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Ein Umweltphysiker im Klimawandel

Archiv für Februar 20th, 2008

Fällt der natürliche Treibhauseffekt mit dem Emissiongrad der Erde?

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Das Grundaxiom der Treibhaushypothese sieht wie folgt aus: Ohne Treibhausgase habe die Erde eine Globaltemperatur von –18°C. Die Treibhausgase erwärmten die Erde um 33°C auf +15°C, dass entspricht der gemessenen Globaltemperatur. Man spricht hier vom sog. „natürlichen Treibhauseffekt“. Die Berechnung der –18°C Globaltemperatur erfolgt mit dem Wert 1 für die Emissivität der Erdoberfläche (entsprechend eines idealen Schwarzen Körpers). Als dieser wird die Erde der gängigen Treibhaustheorie nach betrachtet. Der Emissionsgrad ist ein Maß für die Fähigkeit von Materialien, infrarote Energie zu absorbieren oder abzustrahlen. Der Wert kann zwischen 0 und 1,0 liegen. So hat z.B. ein Spiegel einen Emissionsgrad von 0,1. Dagegen hat der so genannte “Schwarze Strahler” einen Emissionsgrad von 1,0.

Die Frage ist nun: Wie hoch ist der Emissionsgrad der Erde in Wirklichkeit?

Vertraut man den Aussagen der Treibhaustheorie, so sollte er entsprechend dem idealen schwarzen Körper = 1 sein.

Zieht man allerdings Tabellenwerte für den Emissionsgrad zu Rate, so finden sich aber recht unterschiedliche Werte.

Dabei zu beachten ist: Die Tabellenwerte sind Durchschnittswerte, da der Emissionsgrad eines Materials von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Dazu gehören:

1. Temperatur
2. Messwinkel
3. Geometrie der Oberfläche (eben, konkav, konvex)
4. Dicke
5. Oberflächenbeschaffenheit (poliert, rauh, oxidiert, sandgestrahlt)
6. Spektralbereich der Messung
7. Transmissionsvermögen (z.B. bei dünnen Plastikfolien)
8. Wellenlänge (in µm) bei der gemessen wird

Es bietet sich an als Richtwert für die Erde den Emissionsgrad von Wasser zu wählen, da die Erde zu ca. 70% mit Wasser bedeckt ist (60% machen die Ozeane aus). Nur ca. 30% beträgt der Landteil. Zu berücksichtigen ist zudem die Kryosphäre (u.a. die Seeeisbedeckung von in etwa 20 Mio. Quadratkilometern, dass entspricht in etwa 10% der Erdoberfläche).

1) Für die berührungslose Temperaturmessung werden sog. Pyrometer (Strahlungsthermometer) eingesetzt (Messbereich i.d.R. stufenweise 1…7.9 µm und der Bereich von 8-14 µm Wellenlänge).

Jeder Gegenstand emittiert Infrarot-Strahlung, deren Intensität von seiner Temperatur abhängt. Diese Strahlung wird mit dem Pyrometer erfasst und ausgewertet. Grundlage bildet das Stefan-Boltzmann-Gesetz, nach dem die Gesamtstrahlungsleistung P für einen idealen Schwarzen Körper von der absoluten Temperatur T (in K) abhängt. Mit der Stefan-Boltzmann-Konstanten σ und der Grundfläche A erhält man:

P = σ * A * T^4

Reale Körper strahlen eine um den Faktor ε geringere Intensität aus:

P = ε * σ * A * T^4

Für eine berührungslose Temperaturmessung muss man den Emissionsgrad ε, also die Wärmeabstrahl-Fähigkeit des Messobjekts kennen. Dieser wird den Tabellenwerten entnommen.

Für den Emissionsgrad von Wasser finden sich dabei folgende Tabellenwerte.

Emissionsgrad-Tabelle2

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2) Der spektral gerichtete Emissionsgrad ist abhängig von der Wellenlänge und dem Abstrahlungswinkel. Die Tabellenwerte geben stoffspezifische Durchschnittswerte für den Gesamt-Emissionsgrad ε (Gesamtstrahlung) von Oberflächen bei der Temperatur T an. Teilweise wird dabei noch unterschieden zwischen senkrechter Abstrahlung (zur Flächennormalen) und Abstrahlung in einen hemisphärischen Halbraum.

Für Wasser finden sich dabei Werte von 0,67 und welche zwischen 0,91 – 0,98. Wie diese Unterschiede zu Stande kommen und welcher Wert nun korrekt und anzusetzen ist, ist für mich dabei ein Rätsel. Ein anderer Experte hat sich diesbezüglich auch schon überrascht gezeigt. (Zitat: „…die Zahl selbst ueberrascht mich halt ein bisschen… Offensichtlich ist es voellig gleichgueltig ob eine Oberflaeche nach oben oder 45° nach links oder rechts abstrahlt. Bis die IR Strahlung den Planeten verlaesst ist sie millionenfach absobiert, re-emittiert und in Waerme umgesetzt worden.“ Dazu eine kleine Anmerkung von mir. Wir sprechen doch beim natürlichen Treibhauseffekt zunächst von einer Atmosphäre ohne treibhauseffektive Gase und es errechnet sich entsprechend eines Schwarzen Körpers eine Temperatur von –18°C. Gemessen wird aber mit treibhausaktiven Gasen eine Globaltemperatur um die +15°C. Die Differenz von 33°C schreibt man dann alleine den treibhausaktiven Gasen zu).

Weiterhin ist festzustellen, dass Landoberflächen (den Tabellenwerten nach) i.d.R. einen weitaus geringeren Emissionsgrad als Wasser (ich setzte hier einmal 0,91 – 0,98 an) und Eis (0,92 – 0,98) haben. Dazu die nachfolgende Abbildung:

Emissionsgrad-Iran

Gezeigt wird eine Geländekarte des Irans. Anhand einer geologischen Karte wurde der Iran in 5 Teilgebiete mit unterschiedlichen Emissionsgrad eingeteilt. Die Werte für den Emissionsgrad wurden dabei Tabellen aus den Veröffentlichungen von Nerry et. al (1990) und Wan und Dozier (1989) entnommen. (Angesetzte Emissionsgrade in Abhängigkeit vom Untergrund und Material: 0,856, 0,877, 0,912, 0,934 und 0,958).

Quelle: Emissivity Determination for Land Surface Temperature estimation of Iran using AVHRR Thermal Infrared Data. Foroogh Beik and M. Reza Saradjian. Remote Sensing Division, Surveying and Geomatics Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran, 2003.

Fazit: Wie man es dreht und wendet, man kommt in keinen Fall auf einen Emissionsgrad der Erdoberfläche von 1. Die Erde entspricht also nicht einem „Schwarzen Körper“ mit Emissionsgrad von = 1, sondern einem „Grauen Körper“ mit Emissionsgrad < 1. Rechnet man beispielsweise mit einem Emissionsgrad von 0,9, so erhält man eine Globaltemperatur von ca. –12°C ohne treibhausaktive Gase. Damit würde sich der sog. „natürliche Treibhauseffekt“ von 33°C auf 27°C reduzieren. Also um nahezu 20%. Selbst wenn man den maximalen Emissionsgrad von Wasser und Eis von 0.98 für die komplette Erde mit Landteil ansetzt erhält man für den „natürlichen Treibhauseffekt“ nur einen Wert von 32°C. Also 1°C weniger als die Theorie her gibt.

Schwarzer-Grauer-Körper

Zitat P. Krahmer:

„Die Treibhaustheorie rechnet nur in erster Näherung mit der Erde als “schwarzer Körper”. In Wirklichkeit ist die Erde ein “Grauer Körper” der dann sehr wohl eine höhere Oberflächentemperatur durch selektive Emission und Absorption erreichen kann. Hauptverursachend wirken hier Wasserdampf (etwa 90%). Ob das vom Menschen zusätzlich emittierte CO2 den Treibhauseffekt beeinflußt, konnte noch nicht eindeutig (signifikant) nachgewiesen werden, da das System Erde weit komplexer als ein einfacher “schwarzer Körper” ist.“

Written by admin

Mittwoch, 20 Februar, 2008 at 20:47

Veröffentlicht in Klimawandel

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