klimanews

Ein Umweltphysiker im Klimawandel

Archiv für Februar 2009

Rückblick Winter 2008/2009 – Wieder mal ein echter Winter

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Der Winter 2008/2009 hat seinem Namen alle Ehre gemacht. Temperaturen bis unter minus 20 Grad ließen zahlreiche Gewässer zufrieren. Vielfach war die Schifffahrt beeinträchtigt. Dazu kamen Schneefälle bis in Flachland. Besonders viel Schnee sammelte sich im Februar an, wo in den östlichen Mittelgebirgen und in den Alpentälern bis zu 1,5 Meter gemessen wurden.

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Im Vergleich zum Klimamittel (1961-1990) war der Winter etwa 0,5 Grad kälter…

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Freitag, 27 Februar, 2009 at 14:33

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CO2 Absorption im Selbstversuch

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Ein schönes Experiment zur CO2 Absorption und zum Treibhauseffekt habe ich kürzlich im Internet gefunden.

Siehe hier

Eine Kerze wird angezündet und hinter einer luftdicht verschlossenen Glasröhre aufgestellt. Am anderen Ende der Röhre befindet sich eine IR-Kamera. Die Röhre wird nun über eine Druckflasche mit CO2 befüllt. Das IR-Bild der Kerze verändert sich. Die Flamme geht von einer rötlich-gelben Färbung in eine grünlich-blaue Färbung über. Damit ist die CO2 Absorption der Wärmestrahlung belegt.

Schön und gut, aber es stellt sich die Frage: Was hat das mit dem sog. Treibhauseffekt zu tun?

Zunächst ein wenig Grundlagenwissen aus der Atmosphärenphysik und Spektroskopie.

Die Erdatmosphäre besteht zu ca. 78% aus Stickstoff, zu ca. 21% aus Sauerstoff und zu ca. 1% aus Argon. Der CO2-Anteil beträgt ca. 0,038%. Das wirksamste sog. Treibhausgas in der Atmosphäre ist der Wasserdampf. Weit dahinter folgen Treibhausgase wie CO2, Methan (CH4), Ozon (O3) und Stickoxide (N2O), welche nur noch in Spuren in der Atmosphäre vertreten sind.

Die Hauptbestandteile der Luft Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) (99% Anteil) absorbieren keine IR-Strahlung. Diese Gase sind für IR-Strahlung weitgehend transparent. Nur die in Spuren vertretenen sog. Treibhausgase sind in der Lage IR-Strahlung zu absorbieren. Diese Gase absorbieren auch nicht über den ganzen IR-Bereich, sondern nur bei diskreten Wellenlängen (Absorptions-Linien/Banden).

Siehe hier

Die nachfolgende Abbildung gibt einen Überblick über die Wärmeabstrahlung der Erde (oben rechts) und das Absorptionsvermögen der Treibhausgase (direkt darunter).

atmospheric_transmission

Quelle: Wikipedia

Die Erde Strahlt die aufgenommene Wäre der Sonne in einem Wellenlängenbereich zwischen 3 und 100 Mikrometer (Millionstel Meter) wieder ab (Infrarotstrahlung, die blaue Kurve, rechts oben im Bild). Nur in einem schmalen Bereich eines Strahlungsfenster zwischen 8 bis 13 Mikrometer ist eine nahezu ungehinderte Ausstrahlung möglich (der blau gekennzeichnete Bereich, rechts oben im Bild). Vor allem der Wasserdampf in der Atmosphäre ist für die Eingrenzung auf dieses Strahlungsfenster verantwortlich. Er absorbiert den Grossteil der Strahlungsenergie und grenzt die Durchlässigkeit des Fensters auf 8 bis 17 Mikrometer ein. CO2 kommt als Treibhausgas an zweiter Stelle. Es grenzt das Strahlungsfenster vor allem im Bereich von 13 – 17 Mikrometer ein. (Maximale Absorption liegt bei 15 Mikrometer).

Durch das sog. Strahlungsfenster bei 8 bis 13 Mikrometer (der blau gekennzeichnete Bereich, rechts oben im Bild) schauen auch die IR-Wettersatelliten. Hier kann die Wärmestrahlung der Erde nahezu ungehindert entweichen. Das ermöglicht einen direkten Blick bis auf die untere Wolkendecke und Erdoberfläche.

alpen-ir-2

IR-Bild eines Wettersatelliten von den Alpen (Vergrößerung: Klick)

Außerhalb des Wärmeabstrahlungsspektrums der Erde liegen ebenfalls sog. Infrarotfenster, welche für das IR-Licht durchlässig/durchsichtig sind. Astronomische Beobachtungen über erdgestützte Observatorium/Teleskope (z.B. von den Kanarischen Inseln aus) sind hier möglich. Beispiele dafür zeigt die nächste Abbildung.

ir-astronomie2

Über das 1.25-Mikrometer (J Band), dass 2.2-Mikrometer (K Band) und das 4.7-Mikrometer (M Band) lässt sich z.B. von der Erde aus der Mars beobachten. Dabei kann man im IR sogar durch die Marsatmosphäre (welche zu fast 100% aus CO2 besteht) bis auf die Marsoberfläche blicken. Mit einer handelsüblichen IR-Kamera, die im Bereich von 7,5-13 Mikrometer misst, kann man ebenfalls den Sternenhimmel betrachten. Ein Blick auf den Mond ist problemlos möglich.

Diese Beobachtungen sind möglich, da man in Wellenlängenbereichen durch die Atmosphäre schaut, welche nicht oder nur wenig durch die Absorptions-Linien/Banden der Treibhausgase beeinträchtigt werden. Geht man in den Bereich der Absorptions-Linien/Banden der Treibhausgase, so wird die Atmosphäre für Wärmestrahlung undurchlässig/undurchsichtig.

Kommen wir also auf den Versuch vom Anfang zurück. Für das Experiment wurde die IR-Kamera über Filter und Software so eingestellt, dass man sich im Bereich der ungesättigten Absorptions-Linien/Bande des CO2 bei 4,3 Mikrometer befindet. (Also weitgehend außerhalb des Wärmeabstrahlungsspektrums der Erde, aber mitten im Wärmeabstrahlungsspektrum der Kerzenflamme).

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Messbereich einer IR-Kamera im mittleren Infrarot (3-5 Mikrometer). Mit Filtern wurde der Messbereich (Sichtbereich der Kamera) auf die Absorptions-Linien/Bande des CO2 bei 4,3 Mikrometer eingegrenzt.

Weiter wurde eine 100% CO2-Atmosphäre mit leichtem Überdruck in die Röhre erzeugt. Es wurden also spezielle Voraussetzungen geschaffen, um das Experiment glücken zu lassen. Nur hat das wenig mit der Realität zu tun. Die entscheidende Ausstrahlungsfenster der Erde liegt bei 8 bis 13 Mikrometer und die für den Treibhauseffekt entscheidende Absorptions-Linie/Bande des CO2 bei 15 Mikrometer. Für die Messung wurde also der falsche Spektralbereich (der falsche Wellenlängenbereich) gewählt.

Weiter zu berücksichtigen ist, dass die entscheidende Absorptions-Linie/Bande des CO2 bei 15 Mikrometer (die im Versuch nicht gezeigt wird) weitgehend gesättigt ist. Das bedeutet, die aktuelle CO2-Konzetration von 0,038% bzw. 380 ppm (CO2-Teile pro Mio. Luftteilchen) in der Atmosphäre, leistet nahezu alles, was sie zu leisten im Stande ist. D.h. weiteres CO2 trägt kaum noch zur Verstärkung der Absorption bei. Das kann man sich anhand einer rußgeschwärzten Glasscheibe veranschaulichen, durch welche man in den Himmel blickt. Anfangs ist die Scheibe noch völlig durchlässig für das Sonnenlicht. Mit dem Schwärzen nimmt die Durchlässigkeit aber schnell ab. Am Ende bringt ein weiteres Schwärzen nichts mehr viel, da die Scheibe nahezu undurchlässig für das Sonnenlicht geworden ist. Ähnlich verhält es sich mit der Absorptions-Linie/Bande des CO2 bei 15 Mikrometer. Auch hier müsste man in die ungesättigten Randbereiche der Linien und Banden bei 15 Mikrometer gehen, um einen kleinen Effekt zeigen zu können.

Anlage: Mit der IR-Kamera in der Disco

Die eingeatmete Luft enthält:
0,038 % CO2.

Nach Pschyrembel, Medizinisches Wörterbuch, 257. Auflage, 1994 S. 130 enthält die ausgeatmete Luft:
4 % CO2. (Das über 100-fache der eingeatmeten Luft).

Benutz man eine handelsübliche IR-Kamera (ohne Filter) in einer Disco, so zeigt sich keine Beeinträchtigung der Aufnahmen, durch das ausgeatmete CO2 der Tänzer.

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Donnerstag, 26 Februar, 2009 at 15:27

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Februar 2009 – Winterwetter und kein Ende in Sicht

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Mittwoch, 25 Februar, 2009 at 12:58

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Vom Polarwind verweht?

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Seit Jahren rätseln Forscher, warum die Eisbedeckung des Meeres am Nordpol zurückgeht. Neben dem Klimawandel spielt offenbar der Wind eine wichtige Rolle.

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… Daten aus der Vergangenheit zeigen, dass das Klima der Arktis höchst variabel ist. Im zweiten Drittel des 20. Jahrhunderts etwa ließ eine bislang unerklärliche Wärmephase das Meereis fast so stark schrumpfen wie derzeit…

Neue Daten zeigen, dass der Wind eine große Rolle spielt. Der Rekord-Rückgang der beiden vergangenen Sommer sei etwa zur Hälfte darauf zurückzuführen, dass Wind das Eis aus der Arktis getrieben habe, berichten Polarforscher um Frank Kauker vom AWI im Fachblatt Geophysical Research Letters. Die Temperatur im Spätsommer habe sich lediglich “zu 20 Prozent” ausgewirkt…

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Dienstag, 24 Februar, 2009 at 14:49

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Entwicklung der Globaltemperatur nach HadCRUT3 (1850-2004 vs. 1850-2008)

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Dienstag, 24 Februar, 2009 at 13:31

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Reichen die alternativen Energien wirklich aus?

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Ökostrom aus erneuerbaren Energien soll bis 2020 die Hälfte des deutschen Strombedarfs decken – so die Prognose des Branchenverbandes. Doch die dieser Vorhersage zugrunde liegenden Annahmen sind sehr optimistisch – und sie unterschätzen die Kosten bei weitem.

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Montag, 23 Februar, 2009 at 18:35

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Messwerte der Globaltemperatur und Szenarien des IPCC im direkten Vergleich

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Die Abbildung zeigt eine Überblendung zwischen den Temperatur-Szenarien (Simulationen) des IPCC 2007 (aus dem 4. Klimabericht) und der tatsächlich gemessenen Globaltemperatur (HadCRUT3, Daten des Met Office: 1900-01.2009). Die Graphen wurden gleich skaliert, auf einen gemeinsamen Referenzwert gebracht und anschließend direkt übereinander gelegt.

Die Überblendung zeigt einen gleitenden Mittelwert über 1 Jahr (die rote Linie) und über 11 Jahre (die schwarze Linie). Verwendet wurden die monatlich Messwerte der globalen Temperaturanomalie.

Link

Es fällt auf, dass die Simulationen des IPCC die Warmphase um 1940 völlig weggeglättet haben und nur innerhalb der Fehlergrenzen abbilden können.

Deutlich zu erkennen ist zudem, dass sich die Messwerte gegenwärtig im untersten Bereich der Modell-Szenarien bewegen. Und das, obwohl wir weiterhin ungebremst CO2 ausstoßen. Der gleitende Jahresmittelwert ist derweilen unter den Temperaturverlauf für das niedrigste Emissionsszenario gefallen (die gelbe Linie, konstante Jahr-2000-CO2-Konzentration). Die Klimamodelle sind also weder in der Lage die Vergangenheit richtig abzubilden, noch die Gegenwart.

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Sonntag, 22 Februar, 2009 at 16:03

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Ein Polarforscher zum Klimawandel

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Samstag, 21 Februar, 2009 at 14:31

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Extremwetterkongress in der Kälte

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Samstag, 21 Februar, 2009 at 11:47

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Ist das Klima ein chaotisches System?

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Wie sehr natürliche Zyklen des Klimasystems die Erdtemperatur bestimmen, lässt sich einer im Jahre 2007 in den Geophysical Research Letters veröffentlichten Studie einer Forschergruppe um den Geophysiker Anastasios Tsonis von der University of Wisconsin-Milwaukee entnehmen.

Tsonis, A.A., K.L. Swanson, and S. Kravtsov, 2007: A new dynamical mechanism for major climate shifts. Geophys. Res. Lett., doi:10.1029/2007GL030288

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Die Autoren Tsonis und Swanson et al. untersuchten, wie sich bekannte Klimazyklen im vergangenen Jahrhundert verhielten. Dazu zählten die Pazifische Dekadische Oszillation (PDO), El Nino/Südliche Oszillation (ENSO), die Nordpazifische Oszillation (NPO) sowie die Nordatlantische Oszillation (NAO). Die PDO und ENSO gehen mit Temperaturveränderungen im Pazifik einher. NPO und NAO sind Wettersysteme im Nordpazifik und Nordatlantik. (NPO: Wettersystem zwischen Tiefdruckgebiet im Golf von Alaska und Hochruckgebiet über Hawaii, NAO: Wettersystem zwischen Islandtief und Azorenhoch).

Zu ihrer Überraschung stellten die US-Forscher fest, dass die Schwingungen in diesem Zeitraum mehrmals im Gleichklang verliefen, ihre Phasen hatten sich also synchronisiert. Dies kommt daher, dass sich das Klima wie ein chaotisches System verhält, analog etwa den Schwingungen verbundener Pendel. Wie bei diesen verstärkte sich die Kopplung der Schwingungen zunächst, dann aber wurde die Synchronisation zerstört, und die Phasen liefen wieder auseinander. Dabei stellte sich jeweils ein neuer Klimazustand ein, verbunden mit veränderten Globaltemperaturen.

Dieser Mechanismus führte laut Tsonis eine Mitte der 70er-Jahre beobachtete Abkühlung der Oberflächentemperatur im zentralen Pazifischen Ozean herbei, wobei sich zeitgleich die Küste des westlichen Nordamerika erwärmte. Damit wurde eine Phase sinkender globaler Temperaturen eingeleitet. Nachdem diese Klimaverschiebung abgeklungen war, begann eine Phase häufiger El Ninos und ansteigender globaler Temperaturen. Insgesamt, glauben die Autoren, lassen sich auf diese Weise alle Klimaänderungen im 20. Jahrhundert erklären – einschließlich des Temperaturanstiegs in dessen letzten drei Jahrzehnten.

Siehe auch

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Freitag, 20 Februar, 2009 at 13:59

Veröffentlicht in Klimawandel, Nicht kategorisiert

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