Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video.
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Sternengeschichten Folge 241: Der Treibhauseffekt
Den Treibhauseffekt kennen wir heute vor allem aus der Berichterstattung über den menschengemachten Klimawandel. Es handelt sich dabei aber ganz allgemein um ein wichtiges Phänomen wenn man verstehen will, wie ein Planet funktioniert. Wenn die Astronomen zum Beispiel irgendwo bei einem anderen Stern einen Planeten entdeckt der sich in der sogenannten „habitablen Zone“ befindet, dann wird in den Medien oft behauptet es handle sich dabei auch um einen Planeten auf dem lebensfreundliche Bedingungen herrschen. Aber das ist eine Aussage die man nicht treffen kann. Zumindest nicht, ohne sich mit dem Treibhauseffekt zu beschäftigen.
Die grundlegenden Prinzipien kennen wir schon lange. 1824 hat der französische Mathematiker Joseph Fourier die entsprechenden Mechanismen das erste Mal wissenschaftlich beschrieben. 1896 hat der schwedische Chemiker und Nobelpreisträger Svante Arrhenius das ganze auch quantitativ beschrieben und die Rolle von Kohlendioxid als Treibhausgas entdeckt. Und seit den 1960er Jahren wird der Treibhauseffekt überall auf der Erde systematisch gemessen und erforscht. Bevor ich jetzt aber erkläre um was es sich dabei handelt noch eine kleine Anmerkung: Der Treibhauseffekt um den es hier geht hat nur bedingt mit dem zu tun was in einem Treibhaus stattfindet das manche im Garten stehen haben. Das, was die Tomaten und Pflanzen im Gewächshaus warm hält nennt man „Glashauseffekt“ und liegt vor allem daran dass da tatsächlich ein Dach aus Glas ist durch das Licht einfallen und die Luft darunter erwärmen kann, die aber dank des Daches dann nicht mehr mit der kalten Luft draußen in Kontakt treten und abkühlen kann. Unsere Erde hat aber kein Dach aus Glas. Der Treibhauseffekt funktioniert anders – und zwar so:
Die Erde liegt in der habitablen Zone des Sonnensystems; das bedeutet das sie genau den richtigen Abstand zur Sonne hat so dass es bei uns nicht zu kalt und nicht zu warm ist so dass im Prinzip flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche existieren könnte. Aber „könnte“ heißt eben nicht dass es auch zwingend vorhanden ist. Wir können recht gut messen, wie viel Energie der Sonne bei uns in etwa 150 Millionen Kilometer Entfernung ankommt. Der offizielle Wert dieser „Solarkonstante“ beträgt 1367 Watt pro Quadratmeter, obwohl er natürlich nicht wirklich konstant ist sondern immer ein klein wenig schwankt.
Diese Energie trifft auf die Erde und erwärmt sie. Ein erwärmter Körper gibt seine Wärme aber auch wieder ab und das gilt auch für die Erde. Auch diese Menge an abgegebener Wärme kann man leicht berechnen. Setzt man die Menge der von der Sonne empfangenen Energie mit der Menge der von der Erde abgestrahlten Energie gleich, dann erhält man die sogenannte
Und tatsächlich ist es ja auch deutlich wärmer bei uns – was daran liegt das wir in der Berechnung die Atmosphäre der Erde nicht berücksichtigt haben. Und den Treibhauseffekt! Kurz und knapp erklärt funktioniert der so: Die Sonne strahlt Energie auf die Erde. Die meiste Energie erreicht uns dabei bei einer Wellenlänge von um die 500 Nanometer, also eigentlich grünem Licht (aber weil die anderen Anteile dazu gemischt werden erscheint das Sonnenlicht uns trotzdem nicht grün sondern weiß). Die Lufthülle der Erde ist durchlässig für dieses Licht weswegen es auch bis zu uns auf den Erdboden gelangen kann. Dort wird es von all dem absorbiert was da so rumliegt, rumsteht, rumwächst oder rumläuft. Dadurch erwärmt sich auch alles und alles gibt diese Wärme wieder ab. So weit ist alles noch recht simpel – aber jetzt kommt der wichtige Teil!
Die Strahlung die die erwärmte Erde wieder abgibt ist nicht die gleiche Strahlung die sie aufgenommen hat. Bei welcher Wellenlänge ein Objekt seine meiste Energie abstrahlt hängt von seiner Temperatur ab. Das nennt sich das „Wiensche Verschiebungsgesetz“ und es sagt uns, dass die knapp 6000 Grad heiße Sonnenoberfläche ihr Maximum eben im grünen Licht hat. Die Erdoberfläche wird aber – zum Glück! – nicht bis auf 6000 Grad aufgewärmt; die Temperaturen liegen deutlich tiefer. Und deswegen gibt sie die Energie auch vorrangig im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums ab.
Und jetzt kommt wieder die Atmosphäre der Erde ins Spiel. Für das Licht der Sonne ist sie durchlässig. Für die langwelligere Infrarotstrahlung aber nicht mehr so gut! Das ist der Treibhauseffekt: Die Erde kann nicht die gesamte Energie die sie von der Sonne erhält wieder abgeben; die Lufthülle hält einen Teil zurück und der sorgt dafür, dass die Erde wärmer ist als sie es laut der Berechnung der Gleichgewichtstemperatur sein sollte.
Aber warum macht sie das? Wie kriegt die Atmosphäre das hin? Warum geht normales Sonnenlicht durch; Infrarotstrahlung aber nicht? Dazu müssen wir einen Blick auf die Bestandteile der Atmosphäre und die Eigenschaften dieser chemischen Stoffe werfen. Die Atmosphäre besteht zu knapp 78 Prozent aus Stickstoff und zu etwa 21 Prozent aus Sauerstoff. Dann gibt es aber auch noch jede Menge Gase in sehr geringen Mengen: Wasserdampf zum Beispiel, und auch Kohlendioxid, Methan und Ozon. Die machen insgesamt nicht mal 1 Prozent der Erdatmosphäre aus, spielen aber trotzdem eine enorm wichtige Rolle. Denn es handelt sich um Treibhausgase, also genau die Stoffe die für den Treibhauseffekt verantwortlich sind.
Die Kohlendioxid-Moleküle, die Methan-Moleküle und all die anderen Moleküle der Treibhausgase absorbieren die Energie die von der aufgewärmten Erde abgegeben wird. Und auch die Moleküle geben die aufgenommene Energie wieder ab. Und zwar in alle Richtungen – ein Teil geht hinaus ins All, ein Teil aber eben auch wieder zurück zur Erde wo er zum Treibhauseffekt beiträgt. Welche Art von Strahlung ein Molekül absorbieren kann hängt von seiner Struktur ab. Je nachdem wie komplex diese Struktur ist kann ein Molekül auf unterschiedliche Arten schwingen. Jeder Schwingungszustand entspricht einer anderen Energie und ein Molekül kann Energie nur aufnehmen oder abgeben, wenn die Energie genau zu seinen Schwingungszuständen passt. Es passen quasi nur Energiepakete einer gewissen Größe ins Molekül hinein; es kann nicht einfach irgendwelche beliebige Mengen aufnehmen.
Die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle nehmen die von der Erde abgegebene Infrarotstrahlung nicht auf, die Moleküle der Treibhausgase allerdings schon! Der Wasserdampf ist dabei das stärkste Treibhausgas und für 40 bis 70 Prozent des Treibhauseffekts verantwortlich (genau kann man es nicht sagen, da die Menge an Treibhausgasen je nach Region, Tageszeit und Jahreszeit schwankt). Dann folgt schon das Kohlendioxid mit einem Beitrag von 10 bis 30 Prozent und Methan und Ozon, die jeweils zwischen 4 und 10 Prozent beitragen können. Es gibt noch einen Schwung anderer Treibhausgase, die aber nur eine sehr geringe Rolle spielen.
Der Wasserdampf in der Atmosphäre ist übrigens auch ein Grund warum Astronomen ihre Teleskope nach Möglichkeit möglichst hoch oben und möglichst in Wüstengebieten aufstellen. Je weniger Wasserdampf zwischen ihnen und dem Weltall ist, desto mehr Infrarotstrahlung aus dem All kann das Teleskop erreichen. Für umfassende Infrarotastronomie muss man zwar immer noch ins Weltall ausweichen und Weltraumteleskope benutzen, aber bestimmte Bereiche kann man unter den richtigen Bedingungen auch von der Erde aus sehen.
Der natürliche Treibhauseffekt hat dafür gesorgt dass die Erde die lebensfreundlichen Temperaturen hat, die sie hat. Es gibt immer eine kleine Menge an natürlich entstandenen Kohlendioxid. Das auf der Erde vorhandene Wasser kann sich teilweise als Wasserdampf in der Atmosphäre aufhalten und alles zusammen macht die Erde warm genug. Damit haben wir großes Glück gehabt und wie groß es ist zeigt ein Blick auf unsere Nachbarn. Auch Mars und Venus befinden sich theoretisch in der habitablen Zone der Sonne. Der Mars ist aber eine eiskalte Wüste und bei ihm stimmt die Gleichgewichtstemperatur fast exakt mit der tatsächlichen Temperatur überein. Denn er hat so gut wie keine Atmosphäre und damit auch keinen Treibhauseffekt.
Bei der Venus ist es anders. Dort sehen wir, wohin ein außer Kontrolle geratener Treibhauseffekt führen kann. Auch dort gab es früher flüssiges Wasser aber weil die Venus der Sonne näher ist als die Erde und es deswegen dort wärmer ist, ist es ziemlich schnell fast komplett als Wasserdampf in ihrer Atmosphäre verschwunden. Laut Gleichgewichtstemperatur sollte es auf der Venus im Durchschnitt 50 Grad haben. Ziemlich heiß also aber noch nicht komplett lebensfeindlich. Tatsächlich liegt die Temperatur auf der Venus aber bei 470 Grad Celsius! Und das liegt allein an der gewaltigen Menge an Treibhausgasen in ihrer Atmosphäre.
Der natürliche Treibhauseffekt hat die Erde bewohnbar gemacht. Der menschengemachte Treibhauseffekt den wir mit unseren Kohlendioxid-Emissionen in den letzten 150 Jahren verursacht haben und immer noch in großem Maßstab verursachen ist aber auf gutem Weg das natürliche Gleichgewicht komplett durcheinander zu bringen.
Ich glaub da fehlt ein Wort?
„Setzt man die Menge der von der Sonne empfangenen Energie mit der Menge der von der Erde abgestrahlten Energie gleich, dann erhält man die sogenannte , also die Temperatur die sich nach einiger Zeit von selbst einstellt.“
@Limpi
Gleichgewichtstemperatur?
Schöner Artikel. Allerdings sollte die Venus-Gleichgewichtstemperatur (unter Berücksichtigung ihrer empirisch gemessenen Albedo*) eher -50°C betragen:
https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/venusfact.html
Black-body temperature (K) Venus 226.6 Earth 254.0
*Diese Berechnung ist natürlich artifiziell, aber eine Albedo von 0 anzunehmen wäre eher noch willkürlicher; man findet in der Fachliteratur daher überwiegend Berechnungen mit Albedo.
@Florian
Möglicherweise hat dies recht lange gedauert.
Diese gesamte Klima-Serie ist eine sehr gute Idee! Danke schon mal für die ganze Mühe. Wird in Zukunft definitiv eine Linksammlung sein die ich an diverse Leute herum schicken werde die Aufklärungsbedarf haben!
Wenn man auf youtube nach „What Would have Happened to the Ozone Layer“ sucht, findet man ein Video von EarthDirect welches die Ozonschicht simuliert und die weitere Entwicklung „mit“ und „ohne“ Montreal Protocol vergleicht.
Mich würde interessieren ob es eine solche Visualisierung auch für CO2 gibt, beginnend vor 150 Jahren: ein Vergleich zwischen natürlichen CO2 Ausstoß (quasi „was wäre wenn Menschen niemals fossile Resourcen entdeckt hätten und eine Industrialisierung nie stattgefunden hätte) und dem Verlauf so wie wir ihn seit dem beobachten.
Generell habe ich den Eindruck dass viele Zweifler einfach mal „sehen“ müssten wie Atmosphärenzusammensetzung, globale Temperatur, usw. heute aussehen würden, wenn der Mensch vor 150 Jahren einfach „stehen geblieben“ wäre und alles genauso weiter verlaufen wäre.
Die Daten gibt es ja sicher bzw. man müsste dann den menschlichen Einfluss abschätzen und entsprechende Simulationen gestalten.
Ich glaube das würde einigen die Augen öffnen: schau her „Erde 2017 ohne menschengemachten Klimawandel“.
Bei Rauchern hilft ja auch der optische Vergleich „gesunde Lunge“ vs „Raucherlunge“ – eventuell versteht dann auch der letzte Zweifler den Unterschied bzgl Klimawandel.
@Alderamin
Es wäre interessant zu wissen, ob und wieviel Wasser die Venusatmosphäre aus Vulkanen bezieht. Käme nämlich keins dazu, würde der Wasserdampf in der Atmosphäre im Laufe der Zeit in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten, wobei letzterer dann ins Weltall entkommt. Dann wäre im Lauf der Zeit immer weniger Wasserdampf in der Atmosphäre.
@Ambi Valent
Der Wasserverlust ist definitiv wesentlich höher als mögliche Quellen, da man ein sehr hohes Deuterium-H-Verhältnis im Wasserdampf der Venus nachgewiesen hat. Da Deuterium etwas weniger leicht in den Weltraum verdampft als Wasserstoff, muss sehr viel Wasserstoff in den Weltraum entkommen sein. Modelle weisen dabei gigantische verlorene Wassermengen aus; empirisch ist das zwar nicht so weit eingegrenzt wie im Modell, aber plausibel.
@Limpi
Temperatur- und Sea-Ice-Anomalien wie in NASA-GISS online einsehbar stellen ganz genau den Unterschied dar zwischen Erde ohne menschlichem Einfluss und Erde mit diesem.
@Wizzy
Danke, den erhöhten Deuteriumanteil wollte ich auch anführen. Außerdem ist bis jetzt nicht einmal sicher, ob Venus überhaupt Vulkanismus hat (es scheint allerdings nach neuesten Beobachtungen welchen zu geben). Plattentektonik hat sie definitiv nicht.
@Alderamin
Sie hat mit relativer Sicherheit seltenen Supervulkanismus, die „global resurfacing events“ von denen zumindest eines vor 0,3 Mia Jahren auftrat und etwa 97% der Oberfläche mit Lava bedeckte, „followed by a dramatic reduction of volcanism and tectonism“.
@Alderamin
Wahrscheinlich nur der 3. Weltkrieg der Venusianer 😉
@Wizzy
Yep, weiß ich.
#5 Limpi
suchstest Du dieses hier ?
https://www.climate-energy-college.org/spiral/
Sehr gut, dass das einmal gesagt wurde. Denn tatsächlich ist der zugrunde liegende Effekt kaum bekannt und genau da setzen dann diese Klimaskeptiker an. Übrigens das Glas im Treibhaus wirkt genau wie die Klimagase: es lässt Sonnenlicht durch, das reflektierte infrarote aber nicht.
[…] Transkription der 10 Minuten kurzen Podcast Folge wurde in seinem Blog astrodicticum-simplex […]
nein !
das Glashsus heizt sich auf, weil das Glas einen Austausch der erhitzten Luft mit der Außenwelt verhindert.
Die Erde kann nicht die gesamte Energie die sie von der Sonne erhält wieder abgeben; die Lufthülle hält einen Teil zurück und der sorgt dafür, dass die Erde wärmer ist als sie es laut der Berechnung der Gleichgewichtstemperatur sein sollte.
Die Erklärung des Treibhauseffektes finde ich ein bisschen kurz gegriffen. Wenn sich die Atmosphäre nicht gerade, z.B. durch Verbrennen von Kohle, ändert, dann ist das System im Gleichgewicht. Sowohl die Erdoberfläche als auch die obere Atmosphäre nehmen genau soviel Energie auf wie sie wieder abgeben. Die Erdoberfläche ist im thermischen Gleichgewicht mit der unteren Atmosphäre. Die von der Erdoberfläche abgegeben Infrarotstrahlung wird von der unteren Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Mit zunehmender Höhe sinkt die Temperatur der Luftschichten. In der Höhe in der die IR-Strahlung tatsächlich in den Weltraum entfleucht herrscht dann tatsächlich die angesprochene Gleichgewichtstemperatur.
Was passiert wenn der Anteil der Treibhausgase steigt? Die IR-Strahlung entfleucht erst in einer größeren Höhe in den Weltraum. Dort ist es aber kälter. Also wird weniger Energie abgestrahlt als absorbiert wird. Somit wird die obere Atmosphäre wärmer. Diese Erwärmung schlägt sich dann auf die untere Atmosphäre und die Erdoberfläche durch.
Ich schätze, beide Ansichten sind nicht falsch. Wenn das Glashaus im selben Maße Infrarotstrahlung abgäbe wie es die sichtbare Strahlung aufnimmt, würde es sich ja nicht aufheizen.
@Bernhard Schmalhofer
Soweit richtig, aber ebenfalls ein Teil der Wahrheit: Der erwärmte Boden/Ozean kann direkt Wärme in den Weltraum abstrahlen über die atmosphärischen Fenster. Diese werden durch mehr CO2 etwas geschlossener (an den Rändern der Absorptionsbanden), so dass die Oberflächentemperatur – für diesen Aspekt des Strahlungshaushaltes betrachtet – ebenfalls steigen muss für ein neues Gleichgewicht.
@Wizzy
Danke für die Info. Ich finde genau diese Feinheiten das Interessante an der Klimaforschung. Das grobe Bild ist ja ganz einfach. Im Detail gibt es dann immer Effekte und Rückkoppelung auf die man nicht auf Anhieb kommt.
> Der menschengemachte Treibhauseffekt den wir mit unseren Kohlendioxid-Emissionen in den letzten 150 Jahren verursacht haben und immer noch in großem Maßstab verursachen ist aber auf gutem Weg das natürliche Gleichgewicht komplett durcheinander zu bringen.
Die ultimative Übersicht zum Thema: The Carbon Dioxide Greenhouse Effect aus The Discovery of Global Warming
Auch wenn ab heute keine neuen Treibhausgase in die Atmosphäre kämen, würde die Temperatur erst einmal noch etwas steigen, bis sie ein Gleichgewicht erreicht hätte, vielleicht ein halbes Grad Celsius. Das klingt nach wenig, ist aber schon 10% des Unterschieds zwischen Eiszeiten und den dazwischenliegenden Warmphasen.
Und die Auswirkungen treten auch erst verzögert ein, so dass es noch länger dauert, bis das ganze System wieder im Gleichgewicht wäre.
Eine Auswirkung, die sehr wahrscheinlich ist, ist das Abschmelzen des arktischen Meereises im Sommer – das Abschmelzen des Grönlandeises dagegen könnten wir noch bremsen und stoppen.
https://sites.google.com/site/arctischepinguin/home/piomas
https://sites.google.com/site/arcticseaicegraphs/
[…] kann das Klima doch gar nicht beeinflussen! (erscheint am 06.07.2017) Sternengeschichten 241: Der Treibhauseffekt (Sternengeschichten Folge 241) (erscheint am 07.07.2017) Klimawandel-Mythen 02: Der Mensch ist doch gar nicht verantwortlich für […]
Zitat:
„Laut Gleichgewichtstemperatur sollte es auf der Venus im Durchschnitt 50 Grad haben. Ziemlich heiß also aber noch nicht komplett lebensfeindlich. Tatsächlich liegt die Temperatur auf der Venus aber bei 470 Grad Celsius! Und das liegt allein an der gewaltigen Menge an Treibhausgasen in ihrer Atmosphäre.“
Das kann ich mir nicht vorstellen, dass der Temperaturunterschied NUR wegen der Treibhausgase existiert. Das blendet nach meinem physikalischen Verständnis den deutlich höheren Druck von 92 bar aus. Den Großteil der Temperaturunterschied zur Erde müssten demnach durch die Thermische Zustandsgleichung herzuleiten sein.
@René: „Das kann ich mir nicht vorstellen, dass der Temperaturunterschied NUR wegen der Treibhausgase existiert“
Nichtsdestotrotz ist es der Treibhauseffekt der für den Temperaturunterschied zur Gleichgewichtstemperatur verantwortlich ist.
“ Den Großteil der Temperaturunterschied zur Erde müssten demnach durch die Thermische Zustandsgleichung herzuleiten sein.“
Müsste? Oder ist? Wenn letzteres, dann leite das bitte doch auch mal her.
#24
schreib doch bitte mal die entsprechende Formel auf. Mein Physikbuch 9.Klasse bleibt unauffindbar.
@René:
Luft mit 92 bar ist nicht automatisch wärmer als Luft mit 1 bar. Nur wenn du Gas von 1 bar auf 92 bar komprimieren würdest, würde es durch diese Kompression natürlich wärmer. Aber danach würde die Luft diese zusätzliche Wärme auch wieder abstrahlen.
Und dann hast du wieder das alte Problem: Du bekommst Energie von der Sonne und strahlst Energie in den Weltraum. Und dann hängt es vom Treibhauseffekt ab, wieviel von der Energie, die von der Sonne kommt in der Atmosphäre bleibt, und wieviel ins Weltall abgestrahlt wird.
Der Druck spielt schon eine Rolle. Es sind halt 92 bar Treibhausgas, das ist eine viel höhere Teilchendichte als bei uns, die natürlich für die Absorption von Infrarotstrahlung eine Rolle spielt.
Der Druck für sich genommen macht keinen Unterschied. Eine Sauerstoff-Stickstoffatmosphäre unter 92 bar Druck ohne Teibhausgas wäre bei gleicher Einstrahlung nicht wärmer als die irdische (sondern kälter, weil ohne Treibhausgas).Der Partialdruck des CO2 ist das, worauf es ankommt: mit denselben 400 ppm CO2 wäre sie sehr wohl wärmer.
Zuerst: Ich leugne nicht, dass es den Treibhauseffekt durch die Athmosphäre gibt. Mehr als genug Beweise dafür gibt es ja. Mich hatte nur diese Formulierung irritiert, die aussagt, dass diese 420°C nur (im Sinne von ausschließlich) wegen dem Treibhausgasen verursacht werden. Letztlich habe ich aber ebenfalls den Fehler begangen postulatisch zu behaupten, dass der Großteil der Temperatur aus der Gaszustandsgleichung herzuleiten ist.
Ich schreibe kurz meine Gedankengänge diesbezüglich auf:
Das ein unter Druck gesetztes Gas bei nicht größer werdenen Volumen heißer wird ist bekannt. Druck, Temperatur und Volumen hängen bei einem Gas voneinander ab. Erhöht sich der Druck erhöht sich die Temperatur, bei gleichem Volumen. Wir haben bei einem Planeten kein abgeschlossenes System das macht die Sache kompliziert. Aber letztlich stellt sich mir die Frage, warum die Athmosphäre der Venus bei höheren Temperaturen (durch Treibhauseffekt) sich im Volumen nicht vergrößert. Das kommt sicherlich durch die Gravitation, die die Athmosphäre an die Venus bindet. Ohne Gravitation würde das Gas sich einfach im Weltraum verteilen.
Demzufolge kommt der Druck auf der Oberfläche durch die Masse des Festkörperanteil der Venus und der Luftmasse zustande. Würden wir nun die Sonne ausknipsen würde auf der Oberfläche der Venus immer noch eine Temperatur herschen, welche weit über die der Erde liegen.
Die Venus würde doch nicht den Großteil ihrer Athmosphäre verlieren, nur weil die Sonne nicht mehr strahlt.
Wenn das stimmt was ich bisher geschrieben/gedacht habe, dann weiß ich nicht warum dann das Avogadrosches Gesetz hier keine große Rolle spielen kann.
@René
Ja, temporär. Wenn man ein Gas komprimiert, wird es wärmer. Dann erhöht sich aber seine Abstrahlung und es kühlt wieder ab. Gase, die in einer Druckflasche aufbewahrt werden, haben Umgebungstemperatur (und kühlen ab, wenn man sie aus der Flasche entweichen lässt). Es stellt sich also langfristig wieder ein Gleichgewicht zwischen der einstrahlenden und abgestrahlten Leistung ein, die Temperatur fällt wieder auf den Wert vor der Kompression. Die Situation ist nicht adiabatisch, weil nicht abgeschlossen. Das gilt für die Venus genau so.
Aber die Teilchendichte des Treibhausgases, also sein Partialdruck, spielt eine Rolle, denn je mehr Teilchen vorhanden sind, desto mehr Infrarotstrahlung wird absorbiert (bis zur Sättigung, d.h. nichts der entsprechenden Wellenlänge kommt mehr durch). Und da macht es halt schon einen Unterschied, ob man 400 ppm CO2 bei 1 bar hat oder 400 ppm bei 92 bar. Oder gar 96,5% bei 92 bar, wie auf der Venus.
#28
Wenn du mich meinst:
p*V=m*R(S)*T
p = Druck
R(S) = spezielle Gaskonstante
V = Volumen
m = Masse
T = Temperatur
Nochmal als Überlegung:
Würde man die Treibhausgase der Venusathmosphäre durch die gleiche Masse an nicht-Treibhausgase ersetzen, wie groß wäre dann die Temperatur am Boden der Venus, wo ja dann kein Treibhauseffekt vorhanden wäre? 50°C? Bei 92 bar Druck?
Bin ich da einem riesen Bären augesessen?
@René
50°C. Exakt. Erklärung #26 und etwas ausfürhlicher #29 (noch in der Mod).
@myself
in Kombination mit #24. In #29 steht dann nochmal beides zusammen.
OK jetzt hab ich den Fachausdruck für meine Überlegungen gefunden: „Trockenadiabatische Temperaturgradient“.
Dieser Gradient gibt die Temperaturänderung in Abhängigkeit der Höhe eines idealen Gases an, sofern keine Aggregatszustandsänderung vorhanden ist. Dieser Gradient leitet sich aus dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ab.
Er beträgt 9,76 Kelvin bzw. Grad Celsius je einem Kilometer Höhe und wird für Höhenänderungen eines Luftpaketes verwendet, solange die relative Luftfeuchtigkeit unter 100 Prozent bleibt, also keine Überschreitung des Taupunkts und folglich Kondensation erfolgt. Als Vereinfachung veranschlagt man meist einen Gradienten von einem Kelvin je hundert Meter. Von großer Bedeutung ist, dass dieser Wert, abgesehen von kleinen Schwankungen durch Unterschiede in der Luftzusammensetzung und Schwere, höhenunabhängig ist, die Ab- bzw. Zunahme der Temperatur also linear verläuft.
Für die Athmosphären von Planeten muss man jedoch den feuchtadiabatischen Temperaturgradient heranziehen. Dieser ist aber ebenfalls linear.
Jetzt hab ich noch eine Gegenüberstellung des Temperaturverlaufs der Venus und der Erde in Abhängigkeit der Höhe.
https://www.nature.com/nature/journal/v450/n7170/fig_tab/450617a_F2.html#figure-title
Gemessen wurde dieses Profil durch die Sonde Venus Express.
Wie man sieht verlaufen die unteren Teile beider Temperaturprofile beider Planeten nahezu parallel linear. Müsste durch den viel höheren Treibhauseffekt (die Atmosphäre der Venus besteht ja zu 96% aus CO2) der Gradient im Temperaturprofil der Venus nicht eigentlich DEUTLICH höher sein, als der Temperaturgradient der Erde?
Auf dem Diagramm der Nature erkennt man aber, dass diese im unteren Bereich nahezu parallel laufen.
Wie ist das zu erklären?
@René
Mein Post #29 ist jetzt freigeschaltet, hast Du den gelesen?
Adiabatisch ist das Aufsteigen der Luft, die am Boden erwärmt wird, weil sie die Wärme nicht so schnell durch Strahlung verliert, wie sie aufsteigt, das ist quasi ein geschlossenes System. Insofern führt die Druckabnahme zur Abkühlung (bis zur Stratosphäre, wo das Ozon so viel Strahlung absorbiert, dass die Luft sich nach oben hin wieder erwärmt). Das ist zu unterscheiden von dem Druckunterschied zwischen Venus und Erde, der permanent besteht.
Nur da, wo Kondensation bei mehr als 10% Luftfeuchtigkeit ins Spiel kommt. Die Venus ist dabei extrem trocken.
Wenn die Erwärmung der Luft am Boden stattfindet (nur dann ist’s adiabatisch), dann hängt der (trockenadiabatische) Temperaturgradient doch nur vom Druckgradienten ab, und der von der barometrischen Höhenformel. Schaut man sich die Formel für die Erde an, so wird dT/dh bestimmt durch die Molmasse des Gases (CO2: 0,044 kg/Mol, Luft: 0,029 kg/Mol), die Schwerebeschleunigung (Venus: 8,87 m/s² , Erde: 9,81 m/s²) und die Konstanten R und ϰ (CO2 400°: 1,32, Luft 0°: 1,4). Bis auf R ergibt sich also für Venus R*dT/dh = 0,044*8,87/(1,32/(1,32-1)) = 0,0946 und für die Erde R*dT/dh = 0,029*9,81/(1,4/(1,4-1)) = 0,0813
Das liegt jetzt nicht soo weit auseinander. Jedenfalls spielt der Treibhauseffekt selbst keine Rolle für den Gradienten, wenn die Erwärmung im wesentlichen in der Nähe des heißen Bodens erfolgt. Das Sonnenlicht erwärmt den Boden, der strahlt die Wärme ab und die bleibt in der Luft hängen. Mal ganz vereinfacht betrachtet.
Ja deine Rechnung passt soweit. Das spiegelt sich ja auch in dem gemessenen Temperaturverlauf in Abhängigkeit der Höhe wieder welches ich in meinem letzten Beitrag verlinkt hatte. Wenn ich dieses aber bereits recht gut genähert mit den adiabatischen Temperaturgradienten erklären kann der ja unabhängig vom Treibhauseffekt existiert dann kann ich doch kaum sagen dass die 420°C Temperaturunterschied auf der Venus in Bezug zur Gleichgewichtstemperatur nur mittels des Treibhauseffekts zu erklären sind. Das ist ja das was ich in meinem Eingangspost anmerken wollte. Die Gleichgewichtstemperatur berücksichtigt ja nicht die Dicke der Atmosphäre. (Oder liegt hier mein Denkfehler?) Diese ist aber ein nicht zu vernachlässigender Faktor bei der Betrachtung der Oberflächentemperatur.
Das Extrembeispiel dazu sind ja Gasriesen. Dort herrschen im Inneren ja ebenfalls extrem hohe Temperaturen und Drücke. Dort wird man ja auch nicht von dem Treibhauseffekt als maßgebende Größe der inneren Temperatur ausgehen wenn ihre Zusammensetzung aus z.B. Methan bestehen würde.
@René:
Die Gleichgewichtstemperatur ergibt sich aus der Menge an Energie, die im System ist. Ohne Treibhauseffekt hast du eine Menge an Sonnenenergie, die als Licht ankommt und dann den Boden erwärmt. Dieser strahlt dann die Energie als Infrarotstrahlung wieder ins Weltall ab. Die Energie bleibt also nur eine relativ kurze Zeit im System.
Mit Treibhauseffekt wird die Infrarotstrahlung wieder von der Atmosphäre geschluckt, kann also nicht so leicht entweichen. Irgendwann entweicht die Energie trotzdem, war aber lange Zeit im System.
Dass die Energie lange im System bleibt, bedeutet auch, dass in der Zwischenzeit neue Energie ankommt und auch im System bleibt.
Angenommen, du hast eine Badewanne, in die pro Minute 10 Liter fließen. Der Gleichgewichtszustand ist dann erreicht, wenn dieselbe Menge Wasser abläuft, wie neu dazukommt, also pro Minute 10 Liter.
Im ersten Fall hättest du einen Abfluss, wo pro Minute zum Beispiel die Hälfte des Wassers abläuft. Dann hättest du einen Gleichgewichtszustand bei 20 Liter in der Wanne. Hättest du mehr, würde pro Minute mehr als 10 Liter ablaufen, so dass die Wassermenge abnimmt. Hättest du weniger, würde pro Minute weniger als 10 Liter ablaufen, so dass die Wassermenge zunimmt.
Im zweiten Fall (analog zum Treibhauseffekt) hättest du einen Abfluss, wo pro Minute nur ein Zehntel des Wassers abläuft. Und obwohl du denselben Zufluss von 10 Litern pro Minute hättest wie im ersten Fall. wäre diesmal der Gleichgewichtszustand erst bei 100 Litern in der Wanne erreicht. Und trotzdem würde, wenn du das Wasser abstellst, im Laufe der Zeit das ganze Wasser ablaufen.
@René, Ambi Valent
Genau, die Wärme kommt nicht weg, weil sie in der Atmosphäre bleibt und auch wieder zum Boden gestreut wird und diesen wieder zusätzlich erwärmt.
Das Badewannenbeispiel passt nicht so 100%, weil die Wanne bei einem Unterschied zwischen Zufluss und Abfluss leer laufen oder überlaufen würde (es sei denn, die Abflussmenge hinge empfindlich vom Füllstand ab; ein wenig spielt der Wasserdruck eine Rolle, aber dann dürfen Zufluss und Abfluss nicht zu verschieden sein, sonst ergibt sich kein Gleichgewicht, dafür ist eine Badewanne nicht tief genug).
Bei der Temperatur ist es so, dass nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz die abgestrahlte Leistung mit der vierten Potenz der Temperatur zunimmt, also gibt es eine extreme Temperaturabhängigkeit.
Das gilt vor allem für den erwärmten Boden. Aber auch die absolute Wärmemenge, die die Atmosphäre nach außen durchdringt (Transmission), ist temperaturabhängig. Wenn sie beispielsweise nur 1% Wärmestrahlung durchlässt, dann wird bei der hundertfachen eingestrahlten Leistung genau so viel Wärmeleistung durchgelassen wie ohne Atmosphäre (oder ohne Absorption) entweichen würde. Wenn die Wärme festgehalten wird und die Temperatur steigt, steigt die abgestrahlte Leistung des Bodens stark an. Bei einer bestimmten Temperatur stellt sich dann der Punkt ein, wo genau so viel Leistung durch die Atmosphäre dringt, wie eingestrahlt wird. Und diese Temperatur hängt eben empfindlich davon ab, wie hoch die Transmission der Atmosphäre ist.
Das ist wie beim Tragen von Kleidung. Ohne Kleidung entweicht die Wärme quasi sofort. Mit Kleidung wird die Wärme nahe am Körper festgehalten, aber nicht beliebig – die Temperatur steigt unter der Kleidung so lange, bis die Leistung, die durch die Wäsche durch Wärmeleitung entweichen kann, genau so groß ist, wie die Leistung, die vom Körper abgegeben wird. Ziehen wir uns wärmer an, nimmt die Wärmeleitung durch die Kleidung ab und die Temperatur steigt weiter, bis das Gleichgewicht wieder erreicht ist. Was an der Oberfläche an Leistung entweicht, ist aber nicht mehr als die Leistung, die vom Körper abgegeben wird, und die ist wiederum nicht (viel) höher als ohne Kleidung (mal abgesehen vom Frieren, wo der Wärmefluss über die Haut gedrosselt wird, oder Schwitzen, wo Wasser verdunstet wird; man zieht sich aber normalerweise so an, dass man bei gegebener Außentemperatur im Komfortbereich bleibt, und die Abstrahlung in diesem Bereich ist ziemlich konstant; der Wärmefluss durch die Kleidung hängt nämlich nicht nur von deren Dicke ab, sondern auch von der Differenz zwischen der Temperatur unter und außerhalb der Kleidung, deswegen ziehen wir uns bei kälterem Wetter wärmer an und haben wieder die gleiche Gelichgewichtstemperatur auf der Haut wie bei wärmerem Wetter mit dünnerer Kleidung; aber die Abstrahlung der Venus in den Weltraum bleibt immer gleich).
So ähnlich funktioniert das beim Treibhauseffekt, nur kommt die Leistung da von außen als Licht rein, um dann als Infrarotstrahlung festgehalten zu werden. Das liegt einfach an den Absorptionsbanden des Kohlendioxids, die im Infraroten liegen und recht breit sind. Bei der Erde spielt auch noch Wasser eine große Rolle, dessen Verdunstung mit der Temperatur zunimmt.
@Alderamin
Danke. Ich hatte die Badewanne nur zur Anschaulichkeit verwendet, obwohl der Ablauf in einer realen Badewanne nicht so funktioniert. Da passt das Kleidungsbeispiel besser.
@Alderamin
Ja das Kleidungsmodell ist tatsächlich passender und veranschaulicht die Sache gut. Danke dafür 😉
Oh Herr, eben gerade fuhr der Gottseibeiuns durch meine bescheidene Kemenate… ich erhielt Nachricht der neuesten Absonderung Krügers auf science sceptical (weiß gar nicht, womit ich dieses zweifelhafte Vergnügen verdient habe, ich arme Sau…).
Länger als sechzig Sekunden Diagonallesen hielt ich allerdings nicht aus…wieviel schafft ihr ?
@René
Mein Vater, der ein sehr kluger Mann war, erklärte mir vor genau der Anzahl von Jahrzehnten, die meiner 60m-Bestleistung in Sekunden entspricht (habe mich gerade mit dem Luzifer-Rätsel beschäftigt, Entschuldigung) die Sache so:
Klein-Stephan: Warum wird es so schön warm im Bett, wenn wir uns mit einer Bettdecke zudecken, obwohl sie doch so kalt ist (wie gesagt, es ist Jahrzehnte her, vor dem beginnenden Klimawechsel und außerdem hoch oben in den Bergen und Heizung war teuer) ? Er: Zuerst wärmen wir die Bettdecke, dann sie uns.
Da kann ich nur sagen: was ist Tyndall, was ist Rahmstorf ?
Ähnliches Erlebnis:
Klein Stephan: Oh, heute erwärmt die Sonne die Luft aber wieder so doll ! (Ja, in der damals noch sauberen Bergluft konnte es manchmal deutlich über 35° werden !!) Er: Nein, die Sonnenstrahlen erwärmen nur den Erdboden, dieser erwärmt dann die Luft.
Mein Fazit: Klimawissenschaft könnn wir uns eigentlich sparen.
An alle die mir antworteten:
Man ich bin ja auch dämlich. So ein Fauxpas hätte ich mir vorher gar nicht zugetraut. Wenn die Venus so funktionieren würde, wie ich mir das vorgestellt habe, dann wäre sie ein Perpetuum Mobile. Die Venus strahlt Wärmeenergie ins All ab. Wenn keine neue hinzukommt, kann die Dichte der Athmosphäre noch so dick sein, allein aus der thermischen Zustandsgleichung kann ja keine Energie kommen, da ja keine Arbeit verichtet wird. Der Energieerhaltungssatz sollte eigentlich auch auf der Venus gelten.
Ich verstehe zwar noch nicht ganz, warum das Temperaturprofil der Venus in Bodennähe nahezu parallel zur Erde verläuft, aber gut das ist ein anderes Problem, wo ich sicherlich auch noch drauf kommen werde.
@René (#23 u.v.)
Wenn die Atmosphäre völlig durchsichtig wäre, kann der Boden im Infraroten ungehindert Energie in den Weltraum ausstrahlen, ohne dass er etwas aus der Atmosphäre zurückbekommt. Er kann dann nicht wärmer werden, als ohne Atmosphäre durch die Sonne.
Genau, der Temperaturgradient in der Atmosphäre kann nicht steiler werden als der trockenadiabtische Temperaturgradient. Er hängt von der Gravitation und der Wärmekapazität des Gases ab. Beides ist für Venus und Erde hinreichen ähnlich, so dass sich ähnliche Werte ergeben. Sonst ergibt sich eine starke Konvektion, die an stelle der Strahlung die Temperatur in der Atmosphäre nach oben transportiert.
Der Temperaturgradient auf der Venus ist nicht steiler, sondern die Troposphäre dicker.
Der Druck hat soweit einen Einfluss auf die Temperatur, als dass er den Treibhauseffekt verstärkt. Die Absorptionsbanden werden durch den Druck breiter.