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Ein Umweltphysiker im Klimawandel

Archive for Februar 26th, 2009

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).

ir-kamera-filter

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.

ir-disco

Written by admin

Donnerstag, 26 Februar, 2009 at 15:27

Veröffentlicht in Klimawandel, Nicht kategorisiert