atw 2017-12

atw Vol. 62 (2017) | Issue 12 ı December
RESEARCH AND INNOVATION 738
Die dreifache Wirkung des CO 2
Eike Roth
CO 2 in der Atmosphäre wirkt auf dreifache Weise: Es absorbiert Strahlung und fügt dadurch der Atmosphäre (Wärme)
Energie hinzu, es emittiert Strahlung und führt dadurch (Wärme)Energie aus der Atmosphäre ab, beides ist für das
Klima auf der Erde wichtig, und das CO 2 hat auch nicht-klimatische Wirkungen auf das Leben auf der Erde. Aus diesen
Wirkungen können bei fortgesetzter anthropogener CO 2 -Freisetzung prinzipiell erhebliche Folgen entstehen. In diesem
Beitrag wird gezeigt, dass hinsichtlich der genauen Größe der einzelnen Effekte noch viele Fragen offen sind und die
Folgen z. T. noch nicht ausreichend quantifiziert werden können. Für verantwortliche Entscheidungen wäre das aber
erforderlich, insofern besteht dringender Handlungsbedarf.
1 Der Treibhauseffekt (THE)
Vorab etwas Physik, damit
später einige Zusammenhänge
klarer werden:
„Fühlbare Wärme“ ist durch Konvektion
und Leitung übertragene Wärmeenergie.
Alles Andere gleich gelassen,
führt jegliche Zufuhr oder Abfuhr
fühlbarer Wärme zu bzw. von einem
Körper unmittelbar zu einer Erwärmung
bzw. Abkühlung des Körpers
(man fühlt die Energiezufuhr bzw.
-Abfuhr).
„Latente Wärme“ ist die Energie,
die ein Stoff durch Phasenübergänge
(z. B. flüssig in gasförmig oder umgekehrt)
aufnimmt oder abgibt.
Während des Phasenüberganges ändert
dieser Stoff seine Temperatur
nicht (man fühlt also nichts), obwohl
er zur Bewältigung des Phasenüberganges
Energie aus seiner Umgebung
aufnimmt oder an diese abgibt. Zum
Beispiel wird bei Wasserverdunstung
auf der Erdoberfläche die „Verdunstungswärme“
als fühlbare Wärme
der Erde entzogen, auf konstantem
Temperaturniveau als latente Wärme
im Wasserdampf gespeichert und
mit diesem in die Atmosphäre eingebracht.
Durch den Entzug der
fühl baren Wärme kühlt sich die Erde
dabei ab. Kondensiert anschließend
der Wasserdampf (Wolkenbildung),
wird – wieder auf konstantem Temperaturniveau
– die latente Wärme als
„Kondensationswärme“ frei und der
Atmosphäre als fühlbare Wärme
zugeführt. Letzteres erwärmt die
Atmosphäre. In der Wirkung entspricht
das insgesamt dem Übertrag
von fühlbarer Wärme von der Erde in
die Atmosphäre, doch erfolgt der
Transport nicht per Leitung und Konvektion,
sondern als latente Wärme im
Wasserdampf. Bei „geeigneten“ Randbedingungen
kann auf diesem Weg
sehr viel mehr Wärme transportiert
werden als durch Leitung und Konvektion.
„Strahlungswärme“ ist durch
Strah lung übertragene Wärmeenergie.
Jede Absorption von Strahlung
durch einen Körper bedeutet Energiezufuhr
zu diesem Körper, jedes
Aussenden von Strahlung von einem
Körper bedeutet Energieabfuhr von
diesem Körper. Alles Andere gleich
gelassen, muss ein Körper sich durch
jegliche zusätzliche Absorption erwärmen
bzw. durch jegliche zusätzliche
Abstrahlung abkühlen.
Jeder Körper, der Strahlung absorbiert,
sendet auch (Wärme)Strahlung
aus. Die abgestrahlte Energiemenge
wächst dabei mit der vierten Potenz
der (absoluten) Temperatur. Bei
festen und flüssigen Körpern und sehr
großen gasförmigen Körpern deckt
die Wärmeabstrahlung ein kontinuierliches
Spektrum ab, dessen Maximum
mit steigender Temperatur zu höheren
Energien hin verschoben ist, oberund
unterhalb dieses Maximums
nimmt die Strahlungsintensität relativ
rasch ab. Insbesondere strahlt die
Sonne mit ca. 5800 K viel höher
energetisch (also mit viel kürzeren
Wellenlängen) ab als die Erde mit ca.
300 K (viel längere Wellenlängen).
Bei Gasen bei den auf der Erde
relevanten Mengen, Temperaturen
und Drücken ist das ein klein wenig
anders: 1- und 2-atomige Gase (z. B.
Ar, N 2 und O 2 ) absorbieren und
strahlen praktisch gar nicht und 3-
und mehr-atomige Gase (z. B. CO 2 ,
H 2 0 oder CH 4 ) absorbieren und
strahlen nur in konkreten, schmalen
Energiebändern. Diese Bänder ändern
sich nicht mit der Temperatur,
die Abstrahlungsintensität steigt aber
auch hier stark mit der Temperatur an.
Wird ein Körper (egal, in welchem
Aggregatzustand er ist) mit konstanter
Leistung bestrahlt, stellt sich seine
Temperatur so ein, dass er genau
so viel Energie als Wärmestrahlung
abstrahlt, wie er durch Absorption der
eingehenden Strahlung erhält. Wird
die eingehende Strahlung erhöht,
erwärmt er sich, bis er wieder so viel
Energie abstrahlt, wie er insgesamt
erhält. Woher die eingehende Strahlung
kommt, ist hierfür irrelevant.
Gase, die optisch asymmetrisch
sind, konkret Gase, die kurzwellige
Strahlung (das Sonnenlicht) weitgehend
ungehindert durchlassen,
langwellige Strahlung (Wärmeabstrahlung
von der Erde) aber zu einem
erheblichen Teil absorbieren, werden
definitionsgemäß als „Treibhausgase“
bezeichnet. CO 2 ist eindeutig so ein
Treibhausgas, H 2 O ist ein anderes,
CH 4 ebenfalls, und es gibt noch viele
andere. In unserer Atmosphäre sind
Treibhausgase nur in sehr geringer
Konzentration vorhanden, rund 99 %
der Atmosphäre bestehen aus Stickstoff,
Sauerstoff und Argon, die, wie
gesagt, Strahlung weder absorbieren
noch aussenden.
Partikel in der Luft (flüssige und
feste) reagieren symmetrisch auf
Strahlung, d. h. sie absorbieren nicht
nur hinaus gehende Wärmestrahlung,
sondern auch herein kommendes
Sonnenlicht. Der letztere Effekt überwiegt
klimatisch bei Weitem, sodass
Partikel in der Atmosphäre die Erde
grundsätzlich abkühlen. In dieser
Arbeit werden sie nicht weiter betrachtet,
obwohl die Stärke ihrer
kühlenden Wirkung auch eine wichtige,
klimarelevante Frage ist. Auch
die (ebenfalls abkühlend wirkende)
Reflexion hereinkommender Strahlung
in der Atmosphäre und an der
Erdoberfläche wird hier nicht näher
betrachtet.
Dann eine zunächst
überraschende Beobachtung:
Unsere Erde ist mit etwa 15 °C
angenehm warm (global und über das
Jahr gemittelte bodennahe Lufttemperatur).
Rechnet man mit der
Stärke der Sonne, ihrer Entfernung
und der Reflexion von Sonnenlicht in
der Atmosphäre und an der Erdoberfläche
nach, müsste die Erde aber
ca. -18 °C kalt sein. Das wäre sehr
ungemütlich.
Und die Erklärung:
In der Atmosphäre der Erde sind
CO 2 (und andere Treibhausgase) vorhanden.
Diese Treibhausgase verändern
die Sonneneinstrahlung praktisch
nicht, absorbieren aber einen
Research and Innovation
The Triple Effect of Carbon Dioxide ı Eike Roth