Das Wetter und der Klimawandel

Beiträge mit Schlagwort ‘CO2’

Scientific Award for Michael Mann

From 22. – 27. April 2012 General Assembly of European Geosciences Union (EGU) takes place in Vienna. During this meeting climate scientist Michael E. Mann received the Oeschger-Medal for his research! Hans Oeschger (1927) was a Swiss scientist, famous because of his ice core research. Together with Willi Dansgaard he discovered a series of abrupt climate changes (Dansgaard-Oeschger Events) during the last glacial period by analysis of Greenland ice cores. Also he measured first the glacial-interglacial change of atmospheric CO2 encased in ice core´s tiny air bubbles.

Prof. Michael E. Mann holding a tree grate with tree rings Source: Homepage Michael E. Mann

Michael E. Mann came to be known for his “hockeystick”-curve. This curve was the result of a reconstruction of average temperatures last millenium-round on northern hemisphere, published by Mann and his colleagues in 1999 (M.E.Mann,R.S.Bradley, M.K.Hughes: „Northern Hemisphere Temperatures During the Past Millennium: Inferences, Uncertainties, and Limitations“, Geophysical Research Letters, 1999) It was really a pioneering feat!

The team of scientists used proxy data from tree rings, corals and ice cores on the one hand and instrumental temprature data on the other hand such as it was. The „hockeystick” demonstrated at first how extraordinary (human-made) global warming during 20th century really was! For that reason all climate skeptics dislike this curve up to the present day.

The Hockeystick-Curve. The graph resembles a hockeystick in shape: with a long part of curve declining slightly as the shaft and with a short part of curve upturning suddenly as the blade.   Source: Mann, Bradley und Hughes 1999

Assembling and evaluation of all data for “hockeystick” happened in a very sophisticated way. The proxy-data, mainly tree rings extending to 1980 were validated by instrumental data back to 1854, occasional to 18th century yet. Long proxy record and shorter instrumental record overlapped a good way. Using only instrumental data from time intervall 1902 to 1980 for calibration of proxy data, Mann and his collegues were able to use leftover intervall from 1854 to 1901 (and the rare earlier instrumental data from 18th century) to verify this calibration. Calibration and validation of proxy data  worked accurately, meaning that „hockeystick“ is correct in this regard.

CO2 is a greenhouse gas but it also acts as a fertilizer, especially for trees in high elevations. More CO2 let tree ring width and tree ring density (of summerly late wood) mimic an additional rise in temperature that does not really exist. Thus the tree ring data were readjusted.

Above: Records of two tree ring data series (ITRDB Millenial, North American Treeline), which diverged from 19th century on due to influence of CO2. ITRDB Millenial includes trees in high elevations much sensitive to dunging effect of CO2. Below: Variations in atmospheric CO2 and residual between the two data series, used for readjustment. Source: Mann, Bradley und Hughes, 1999 

Two examples how carefully Mann and his team had gone about it! All that and then some you can read in original paper, downloadable on Mann´s homepage (see sources below). It´s worth it! Michael E. Mann was also a lead author of 3rd. IPCC-Report about global warming in 2001. Again and again some climate sceptics tried to discredit Mann scientifically and also personally. Fortunately they failed yet.  I hope it stays that way!

Jens Christian Heuer

Sources: European Geosciences Union (EGU) , Homepage Michael E. Mann

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Beweise für die Klimawirksamkeit der Treibhausgase

Ein verstärkter Treibhauseffekt infolge der fortlaufenden Emission von Treibhausgasen – vor allem Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) – durch den Menschen  soll für die globale Erwärmung auf der Erde verantwortlich sein. Die meisten Klimaforscher sehen das so. Aber es gibt auch sogenannte Klimaskeptiker, die genau dies entscheiden bestreiten. Manche von ihnen stellen sogar den Treibhauseffekt als solchen in Frage. Doch sie liegen damit eindeutig falsch und das läßt sich sogar recht einfach beweisen…

Dazu schauen wir uns einmal genauer an, wie der Treibhauseffekt funktioniert: Die von der Sonne eintreffende Strahlung geht – abgesehen von dem Anteil der durch die Wolken reflektiert wird – nahezu ungehindert durch die Atmosphäre. Die Planetenoberfläche  der Erde absorbiert die Strahlung und wandelt sie in Wärme um. Ein Teil dieser Wärme wird als Infrarotstrahlung wieder direkt in Richtung Weltraum abgestrahlt. Die infrarotaktiven Treibhausgase absorbieren jedoch, entsprechend ihren Eigenschwingungen, ausgewählte Wellenlängen im Infraroten. Den einen Teil der so empfangenen Energie geben sie durch Zusammenstösse an andere Gasmoleküle ab und erwärmen so die Troposphäre, die unterste Atmosphärenschicht in der sich praktisch das gesamte Wetter abspielt. Doch den anderen Teil geben sie als Infrarotstrahlung wieder ab, in Richtung Weltraum und als Gegenstrahlung in Richtung Erdboden. Diese Gegenstrahlung erwärmt die Erdoberfläche zusätzlich. Mehr Treibhausgase lassen also die Temperaturen am Erdboden und in der Troposphäre global ansteigen. Der Treibhauseffekt lässt sich auch noch über eine andere Argumentation begründen: Durch das Vorhandensein infrarotaktiver Treibhausgase wird ein Teil der aufgenommenen Sonnenenergie als Infrarotstrahlung nicht von der Erdoberfläche, sondern aus größerer Höhe von der Atmosphäre wieder in den Weltraum abgegeben. Doch da oben ist es kühler als an der Erdoberfläche und die Infrarotabstrahlung ist dementsprechend geringer. Damit das Gleichgewicht von eingestrahlter und abgestrahlter Energie aber trotzdem erhalten bleibt, muß die Erdoberfläche durch vermehrte Infrarotabstrahlung einen Ausgleich schaffen. Dafür muß  sie aber wärmer sein als ohne  Treibausgase! Je mehr infrarotaktive Treibhausgase in der Atmosphäre, umso wärmer die Planetenoberfläche!

In der nächsthöheren Atmosphärenschicht,  der Stratosphäre, da ist jedoch alles ganz anders. Hier wirken die Treibhausgase abkühlend. Das gilt insbesondere für das Kohlendioxid (CO2), denn Wasserdampf ist in der im Gegensatz zur Troposphäre sehr trockenen Stratosphäre kaum noch vorhanden!

Satellitenmessungen zeigen: Die Troposphäre wird immer wärmer, die Stratosphäre aber immer kühler. Ein überzeugender Beweis für die Klimawirksamkeit der Treibhausgase! Quelle: http://hadobs.metoffice.com/

Das erscheint erst einmal überraschend, doch der Grund dafür ist nicht schwer zu verstehen: Die von der Erdoberfläche ausgehende Infrarotstrahlung wird von den Treibhausgasen in der Troposphäre schon (nahezu) vollständig absorbiert und kann daher die Stratosphäre und die dort vorhandenen infrarotaktiven Treibhausgase nicht mehr erreichen. Doch sie werden trotzdem noch durch Zusammenstöße mit benachbarten Molekülen anderer Atmosphärengase angeregt. Da die Luft in dieser großen Höhe schon sehr dünn ist, strahlen sie einen Großteil der so gewonnnenen Energie in den Weltraum ab, bevor diese durch erneute Zusammenstöße wieder an die Stratosphäre  zurückgegeben werden kann. So geht die Energie unwiderruflich verloren und die Stratosphäre kühlt ab. Soweit die Theorie und so auch die Fakten. Die Meßwerte der letzten Jahrzehnte zeigen beide Effekte wie vorhergesagt: Eine globale Erwärmung der Troposphäre und eine globale Abkühlung der Stratosphäre! Ein klares Indiz für die Klimawirksamkeit der Treibhausgase! 

Jens Christian Heuer

Der Menschengemachte Klimawandel

Der Mensch hat begonnen, durch die Emission von Kohlendioxid (CO2), aber auch anderer Treibhausgase wie Methan (CH4) und Lachgas (N2O) das Klima der Erde zu verändern. Global gesehen wird es immer wärmer durch den zunehmenden Treibhauseffekt. CO2 entsteht größtenteils bei der Nutzung fossiler Brennstoffe, CH4 und N2O dagegen vor allem in der Landwirtschaft.

Das CO2 spielt eine besonders wichtige Rolle im globalen Klimasystem, denn es hat entscheidend dazu beigetragen, über die längste Zeit der Erdgeschichte ein erstaunlich lebensfreundliches Klima aufrecht zu erhalten. Als das Leben auf der Erde vor rund 3,5 Milliarden begann, da strahlte die Sonne um 30% schwächer als heute. Eigentlich hätten die Ozeane zufrieren und die ganze Erde zu einem Eisball erstarren müssen, doch das geschah nicht. Stattdessen hatte die Erde stets flüssige Ozeane, in denen sich im Laufe der Zeit immer komplexeres Leben tummelte, das später dann auch die Kontinente erobern konnte. Im Laufe der Erdgeschichte nahm die Sonneneinstrahlung kontinuierlich zu und trotzdem wurde es nie zu heiß. Warum blieb das Klima der Erde trotz der sich deutlich verändernden Sonne immer lebensfreundlich?

Die allmähliche Zunahme der Strahlungsleistung der Sonne ist nichts Besonderes, sondern ein ganz normaler Vorgang im Leben eines  Sternes. Sterne gewinnen ihre Energie aus der Kernverschmelzung (Kernfusion) von Wasserstoff zu Helium. Dabei wird ein Teil der Masse der Reaktionspartner direkt in Energie umgewandelt (Massendefekt). Die Kernfusion geschieht im Inneren eines Sterns, wo infolge der Eigenschwerkraft (Gravitation) die dazu notwendigen Bedingungen herrschen; extrem hoher Druck und Temperaturen von über 10 Millionen °C. Die energieliefernde Kernfusion wird somit letztlich durch die Gravitation angefacht und unterhalten. Im Laufe der Zeit nimmt dabei im Sterninneren der Anteil an Helium gegenüber dem Wasserstoff immer weiter zu. Da Helium spezifisch schwerer als Wasserstoff ist, wird das Innere des Sterns dichter und die Gravitation entsprechend stärker. Die Kernfusion wird noch mehr angefacht, der Stern wird heißer und die Strahlung nimmt zu.

Daß die Erde trotz alledem immer lebensfreundlich blieb, hat sie ihrem Kohlenstoffkreislauf, aber auch dem Leben selbst zu verdanken!

Erdaufgang über dem Mondhorizont (fotografiert von Apollo 8).Die Erde kann ihr Klima selbst regulieren und war so in der Lage über Jahrmilliarden lebensfreundliche Bedingungen aufrecht zu erhalten. Der atmosphärelose Mond kann das nicht. Quelle: NASA

Der Kohlenstoffkreislauf sieht in etwa so aus:

Durch Regen wird CO2 als Kohlensäure aus der Atmosphäre ausgewaschen. Die Kohlensäure bewirkt eine Verwitterung der Oberflächengesteine und es entstehen Carbonate, die in gelöster Form in die Ozeane gelangen. Wird deren Sättigungskonzentration überschritten, so werden die Carbonate ausgefällt und am Meeresgrund als natürliche CO2-Depots abgelagert. Infolge der Plattentektonik gelangen die Carbonate im Bereich der Subduktionszonen ins Erdinnere und werden aufgeschmolzen. Das CO2 wird freigesetzt und gelangt mit den vulkanischen Ausgasungen schließlichwieder zurück in die Erdatmosphäre. Der Kohlenstoffkreislauf steuert global die Temperatur. Wird die Erde wärmer, wie es ja tatsächlich durch eine immer stärker strahlende Sonne auch geschah, so steigt die Wasserverdunstung und es fällt mehr Regen. Das führt zu einer verstärkten Gesteinsverwitterung und die entfernt vermehrt CO2 aus der Atmosphäre. Als Folge eines verringerten Treibhauseffektes durch CO2 kühlt die Erde wieder ab. Wird die Erde, wodurch auch immer kälter, so läuft der beschriebene Mechanismus genau umgekehrt ab. Also weniger Wasserverdunstung, dadurch weniger Regen und eine abgeschwächte Gesteinsverwitterung,  damit mehr CO2 in der Atmosphäre und ein verstärkter Treibhauseffekt, der die Erde wieder erwärmt.

Diese Temperatur-Regulation funktioniert aber sehr langsam. Sie dauert Jahrhundertausende! Dadurch kann es immer wieder zu doch recht heftigen Temperaturausschlägen in beide Richtungen kommen. Das Leben selbst schafft hier Abhilfe, indem es die Mechanismen der Temperaturregulation beschleunigt und noch um einen weiteren Mechanismus ergänzt:

Bodenbakterien und Pflanzen beschleunigen durch ihre Atmung die unter feuchten Bedingungen (Regenwasser plus Kohlensäure) stattfindende (natürliche) chemische Gesteinsverwitterung um das 1000 fache (!), indem sie Säuren freisetzten und durch Abatmen das CO2 im Boden konzentrieren.

Die bei der Verwitterung gebildeten Carbonate gelangen in Wasser gelöst in die Ozeane, wo sie in Kalkschalen von ein- und mehrzelligen Meeresorganismen eingebaut werden. Wenn diese absterben bilden die Kalkschalen direkt das natürliche CO2-Depot, ohne das dafür erst eine Sättigungskonzentration der Carbonate erreicht werden muß. Die Bildung der CO2-Depots am Meeresboden wird also stark beschleunigt.

Der Kohlenstoffkreislauf Quelle: http://www.vtaide.com/

Das Leben tut aber noch mehr. Die Pflanzen einschließlich der einzelligen Algen beherrschen die Photosynthese. Dabei wird die Sonnenenergie in energiereiche organische Verbindungen (Kohlenhydrate) umgewandelt, unter Verwendung von CO2 und Wasser. Diese organischen Verbindungen werden dann bei der Atmung kalt verbrannt und liefern die Energie für alle Stoffwechselprozesse. Durch die Photosynthese wird CO2 aus der Atmosphäre „abgepumpt“und Sauerstoff (O2) als Abfallprodukt freigesetzt.

Wenn die Pflanzen absterben und unter Luftabschluß, hohem Druck und der Beteiligung anaerober Bakterien verrotten, dann entstehen die fossilen Brennstoffe, ein neues dauerhaftes CO2-Depot.

Die Erde reguliert mit ihrem Klimasystem also sehr effektiv die Temperatur innerhalb eines lebensfreundlichen Bereichs. Früher als die zu schwache Sonne ausgeglichen werden mußte, regelte die Erde die Temperatur auf höhere Werte. Heutzutage, wo die Sonnenstrahlung eigentlich schon zu intensiv geworden ist, dreht die Erde ihren Thermostaten runter. Das ist die Erklärung dafür, warum es in der Erdvergangenheit früher meist wärmer war als heute!

Im Grunde genommen strebt die Erde, unter den Bedingungen heute, die Bedingungen einer Eiszeit an, denn diese macht der Erde das Leben leichter: Die Polarkalotten dehnen sich sehr weit aus, so daß Eis und Schnee einen entsprechend größeren Anteil des Sonnenlichtes reflektieren. Die kühlen Ozeane bieten den Meeresalgen einen idealen Lebensraum, denn die oberen und unteren Wasserschichten können sich gut durchmischen, so daß immer genug Nährstoffe zur Verfügung stehen. Die Algen leben ausschließlich in den oberen Wasserschichten, weil nur hier das Licht für ihre Photosynthese ausreicht. Steigen die Wassertemperaturen an, so bildet sich eine stabile Schichtung mit dem warmen Wasser oben und dem kalten Wasser unten. Das bekommt den Algen gar nicht gut, denn die beiden Wasserschichten durchmischen sich nicht, so daß die Nährstoffe aus den tieferen Wasserschichten nicht mehr zur Verfügung stehen. Eigentlich mögen Algen wärmeres Wasser, doch ohne Nährstoffe läuft es eben nicht. Deshalb sind tropische Meere so klar, weil es in ihnen nur wenige Algen gibt. Sie sind die „Wüsten“ unter den Ozeanen. Die in den kalten Ozeanen der Eiszeiten prächtig gedeihenden Algen pumpen viel CO2 ab und begünstigen durch ihre natürlichen Sulfat-Emissionen die Wolkenbildung, denn die Sulfate wirken als Kondensationskeime für die winzigen Wolkentröpfchen. Alle diese Eiszeit-Effekte zusammen wirken abkühlend und erleichtern es der Erde, mit der zunehmenden Sonneneinstrahlung fertig zu werden. Die im Vergleich zu den Eiszeiten eher kurzen Warmzeiten (Zwischeneiszeiten) sind womöglich lediglich so etwas wie vorübergehende Fieberanfälle der Erde. Der letzte, noch anhaltende Fieberanfall ermöglichte allerdings auch den Aufstieg der menschlichen Zivilisation!

Durch die intensive Nutzung fossiler Brennstoffen setzen wir innerhalb weniger Jahrzehnte das CO2 wieder frei, welches die Erde aus guten Gründen in Jahrmillionen der Atmosphäre entzogen und sicher deponiert hat. Das bedeutet eine erhebliche Störung des für den Planeten und für uns alle überlebenswichtigen selbstregulierenden Klimasystems!   

Jens Christian Heuer

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