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Ein Umweltphysiker im Klimawandel

Strahlungsantrieb (Forcing) und Rückkopplungen (Feedbacks) im System Erde: Wenn Klimamodelle sich widersprechenden

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1. Annahme: Die Strahlungstransfergleichung gibt an, wie sich die Intensität der elektromagnetischen Strahlung (kurzwellige Sonneneinstrahlung und langwellige Erdabstrahlung) bei einer bestimmten Frequenz beim Durchlaufen der Atmosphärenschicht durch Absorption (Abschwächung) und Emission (Verstärkung) verändert. Absorption wird dabei gemäß dem Gesetz von Beer-Lambert beschrieben. Die Emission wird über die Planck-Funktion beschreiben. Im thermodynamischen Gleichgewicht entsprechen Emission und Absorption. Somit erhält man die sog. Schwarzschild-Gleichung. Letztendlich erhält man durch Umformen eine Gleichung für die Strahlungsflüsse nach oben F↑ und nach F↓ unten. Eine exakte Lösung ist nicht möglich, daher verwendet man Näherungslösungen.

2. Annnahme: Im Gleichgewicht sind die Strahlungsflüsse der Sonne FS und der Erde FE gleich groß. (Kurz- und langwellige Strahlungsanteile werden dabei berücksichtigt). Wird das System gestört durch sog. „radiatve forcing“ (Strahlungsantrieb) in Folge einer Zunahme/Abnahme von treibhausaktiven Gasen, Aerosolen, Wolken oder einer Zunahme/Abnahme der Sonneneinstrahlung, so werden sich die ursprünglichen Strahlungsflüsse anpassen, bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand eingestellt hat. Damit ergibt sich:

d FR = d (FE – FS)

Das radiative forcing d FR durch ein Spurengas wird durch verschiedene Faktoren bestimmt: Durch den Druck, die Temperatur sowie durch die atmosphärische Konzentration, die Stärke und die Lage der Absorptionslinien bzw. Banden. (Druck-(Stoß)-Verbreitung vor allem in geringer Höhe und Doppler-Verbreitung der sich bewegenden, emittierenden Moleküle spielen dabei mit ein). Die Bestimmung des radiative forcing erfolgt mittels Strahlungstranfer-Modellen (Strahlungstranfer-Codes, z.B. Modtran, Hitran, Lowtran, …) in denen die Strahlungstransfergleichung sowie atmosphärische Profile (gemessene, oder gemittelte), Wolkenbedeckung und Wolkenart, die Oberflächenalbedo und die Insolation (Sonneneinstrahlung) eingehen. Die atmosphärischen Profile beinhalten die vertikalen Profile von Druck, Temperatur sowie Molekül- und Aerosolverteilungen. Daraus ergeben sich folgende Näherungen (numerisch gelöst):

Für Gase, die in geringer Konzentration vorliegen, wie die FCKWs (CFCs), nimmt die Absorption linear zu. Für Gase, die bereits recht stark absorbieren, wie Methan (CH4) oder Lachgas (N2O), ist d FR proportional der Wurzel aus der Konzentration und für CO2, das schon sehr stark absorbiert, geht die Zunahme proportional dem Logarithmus, und sieht wie folgt aus:

d FR = a · ln (CO2 / CO20)

Verschiedene Werte für a in W/m2 gehen dabei aus den unterschiedlichen Modellen hervor:

a = 7,6 (bei klarem Himmel), a = 6,7 (bei Bewölkung): 2D-Modell von Brasseur et al. (1990)

a = 6,3 (IPCC 1990, Houghton et al 1990) basierend auf einen Wert von a = 6,333 (Wigley’s Formel, abgeleitet von einem Modell von Kiehl and Dickinson (1987))

a = 5,35 (aktueller Wert welcher vom IPCC verwendet wird)

Weitere Näherungsformeln sind im Umlauf. Siehe z.B. 3. IPCC-Bericht Kapitel 6.

3. Annahme: Wenn man annimmt, dass das Gleichgewicht durch eine Erhöhung der Oberflächentemperatur um d T erfolgt, so kann man einen Klima Sensitivitätsfaktor λ definieren mit:

λ = dT / d FR

4. Annahme: Der Strahlungsfluss der Sonne welcher von der Atmosphäre und der Eroberfläche absorbiert wird beträgt im Mittel für die Erdhalbkugel, in der Annahme, dass eine Kreisfläche (der Erdquerschnitt) bestrahlt wird:

FS = (F / 4) · (1 – A) = 239,4 W/m2

5. Annahme: Der Strahlungsfluss vom Erdboden Richtung Atmosphäre, beträgt entsprechend der Abstrahlung eines schwarzen Körpers, als welcher die Erde näherungsweise gesehen wird:

FE = δ · T4 = 239,7 W/m2

So erhält man mit (3) und T = 255 K und σ = 5,67·10-8 W/m2K4:

1 / λ = d FR / d T = (d FE / d T) – (d FS / d T) = 4 · δ · T3
λ = 0,27 K/(W/m2)

6. Annahme: Wie groß wäre die Temperaturzunahme für ein Verdopplung des CO2-Gehaltes, wenn Rückkoppelungseffekte im Klimasystem keine Rolle sielen würden?

d T = λ · d FR = 0,27 · a · ln (CO2 / CO20) = 1,0 bzw. 1,2 bzw. 1,4 K

Das ist der fiktive anthropogene Treibhauseffekt. Je nachdem, welchen Modellwert man für a ansetzt, erhält man unterschiedliche Ergebnisse. Der aktuelle Wert liefert das niedrigste Ergebnis (1°C Temperaturerhöhung). Der aktuelle Wert von d FR ist in dieser Berechnung mit einer Unsicherheit von etwa 10% behaftet.

7. Annahme: Aufgrund von Rückkoppelungseffekten (Feedbacks) insbesondere durch eine Zunahme des Wasserdampfgehaltes, ein Rückgang der Albedo durch verminderte Eis- und Schneebedeckung und durch Veränderungen in der Wolkenbedeckung, ergeben sich eine höhere Temperaturänderung für eine CO2 Verdoppelung und eine höhere Klimasensitivität. Diese Werte sind um Faktor 3 unsicher:

λ = 0,4 bis 1,2 K/(W/m2) -> d T = 1,5 bis 4,5 K

Hier der Klimasensitivitätsfaktor aus 14 unterschiedlichen Klimamodellen (GCM) (Quelle: Dennis L. Hartmann 2003).

 

Wichtige Rückkopplungsprozesse sind der Wasserdampffeedback und der Wolkenfeedback. Der Wolkenfeedback wird dabei von unterschiedlichen Klimamodellen unterschiedlich bewertet. Zwei der bekanntesten Modelle aus den USA sind das des Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (NOAA) und des National Center for Atmospheric Research (NSF). Die Modelle arbeiten mit unterschiedlichen Sensitivitätsfaktoren. Das hat zwei Ergebnisse für die Erderwärmung zur Folge, wie sie nicht unterschiedlicher sein können. Siehe die folgende Abbildung. (Quelle: Dennis L. Hartmann 2003).

 

GCM

Gezeigt wird die niedrige Wolkenbedeckung. Im NOAA-Modell führt die CO2-Verdopplung zu einer Abnahme der Wolkenbedeckung, was wiederum zu mehr Sonneneinstrahlung (Absorption) und einer größeren Erderwärmung führt (positiver Feedback, größere Sensitivität). Im NSF-Modell führt die CO2-Verdopplung hingegen zu einer Zunahme der Wolkenbedeckung, was wiederum zu weniger Sonneneinstrahlung (Absorption) und einer geringeren Erderwärmung führt (negativer Feedback, geringere Sensitivität).

 

Fazit: Die Sache mit den Feedbacks in den Klimamodellen haut nach wie vor, vorne und hinten nicht hin. Aus diesem Grund weisen die Projektionen der einzelnen Emissionsszenarien des IPCC auch eine derart große Unsicherheit (Aufspreizung der Graphen) auf.

Und das ist längst nicht das einzige Problem mit den Klimamodellen.

Written by admin

Mittwoch, 2 April, 2008 um 15:20

Veröffentlicht in Klimawandel, Nicht kategorisiert

6 Antworten

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  1. Dass die Rückkopplungseffekte zu wenig bekannt sind, wird im IPCC immer wieder betont. Das dumme dabei: Um sie besser charakterisieren zu können, müssen wir Experimente machen. Und das einzige wirklich Repräsentative Experiment dazu machen wir gerade. Nur können wir es nicht wiederholen: CO₂ ist verdammt schwer, wieder aus der Atmosphäre zu holen.

    Arne Babenhauserheide

    Montag, 13 Januar, 2014 at 21:30

  2. Ideal wäre es natürlich, wenn wir eine zweite Erde hätten, auf der wir das CO₂ richtig hochtreiben können, um di Rückkopplungseffekte zu messen, ohne die Folgen tragen zu müssen. Aber die haben wir halt nicht.

    Arne Babenhauserheide

    Montag, 13 Januar, 2014 at 21:31

  3. @Arne Babenhauserheide

    Dass die Rückkopplungseffekte zu wenig bekannt sind, wird im IPCC immer wieder betont. Das dumme dabei: Um sie besser charakterisieren zu können, müssen wir Experimente machen. Und das einzige wirklich Repräsentative Experiment dazu machen wir gerade. Nur können wir es nicht wiederholen: CO₂ ist verdammt schwer, wieder aus der Atmosphäre zu holen.

    D.h. Sie verifizieren und validieren Ihre Ergebnisse am Experiment Erde? Das ist jetzt nicht Ihr Ernst? Und mir erzählen immer wieder Klimaschützer das sei alles gut durch die Wissenschaft belegt. Science is settled.

    Ideal wäre es natürlich, wenn wir eine zweite Erde hätten, auf der wir das CO₂ richtig hochtreiben können, um di Rückkopplungseffekte zu messen, ohne die Folgen tragen zu müssen. Aber die haben wir halt nicht.

    Ich bin fassungslos. Auf Grundlage solcher Wissenschaft werden politische Maßnahmen rechtfertigt?

    Zur Aufklärung: Die Umschreibung im Blog lautet ja „Ein Umweltphysiker im Klimawandel“. Das hat seine Berechtigung, ich habe u.a. am IUP in Bremen studiert und das auch bei John P. Burrows. Und dort war ich nicht der einzige „Skeptiker“. Wobei ich Burrows nicht dazu zählen würde.

    klimakatastrophe

    Montag, 13 Januar, 2014 at 22:41

  4. Hier müssen wir ein wenig Vernunft und Wissenschaftstheorie einbringen:

    Wenn wir einen Zusammenhang vermuten, diesen aber nicht belegen können, dann kann der wahr oder völlig falsch hinsichtlich seiner Dimensionierung und Qualität sein.

    Bekanntes Thema im Kontext von Klima und Extremwetter: Hexerei. Die einschlägigen Anklagen aus den Gerichtprotokollen weisen oft Missernten und Hagelschlag aufgrund von Schadzzauber aus.

    Aus rationaler Sicht würde man heute sagen: Wir haben keine Evidenz für Schadzauber, also dürfen wir über diesen auch nicht positiv urteilen.

    Aus dem Vorsichtsprinzip können wir sagen: Wir wissen nichts über Schadzauber, aber wir können diesen auch nicht ausschließen. Um Risiken, dass dies doch so ist, zu minimieren, gehen wir vorsorglich gegen den Schadzauber vor.

    Übertragen aufs CO2: Wir wissen nicht mit Gewissheit, dass ein steigender CO2 Anteil auch zu deutlichem Temperaturanstieg führt mit katastrophalen Folgen.

    Rationalisten dürften hier garnischts tun, denn sie haben keinen hinreichenden Grund, lediglich eine Vermutung.

    Wer mit dem Vorsichtsprinzip arbeitet, könnte mit dem Verweis auf die Möglichkeit Maßnahmen fordern. Allerdings muss auch dieser wegen der Risiken der Maßnahmen auch diese sehr zurückhaltend einsetzen.

    Das aber passt nicht zu den Forderungen der Aktivisten, die drastische Maßnahmen ohne Rücksicht auf die Risiken des Aktivismus durchsetzen wollen. Hmmm …

    Martin Landvoigt

    Montag, 14 Juli, 2014 at 14:21

  5. „Rationalisten dürften hier garnischts tun, denn sie haben keinen hinreichenden Grund, lediglich eine Vermutung.“

    Mit dieser Begründung dürften wir überhaupt keine Entscheidungen im Leben mehr treffen. Denn sie beruhen alle auf Vermutungen und Annahmen.

    „Wer mit dem Vorsichtsprinzip arbeitet, könnte mit dem Verweis auf die Möglichkeit Maßnahmen fordern. Allerdings muss auch dieser wegen der Risiken der Maßnahmen auch diese sehr zurückhaltend einsetzen.“

    Das kommt auf die Risiken an, die bei den Maßnahmen bestehen. Wir geben aus gutem Grund viel Geld für die Sicherheit von technischen Systemen aus, sei es für Fahrzeuge, Maschinen, Kraftwerke usw. Wir geben auch beispielsweise viel Geld für einbruchsichere Türen und Fenster aus, obwohl vermutlich nie ein Einbrecher bei uns vorbeischauen wird. Warum sollte das bei Vorsorge- und Anpassungsmaßnahmen anders sein, wo die Schadenssummen für die Menschheit noch viel, viel höher sind als im privaten Bereich?

    S.Hader

    Dienstag, 15 Juli, 2014 at 07:46

  6. Es wird viel zu wenig darauf hingewiesen, dass ein wärmeres Klima in der Vergangenheit oft zu einer wirtschaftlichen und Blüte und einer prosperierenden Bevölkerung geführt haben. CO2 ist DIE Grundlage für Leben. Wir alle bestehen aus CO2 welches von Pflanzen unter Einfluss des Sonnenlichtes in Zucker, Stärke und Eiweiß umgewandelt wurde. Wir leben von diesem Zucker diesem Eiweiß. Alles Leben baut auf CO2 und Wasser auf. Bekannt ist dass Pflanzen besser wachsen und höhere Erträge geben die in einer Atmosphäre mit höherem CO2 Gehalt gezogen werden. Der Zuwachs an Lebensmitteln wie Reis und andere Getreide durch den erhöhten CO2 Gehalt der Atmosphäre wird auf etwa 10 % geschätzt. Die Erde wird grüner! Die Sahelzone (erinnern sie sich?) ist grün. Die Wälder dehnen sich aus. Allein wenn die Baumgrenze in Sibirien sich um 10-20 km nach Norden verschiebt, welche Auswirkung hat das? Und außerdem ist mir eine Erwärmung deutlich lieber als eine Abkühlung um ein paar Grad! Das wäre wirklich eine Katastrophe!

    Martin Trittelvitz

    Sonntag, 12 Juni, 2016 at 12:28


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