: Photon energy and photon behavior discussions . Energy Reports Volume 8, Supplement 2, May 2022, pp. 22 – 42, DOI 10.1016/j.egyr.2021.11.034. Ich gehe (erstmal) davon aus, dass die zur Zeit vorherrschende Physik wahr und richtig ist, doch das lässt sich aus wissenschaftlicher Sicht bezweifeln. Siehe z.B. O Consa (2021): Something is wrong in the state of QED See the Pattern (2023): Quantum Electrodynamics is rotten at the corePM Robitaille: A Re‐​examination of Kirchhoff’s Law: Reply. Letters to Progress In Physics Vol. 12 (2016) Issue 3 (April – July)

9 Anstelle von f wird häufig der griechische Buchstabe ν verwendet (sprich: nü).

10 Warnung: Die Planck/​Einstein‐​Gleichung bezieht sich auf ein Photon, aber das Photon hüpft nicht mit einer Frequenz f auf und ab. Die Frequenz ist eher eine Art Wahrscheinlichkeitsverteilung, aber eine, die nicht durch mangelhafte Messmöglichkeiten entsteht, sondern eine, die dem Photon »innewohnt«. Schulisch machbare Experimente dazu: Laserpointer und HaarLaserpointer, Kartoffeln und Rasierklingen; technisch aufwändigeres, aber sehr schönes Experiment: Young’s Double Slit Interference with single photon particles. Eigentlich ist ALLES dasselbe Zeugs, auch z.B. Elektronen, Fußbälle, Menschen, Elefanten … aber die Frequenz größerer Dinge ist demaßen hoch, dass sie bisher nicht messbar ist ( MIT 5.111 Principles of Chemical Science, Fall 2014).

11 Siehe dazu Vorlesung von Paul Wagner, Universität Wien 2019: PH II – 49 Einführung in die Quantenmechanik. (Die Ableitung von p = h/​λ dort scheint mir nur oberflächlich hübsch, denn die klassische Impulsgleichung ist nur gut für Situationen unterhalb der Lichtgeschwindigkeit und E = m·c2 gilt nur für ruhige Dinge mit einer Masse größer als Null.)

12 Kurzvortrag »Wechselwirkung von Licht/​Photonen mit Materie« in Deutsch. Z Lu, YC Chang et al.: Photochemistry. Evidence for direct molecular oxygen production in CO₂ photodissociation. Science. 2014 Oct 3;346(6205):61 – 4. DOI 10.1126/science.1257156. Epub 2014 Oct 2. PMID: 2527860 – JA Schmidt, M Johnson et al.: Carbon dioxide photolysis from 150 to 210 nm: Singlet and triplet channel dynamics, UV‐​spectrum, and isotope effects. Proceedings of the National Academy of Sciences 110/​44 2013, pp. 17691 – 17696, DOI 10.1073/pnas.1213083110

13 Schöne, aber englische, Vorträge zur Atmosphärenchemie unter dem Aspekt des Umweltschutzes: Dr. Vinayak Sinha: Atmospheric Chemistry and Air Pollution (2020) und Dr. Lisa: Intro to photolysis of organic chemicals in the atmosphere (2020). Schöner deutscher Vortrag von Claudi Curie zu einigen Arten der Wirkung von Photonen auf Materie.

14 Übergänge und Rotation erklärt z.B. Michael Biezen: Astronomy 9.1 – Earth’s Atmosphere (10 of 61) 3 Types of Energy of a Gas Molecule. Siehe auch Kate Graham: Rules of Electronic Excitation

15 Das Argument brachten z.B. vier Autoren in der Klimadebatte der Kommunistischen Organisation vor, nachdem sie sich unkritisch hegemoniale populärwissenschaftliche Klimatexte reingezogen hatten und wobei sie Leute mit anderen Auffassungen zum Klima als »Klimaleugner« diffamierten: Thanasis Spanidis, Jakob Schulze, Ernesto Camillo, Hans‐​Christoph Stoodt: Kapitalismus, ökologische Zerstörung und kommunistische Strategie. Kommunistische Organisation – Diskussionstribüne Klima 8.10.2019

17 Hier ist ein Professor beim Massachusetts Institute of Technology (MIT), der die vereinfachte Vorstellung durch die Gegend fliegender Photonen für viele Anwendungsfälle genehmigt. Oft behaupten Bescheidwissende, dass sich die Geschwindigkeit von Photonen in Abhängigkeit zum Medium ändert, etwa in Luft, Glas und Wasser langsamer wird als im Vakuum. Nach quantenmechanischer Lehrmeinung stimmt das nicht. Siehe dazu Vorlesung von Richard Feynman. Kurzzusammenfassung der Vorlesung durch einen Bescheidwissenden: »Licht breitet sich überhaupt nicht durch ein Medium aus. Vielmehr induziert eine elektromagnetische Welle, die an der Grenze zwischen dem Vakuum und einem Material einfällt, eine Polarisationswelle im Material. Es ist diese Polarisationswelle, die sich durch das Material bewegt, nicht das ursprüngliche Licht.« Auf das Sonnentaler Experiment bezogen: Die Photonen aus der Lampe kommen beim Gas im Glas nicht an. Beim Gas im Glas kommt etwas an, das die Glaswand aus ihnen gemacht hat. Je nachdem, was es für ein Glas ist, kann das sehr anders sein als das ursprüngliche Licht. Insbesondere können die Lieblingsfrequenzen von CO 2 und allgemein Infrarot ‑Strahlung am Glas »auflaufen«. Eine mit der quantenmechanischen Lehrmeinung verträgliche Erklärung der Lichtbrechung bietet der beste Physiklehrer der Welt in Englisch. Siehe auch StackExchange: How does a photon travel through glass?

18 Schöne Reise ins Kleine von Markus Peinze (wobei man nicht alle Virendinge richtig finden muss …).

19 Siehe z.B. Seema Dhawan (2017): Quantum mechanical Model of An Atom (Part 1) – Khan Akademy(2021): Electronic transitions and energy (Frage/​Antwort‐​Abteilung unten)

20 Chun‐​Yi Lin & Zhou Lu (editors): Selection rules and transition moment integral. LibreTexts Chemistry. Jede Resonanzfrequenz hat eine gewisse Bandbreite, was Aaron Parsons in Englisch erklärt.

21 Schöne Erklärung zur Spektroskopie in Englisch. In der Spektroskopie dominiert die vereinfachende Vorstellung, Photonen würden durch das Medium hindurchfliegen. Das genügt für die Praxis, da zum Beispiel das Behältermaterial für Gase so gewählt wird, dass die Vorstellung zu den Messergebnissen passt. Gemessen wird im Grunde genommen, wie viel frequenzspezifische Energie vorne hinein und hinten herauskommt. Passt das Messergebnis nicht zur Theorie, ist das Behältermaterial ungeeignet, nicht die Theorie falsch.

22 Interaktives Spiel zur Veranschaulichung (auf den grünen Knopf der Lampe klicken).

23 Genauer: Die Spektren wurden nach HITRAN2020 und Spectralcalc​.com mit folgenden Einstellungen gezeichnet: length 10 cm, pressure 1013.25 mbar (=101325 Pa) , temperature 296 K (=22,85 °C) , VMR 0.1. In professionellen Darstellungen von Absorptionsspektren ist der hellblaue Bereich weiß. Ich habe ihn als Verständnishilfe ausgemalt.

24 In der Spektroskopie gilt die Konvention: sämtliche Photonen fliegen mit derselben Geschwindigkeit c , Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, durch die Welt. So lassen sich Hz‐​Angaben unabhängig von Umgebungsbedingungen eindeutig in Angaben mit Zentimetern oder Mikrometern umrechnen. In der allgemeinen Physik ist es komplizierter. (Paschotta: Wave number. RP Photonics Encyclopedia, englische Wikipedia).

25 Es gibt mehrere solche Fenster. Als Grenzen des Infrarot‐​Fensters werden manchmal auch 1 2 bis 8 µm angegeben. Wasserdampf kann es mit Gardinen behängen (siehe »Wasserdampf‐​Kontinuum« unten).

27 Lexikon der Physik: Linienformen. Spektrum​.de – Quantenmechanik‐​Tutorial: Rotationsschwingungsspektren,TU Graz. Die Spekroskopie‐​Szene hat etwas Handwerkliches an sich, wie nicht nur an der Terminologie zu merken ist, sondern auch an der Geradlinigkeit, mit der in ihren wissenschaftlichen Texten auf Mängel hingewiesen wird.

28 W Zhong, J D Haigh (Department of Physics and Grantham Institute for Climate Change, Imperial College London): The greenhouse effect and carbon dioxide. Weather – April 2013, Vol. 68, No. 4. – PS Wei, YC Hsieh et al.: Absorption coefficient of carbon dioxide across atmospheric troposphere layer. Heliyon. 2018 Oct 6;4(10):e00785. doi: 10.1016/j.heliyon.2018.e00785. PMID: 30302408; PMCID: PMC6174548

29 Lockheed Missiles and Space Devision: Technical reprt – The absorption spectrum of water vapor and carbon dioxide. AD0477312, Department of the US air force, 14.3.1962, Seite 2 – 29. Bei 19 µm gibt es eine weitere geringfügige Absorption, die nicht so richtig ernst genommen zu werden scheint, da sie selten erwähnt wird.

31 K P Shine, G E Perry: Radiative forcing due to carbon dioxide decomposed into its component vibrational bands. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 149 (2023): 1856 – 1866. DOI10.1002/qj.4485

32 Diese Definition stammt aus dem ersten IPCC‐​Sachstandsbericht von 1990. In der Begriffsdefinition steckt eine nach und nach anscheinend komplexer gewordene Hypothese über den Zusammenhang zwischen Strahlungsfluss an der Tropopause und bodennahen Lufttemperaturen, die das Zusammenspiel von Stratosphäre und Troposphäre betrifft und hier nicht behandelt werden kann. Im dritten IPCC‐​Sachstandsbericht von 2001 wird das angedeutet (Seiten 353ff). Die aktuelle IPCC‐​Definition steht auf Seite 2245 im sechsten Sachstandsbericht von 2021.

33 Siehe z.B. Doktorarbeit von J L Lea: Atmospheric Ultraviolet Absorption Spectrosopy. Australian National University 1980. Oder auch frischer Weltgesunheitsorganisation WHO (gesehen 5.4.2024). Oft wird behauptet, CO2 absorbiere nicht im UV‐​Bereich, doch dies hier z.B. sieht nach einer Absorption unter anderem bei etwa 0,13 µm unter irdischen atmosphärischen Bedingungen aus, durch die das CO2 zerfällt: O Venot, Y Bénilan et al.: VUV‐​absorption cross section of carbon dioxide from 150 to 800 K and applications to warm exoplanetary atmospheres. Astronomy & Astrophysics, Volume 609, January 2018, DOI 10.1051/0004 – 6361/​201731295. Weitere Quellen sind hier.

34 R Pincus, S A Buehler et al.: Benchmark Calculations of Radiative Forcing by Greenhouse Gases. JGR Atmospheres, Volume 125, Issue 23, November 2020, DOI 10.1029/2020JD033483open_in_new – A S Fisher, Sarma L. Rani: A narrow band model based on the absorption coefficient and its application to the calculation of radiative transfer in one‐​dimensional enclosures. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Vol. 277, 2022, DOI 10.1016/j.jqsrt.2021.107989 – HITRAN‐​Tutorial (englisch)

35 F Schreier, S G García et al.: GARLIC — A general purpose atmospheric radiative transfer line‐​by‐​line infrared‐​microwave code: Implementation and evaluation. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Vol. 137, 2014, pp 29 – 50, DOI 10.1016/j.jqsrt.2013.11.018

36 Siehe z.B. W J Witteman: Vibrational Relaxation in Carbon Dioxide. Journal of Chemical Physics · July 1961, S. 60 – LibreTexts Chemistry: Electronically Excited Molecules can Relax by a Number of Processes (gesehen 18.3.2024) – Nagwa: Lesson Explainer: Spontaneous and Stimulated Emission (gesehen 18.3.2024) – S N Tiwari: Radiative Energy Transfer in Molecular Gases. Institute for Computational and Applied Mechanics 1992

37 K J Castle, K M Kleissas et al.: Vibrational relaxation of CO2(ν2) by atomic oxygen. Journal of Geophysical Reasearch 111/​A9, September 2006, DOI 10.1029/2006JA011736

38 Ordentlichere Erklärung in Englisch bei Engineering Chemistry. Vorlesungsreihe zu allen möglichen Entspannungsvorgängen in Englisch beim National Programme on Technology Enhanced Learning Indiens.

39 A Zarboo, S Bender et al.: Retrieval of O21Σ and O 2(1∆) volume emission rates in the mesosphere and lower thermosphere using SCIAMACHY MLT limb scans. Atmos. Meas. Tech. Discuss., DOI 10.5194/amt-2017 – 269. Manuscript under review for journal Atmos. Meas. Tech. Discussion started: 14 August 2017. CC BY 4.0 License.

40 A Kosareva, E Kustova, M Mekhonoshina: Simulations of CO2 multi‐​temperature vibrational kinetics on the basis of new relaxation time models. IOP Publishing Ltd, Journal of Physics: Conference Series, Volume 1959, The International Scientific Conference on Mechanics »The Ninth Polyakhov’s Reading« (ISCM) 2021 9 – 12 March 2021, Saint Petersburg, Russian Federation

41 M Höpfner, M Milz et al.: The natural greenhouse effect of atmospheric oxygen (O2) and nitrogen (N2). Geophysical Reserach Letters 39/​10, 2012, DOI 10.1029/2012GL051409. Übersicht der Studien, die daraus zitieren, bei Researchgate. Siehe auch K M Smith, D A Newnham: Near‐​infrared absorptioncrosssections and integrated absorption intensitiesof molecular oxygen (Oz, Oz‐​Oz, and Oz‐​Nz). Journal of Geophysical Research, 105/​D6, pp. 7383 – 7396, 2000. Es handelt es sich um eine alte Erkenntnis, die bereits 1949 beschrieben wurde, aber in den Klimawissenschaften nicht ankam.

42 Webseite des europäischen Satellitenmessprojekts IASI‐​FT (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer – Fourier transform spectrometer), gesehen 8.6.2024

43 S Kato, F G Rose et al.: Surface irradiances of Edition 4.0 Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) Energy Balanced and Filled (EBAF) data product, J. Climate, 31, 4501 – 4527, DOI 10.1175/JCLI-D-17 – 0523.1, Seite 4501

45 Zonales mittleres Strahlungsbudget an der TOA für die Jahre 2001 bis 2014 auf Grundlage des CERES SYN1deg Edition 3A Satellitenprodukts nach M Salzmann: The polar amplification asymmetry: role of Antarctic surface height. Earth System Dynamics 8(2):323 – 336, May 2017, DOI 10.5194/esd‑8 – 323‐2017

46 Vereinfachte Darstellung nach K E Trenberth, J T Fasullo et al.: Climate variability and relationships between top‐​of‐​atmosphere radiation and temperatures on Earth. JGR Atmospheres, Volume 120, Issue 9, 16 May 2015, pp 3642 – 3659, DOI 10.1002/2014JD022887

47 Wikipedia: Outgoing longwave radiation, gesehen 8.6.2024

48 N G Loeb, H Seung‐​Hee et al.: Observational Assessment of Changes in Earth’s Energy Imbalance Since 2000. Surveys in Geophysics 2024, DOI:10.1007/s10712-024 – 09838‑8

49 Vereinfachte Darstellung von CERES‐​Daten nach einem Diskussionspapier von C Kodama, T Ohno et al.: The non‐​hydrostatic global atmospheric model for CMIP6 HighResMIP simulations (NICAM16‑S): Experimental design, model description, and sensitivity experiments. EGU, submitted to Geoscientific Model Development (29 December 2019), DOI 10.5194/gmd-2019 – 369

50 M Höpfner, M Milz et al.: The natural greenhouse effect of atmospheric oxygen (O2) and nitrogen (N2. Geophysical Research Letters Volume 39, Issue 10, 28 May 2012, DOI 10.1029/2012GL051409, Table 1

51 W Zhong, J D Haigh: The greenhouse effect and carbon dioxide. Royal Meterological Society, Weather – April 2013, Vol. 68, No. 4, S. 102

53 J Elsey, M D Coleman et al.: Atmospheric observations of the water vapour continuum in the near‐​infrared windows between 2500 and 6600 cm−1. Atmos. Meas. Tech., 13, 2335 – 2361, 2020, DOI 10.5194/amt-13 – 2335‐2020

54 M Birk, A Wagner et al.: 3 µm Water vapor self‐ and foreign‐​continuum: New method for determination and new insights into the self‐​continuum. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume 253, 2020, DOI 10.1016/j.jqsrt.2020.107134. Siehe auch K P Menang, LE Gbode et al.: The effect of the differences in near‐​infrared water vapour continuum models on the absorption of solar radiation. Meteorol Atmos Phys 133, 781 – 788 (2021). DOI 10.1007/s00703-021 – 00781‑6 (zum neueren MT_​CKD‐​Modell 3.2, das keine geringeren Unterschiede zu CAVIAR hat)

55 M L L.M. Gava, S M.S. da Costa et al.: The effects of changes in HITRAN and the water vapor continuum model on infrared radiative transfer calculations and remote sensing applications. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Vol. 322, 2024, DOI 10.1016/j.jqsrt.2024.109025. Ein anderer Vergleich ergab einen Unterschied von »weniger als 0,7 W/​m2« über Russland: T.Y. Chesnokova, K.M. Firsov: Impact of Updating Information on the Atmospheric Gas Absorption Line Parameters on the Results of Simulations of IR Radiative Fluxes in the Atmosphere. Atmos Ocean Opt 36, 539 – 549 (2023), DOI 10.1134/S1024856023050093

56 K M Firsov, T Y Chesnokova et al.: Impact of Water Vapor Continuum Absorption on CO2 Radiative Forcing in the Atmosphere in the Lower Volga Region. Atmos Ocean Opt 36, 162 – 168 (2023).DOI 10.1134/S1024856023030053

57 Z‑C Wang, B Yin et al.: Temperature‐​dependence of the near‐​UV absorption of water vapor in the 290 – 350 nm range. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Vol. 286, 2022, DOI 10.1016/j.jqsrt.2022.10820 (Manuskript bei Sciencedirect).

58 L Pei, Q Min: Water Vapor Near‐​UV Absorption: Laboratory Spectrum, Field Evidence, and Atmospheric Impacts. JGR Atmospheres Volume124, Issue24, 27 December 2019, pp. 14310 – 14324. Siehe auch

59 Z‑C Wang, B Yin et al.: Temperature‐​dependence of the near‐​UV absorption of water vapor in the 290 – 350 nm range. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Vol. 286, 2022, DOI 10.1016/j.jqsrt.2022.10820 (Manuskript bei Sciencedirect).

60 IPCC: Climate Change 2021 – The Physical Science Basis, Seite 11. Eine Studie von 2021 bekommt Ähnliches heraus: SP Raghuraman, D Paynter et al.: Anthropogenic forcing and response yield observed positive trend in Earth’s energy imbalance. Nat Commun 12, 4577 (2021). DOI 10.1038/s41467-021 – 24544‑4

62 M Höpfner, M Milz et al.: The natural greenhouse effect of atmospheric oxygen (O2) and nitrogen (N2). Geophysical Research Letters Volume 39, Issue 10, 28 May 2012, DOI 10.1029/2012GL051409, Table 1

63 W Zhong, J D Haigh: The greenhouse effect and carbon dioxide. Royal Meterological Society, Weather – April 2013, Vol. 68, No. 4, S. 102. Bei J T Kiehl, K E Trenberth: Earth’s Annual Global Mean Energy Budget (1997) sind es 32 W/​m 2. Trotz großer Mühen konnte ich nichts Neueres finden. Auch die aktuelle englische Wikipedia bezieht sich auf Quellen von 2010. Wie lässt sich der reale Effekt von zusätzlichem CO2 auf den atmosphärischen Strahlungsantrieb einschätzen, ohne den realen Effekt des CO2 auf den atmosphärischen Strahlungsantrieb zu kennen?

64 W A van Wijngaarden, W Happer: Dependence of Earth’s Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases. Atmospheric and Oceanic Physics 2020. – Eine positive ausführlichere Erwähnung fand der Text im Journal der Geological Society of India: G Shanmugam: 200 Years of Fossil Fuels and Climate Change (1900 – 2100). Journal of the Geological Society of India 99/​2023 – Für Leute mit Physikahnung verständlichere Version: W A van Wijngaarden, W Happer: Atmosphere and Greenhouse Gas Primer. März 2023

65 Grafiken gezeichnet nach W A van Wijngaarden, W Happer: Dependence of Earth’s Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases. Atmospheric and Oceanic Physics 2020, Seite 13. »Spectral flux 〈 ̃Z{i}(ν, zmp, f )〉« mit »Spektrale Leistungsdichte« übersetzt.

66 Die bunten Linien sehen aus als wären sie mit Hilfe der schwarzen Linie, der Schwarzkörperstrahlung berechnet worden. Dies entspräche hegemonialer Methodik. Im Blog The Greenhouse Defekt weist jemand darauf hin, dass das falsch ist, weil die Emissivität der Erdoberfläche nicht 1 beträgt, sondern 0,91. Daraus könnten in allen möglichen klimawissenschaftlichen Berechnungen und Klimamodellen Fehler von einigen W/​m2 entstehen.

67 D D B Koll, T W Cronin: Earth’s outgoing longwave radiation linear due to H2O greenhouse effect. PNAS 115 (41) 10293 – 10298, September 25, 2018, DOI 10.1073/pnas.1809868115

68 D M Romps, J T Seeley et al.: Why the Forcing from Carbon Dioxide Scales as the Logarithm of Its Concentration. Journal of Climate 35/​13, Juni 2022, DOI 10.1175/JCLI-D-21 – 0275.1

69 B‑Y Kim, K‑T Lee: Using the Himawari‑8 AHI Multi‐​Channel to Improve the Calculation Accuracy of Outgoing Longwave Radiation at the Top of the Atmosphere. Remote Sens. 2019, 11, 589; DOI 10.3390/rs11050589, Seite 6. Die vertikale Achse bezieht sich auf etwas physikalisch anderes als bei den Grafiken zuvor. »Irradiance« mit »Bestrahlungsdichte« übersetzt.

71 Y Huang, X Tan, Y Xia: Inhomogeneous radiative forcing of homogeneous greenhouse gases. JGR Atmospheres Volume 121, Issue 6, März 2016, DOI 10.1002/2015JD024569. Als noch brauchbar zitiert in Y‑T Chen, Y Huang et al.: The global patterns of instantaneous CO2 forcing at the top‐​of‐​atmosphere and surface. American Meteorological Society, Journal of Climate 36(18):1 – 37, August 2023, DOI 10.1175/JCLI-D-22 – 0708.1

73 S P Raghuraman, D Paynter et al.: Greenhouse Gas Forcing and Climate Feedback Signatures Identified in Hyperspectral Infrared Satellite Observations. Geophysical Research Letters Volume 50, Issue 24, Dezember 2023, DOI 10.1029/2023GL103947

74 T S Pagano, H H Aumann et al.: SI‐​Traceability and Measurement Uncertainty of the Atmospheric Infrared Sounder Version 5 Level 1B Radiances. Remote Sens. 2020, 12(8), DOI 10.3390/rs12081338

76 C Zhan, J Yang et al.: Evaluation of Five Global Top‐​of‐​Atmosphere Outgoing Longwave Radiation Products. Remote Sens. 2023, 15, 3722. DOI 10.3390/rs15153722. Siehe auch Fehlerschätzung in B‑Y Kim, K‑T Lee: Using the Himawari‑8 AHI Multi‐​Channel to Improve the Calculation Accuracy of Outgoing Longwave Radiation at the Top of the Atmosphere. Remote Sens. 2019, 11, 589; DOI 10.3390/rs11050589

77 L Palchetti, H Brindley et al.: Unique Far‐​Infrared Satellite Observations to Better Understand How Earth Radiates Energy to Space. BAMS, American Meteorological Society, Juni 2020, DOI 10.1175/BAMS-D-19 – 0322.1

78 Xianglei Huang: Studying climate through a spectral lens. A recorded Distinguished Climate Lecture from the JPL Center for Climate Sciences, Jan. 19, 2023. Minute 38:00

79 G Di Natale, M Ridolfi, L Palchetti: A new approach to crystal habit retrieval from far‐​infrared spectral radiance measurements. Atmos. Meas. Tech., 17, 3171 – 3186, DOI 10.5194/amt-17 – 3171‐​2024, 2024.

Bild: Volkov Andrei Viktorovich»Auf einem Grenzschiff« 1977 (https://t.me/SocialRealm)

One thought on “Kleine linke Klimaserie (XI): So kann CO2 die Lufttemperatur erhöhen!

  1. Typo: »Absorbtion« schreibt sich richtig »Absoprtion«, von lat. Sorption = Aufnehmen. Aufpassen muss man mit »Adsoprtion«, da wird etwas nur außen »aufgenommen«.

    Und zum Inhalt: Sätze wie diese
    »Glas lässt viele dieser hochfrequenten energiereichen Photonen (»kurzwellige Strahlung«) nicht durch, so dass man hinter Fenstern zwar keinen Sonnenbrand, aber dafür Vitamin D‑Mangel bekommt.«
    sind wahres Gold der Erkenntnis. Ernst gemeint.

    Insgesamt würde ich sagen: das ganze ist so komplex und verwirrend gemacht (von der »Wissenschaft«, nicht vom Autor), zB sehen Messkurven fast gleich aus wie berechnete Theorie‐​Kurven, indem letztere durch ihre »Zackigkeit« ein Pseudoexaktheit vermitteln, die sich EINZIG auf die mathematische Berechnung, _​nicht aber auf einen Realitätsbezug_​stützt, oder es werden Größenverhältnisse zwischen verschiedenen Effekten quasi unsichtbar gemacht, dass da nicht einmal mehr der Fachmann recht durchblicken kann. Modelle und Simulationen sind Einladungen dazu, durch Herumschrauben an Parametern nichts als seine eigenen Vorurteile (oder die des Auftraggebers) bestätigt zu bekommen.

    Tatsachen sind, bei aller Rechnereien und Simulation die offensichtlichen Tatsachen, dass
    a) Wasserdampf, vulgo gasförmiges Wasser, in vielfach höherem Ausmaß in der Atmosphäre vorhanden ist als CO2 (mindest hundertfach mehr H2O als CO2 vorhanden)
    b) Wasser viel stärker strahlungsaktiv ist als CO2, da Wasser ein gewinkeltes Molekül ausbildet, ein starkes Dipolmoment hat (was bei CO2 das eigentlich gestreckt ist höchsten von außen induziert werden kann, von Wasserstoffbrückenbindung und andere Besonderheiten beim Wasser ganz zu schweigen)
    c) CO2 nur in einem verschwindend kleinen Spektralbereich in der Atmosphäre strahlungsaktiv wirken kann, da in alle anderen Spektralbereichen der Wasserdampf schon »alle Arbeit macht« und für das CO2 schlicht »nichts mehr zu tun übrig bleibt«
    d) Wasser durch seine anderen auftretenden Zustands‐ und Aggregatsformen noch sehr viel mehr und vielfältiger auf das Klima einwirkt, nämlich als Wasser in der Luft, vulgo Regen, als Dampf in der Luft als Wolken, als Kristalle in der Luft, vulgo Schnee und Eis, und natürlich auch als Schnee und Eis auf den Landmassen, und ganz wichtig auch die Rolle des Wassers als Wärmespeicher und »Wärme‐​Transportmittel« durch seine hohe Wärmekapazität und die wichtigen Beiträge durch die Verdunstungs‐ und Kondensationseffekt.

    Alles in allem gesehen ist Wasser der absolute Riese für das Klimageschehen – und CO2 ist dagegen nicht einmal ein Zwerg – höchsten eine Mikrobe.

    Diese Mikrobe wird durch »Wissenschaft« und vor allem mit viel, viel Geld aus interessierten Kreisen künstlich aufgeblasen zu einem Scheinriesen – und der wahre Riese »Wasser« dabei schlicht unterschlagen.

    Man kennt diese Techniken ja inzwischen sehr gut aus der »Corona«-Zeit: ein stinknormaler Allerweltsvirus wird zur globalen, tödlichen Seuchengefahr aufgeblasen – und alle sichtbaren und eindeutigen dramatischen Kollateralschäden wurden (und werden noch) praktisch vollständig ignoriert.

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