In der ersten Folge habe ich erläutert, was Klimamodelle sind: Es sind mathematische Modelle überwiegend aus Differentialgleichungen, die bestimmte Prozesse in der Atmosphäre beschreiben - Temperaturveränderungen, Luftbewegungen, Niederschläge beispielsweise. Prozesse, die wie jeder physikalische Prozeß, Energie benötigen; und diese Energie liefert die Sonne.
Das einfachste Klimamodell, das Grundmodell, ist dasjenige, das die Erde als eine Einheit behandelt und nur beschreibt, wie sich die Sonnenenergie auf deren Temperatur auswirkt, gegeben die beiden Parameter, die für alle Planeten gelten: Ihre Entfernung von der Sonne und ihre Albedo. Die Albedo ist der Prozentsatz der einfallenden Energie, der aufgrund der Bodenbeschaffenheit zurück ins All reflektiert wird.
Die mittlere Albedo der Erde liegt bei ungefähr 0,3. Hieraus, aus der Sonnenenergie und der Entfernung der Erde von der Sonne kann man berechnen, daß die Temperatur auf der Oberfläche der Erde, gäbe es keine weiteren Faktoren, -18° Celsius betragen würde.
Daß es tatsächlich +15 Grad - also 33 Grad wärmer - sind, liegt im wesentlichen am Treibhauseffekt: Die Erde strahlt weniger an Energie in das All zurück, als es ihrer Albedo entspricht. Dafür sorgt die Atmosphäre; so, wie das Glas eines Treibhauses verhindert, daß es in dessen Innerem genauso kalt ist wie in seiner Umgebung.
Tatächlich verhält es sich, wie wir in der nächsten Folge sehen werden, beim "Treibhauseffekt" der Erde physikalisch anders als bei einem Treibhaus. Wenn man genau hinsieht, dann stimmt die Analogie nicht. Aber im Groben ist sie nicht falsch: Die Erdatmosphäre "hält die Erde warm", so wie die Verglasung "das Treibhaus warm hält".
Wie funktioniert das? Um das zu verstehen, müssen wir uns zunächst ein wenig mit dem Begriff der Wärme befassen.
Wärme und Temperatur. Wenn wir umgangssprachlich von Wärme sprechen, dann meinen wir meist entweder das, was uns unser Temperatursinn meldet, oder das, was wir am Thermometer ablesen können.
Der Temperatursinn ist einer der Hautsinne. Seine Rezeptoren sind freie Nervenendigungen, die sich auf der Körperoberfläche in Form von "Warmpunkten" und "Kaltpunkten" verteilen. Wenn sie gereizt werden, dann haben wir ein Empfinden der Kälte, der Wärme oder der Hitze. Auch im Gehirn gibt es ähnliche Rezeptoren, die uns bei einer Erkrankung beispielsweise das Empfinden vermitteln, Fieber zu haben.
Wärme in diesem Sinn ist ein Empfinden, wie beispielsweise das Schmerzempfinden. Etwas Subjektives also. Wie subjektiv, das demonstriert ein bekanntes Experiment: Tauchen Sie die linke Hand in eine Schüssel mit sehr warmem und die rechte Hand in eine Schüssel mit sehr kaltem Wasser. Tauchen Sie dann beide in eine Schüssel mit lauwarmem Wasser. Der linken Hand "erscheint" dieses Wasser kalt, der rechten warm.
Unser subjektives Wärme- und Kälteempfinden entspricht also nicht unbedingt der objektiven Temperatur. Was aber ist das - objektive, physikalische Temperatur?
Temperatur ist eigentlich eine Bewegung; und zwar von Partikeln (Atomen, Molekülen oder noch kleineren Teilchen) in dem betreffenden Material. Bei festen Körpern vibrieren diese Partikel mit wachsender Temperatur immer stärker. Bei Flüssigkeiten und Gasen nimmt die zufällige Bewegung von deren Molekülen zu; vielleicht erinnern Sie sich aus dem Schulunterricht an die Brown'sche Molekularbewegung.
Sie können sich das wie eine Menschenmenge vorstellen. Der Fall, daß alle ruhig auf ihrem Platz stehen, entspricht einer niedrigen Temperatur. Einer höheren Temperatur entspricht es, daß die Menschen hin- und herlaufen, sich dabei anstoßen, ihre Richtung ändern und so fort.
Eine solche Menge in Bewegung braucht mehr Platz als eine ruhende. So ist es auch bei Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen: Sie dehnen sich mit wachsender Temperatur aus. Auf der Ausdehnung des Quecksilbers mit steigender Temperatur basiert das klassische Thermometer.
Wie hängt nun diese physikalische "Wärme", also die Temperatur, mit unserem subjektiven Empfinden von "Wärme" zusammen? Nehmen wir an, Sie legen Ihre Hand auf die Kacheln eines warmen Ofens. Dann teilen dessen Moleküle ihre Bewegung Ihrer Hand mit; und die in deren Gewebe stattfindenden stärkeren Bewegungen reizen die freien Nervenendigungen, die das Empfinden von Wärme bewirken.
Es ist so, wie wenn zwei Menschenmengen nebeneinander stehen. Erst beginnt die eine unruhig zu werden. An der Grenze zur benachbarten Menschenmenge springt die Unruhe auf diese über. (Um die Analogie noch ein wenig weiterzutreiben: Den Rezeptoren entsprechen Polizisten in Zivil in dieser zweiten Menge, welche die Unruhe registrieren und dies an ihre Einsatzzentrale funken).
Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Sie fürchten, daß wir uns jetzt doch sehr vom Treibhauseffekt entfernt haben? Durchaus nicht. Denn das, was ich eben beschrieben habe, ist ein fundamentaler Mechanismus der Übertragung von Wärme, die Wärmeleitung. Wärme ist Bewegung; und bei der Wärmeleitung teilen die Partikel der einen Substanz (im Beispiel der warmen Kacheln) ihre Bewegung den Partikeln der anderen Substanz (hier Ihrer Hand) mit. Im Prinzip ist dies dasselbe, wie wenn Billardkugeln einander anstoßen und in Bewegung versetzen: Es wird Bewegungsenergie (kinetische Energie) übertragen.
Nicht anders ist es bei Vorgängen in der Atmosphäre. Wenn beispielsweise die Sonne den Wüstensand erwärmt, dann geraten dessen Atome und Moleküle in stärkere Bewegung. Diese Bewegung teilt sich den Luftmolekülen unmittelbar an seiner Oberfläche mit; diese geben die Bewegung an weitere Luftmoleküle weiter. und so fort - bis es schließlich in dieser Wüste richtig heiß wird.
Wie aber wurde der Wüstensand so heiß? Durch die Sonne, natürlich. Aber eine Wärmeleitung von der Sonne zum Wüstensand kann es ja nicht geben. Die Moleküle der Sonne und die des Sands treffen nicht aufeinander; dazwischen liegt immerhin eine Entfernung von knapp 150 Millionen Kilometern eines (fast) leeren Alls. Es ist so, als stünde die eine Menschenmenge in Köln und die andere in Berlin.
Wie kann da die eine ihre Erregtheit auf die andere übertragen? Es könnte dadurch geschehen, daß in der Kölner Menge Menschen mit Handys sind, die Partner in der Berliner Menge anrufen und ihnen sagen, wie es in Köln steht. Wenn diese Angerufenen die richtigen Agitatoren sind, dann können sie daraufhin die Berliner Menge in Erregung versetzen.
So ungefähr ist es auch mit der "Sonnenwärme". Sie gelangt überhaupt nicht als Wärme zum Wüstenboden, sondern in Form von Strahlung.
(Fast) alle Körper strahlen; nicht nur radioaktive. Der Unterschied liegt nur in dem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, in dem die Strahlung lokalisiert ist. Schauen Sie sich bitte einmal diese Abbildung des elektromagnetischen Spektrums an (für eine vergrößerte Ansicht zweimal auf das Bild klicken):
Links ist die Frequenz aufgetragen, rechts die jeweils zugehörige Wellenlänge. Das alles sind Schwingungen, die sich nur in diesem einen Parameter unterscheiden. (Jede Frequenz läßt sich in eine Wellenlänge umrechnen). Alles, was Sie auf der Abbildung sehen - Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, sichtbares Licht, Wärmestrahlen, Mikrowellen, Radiowellen - ist, physikalisch gesehen, dasselbe Phänomen: Schwingungen in elektrischen und mit ihnen gekoppelten magnetischen Feldern.
Es ist qualitativ Dasselbe, nur quantitativ verschieden. Aber es erscheint uns qualitativ verschieden, weil die Wirkungen unterschiedlich sind.
Je höher die Frequenz - je kürzer also die Wellenlänge -, umso höher ist die Strahlungsenergie. Deshalb können Gamma- und Röntgenstrahlen biologisches Gewebe schädigen, nicht aber die Wellen, die ein Langwellensender abstrahlt. Für die Strahlung in einem kleinen Bereich dieses Spektrums ist unser Auge empfindlich; deshalb "sehen" wir sie als Licht. Längere Wellen sind besonders gut geeignet, die Moleküle einer Substanz, auf welche sie treffen, in Bewegung zu versetzen. Deshalb ist dies "Wärmestrahlung".
Aber Lichtstrahlen sind weder bunt noch hell; und Wärmestrahlen sind nicht warm. Sie haben nur die Eigenschaft, jeweils die betreffenden Wirkungen auszulösen.
In der Wüste passiert also dies: Energie von der Sonne erreicht den Wüstensand in Form von Wärmestrahlung. Er erwärmt sich dadurch und gibt einen Teil seiner Wärme mittels Wärmeleitung an die Luft ab, die dadurch ihrerseits warm wird.
Allerdings wird nicht die gesamte Wärmestrahlung von dem Sand absorbiert. Einen Teil strahlt er zurück; wie viel, das hängt von der Albedo ab. Schwarzer Sand absorbiert beispielsweise mehr Wärmestrahlung und reflektiert weniger als weißer Sand.
Der Treibhauseffekt. Der Unterschied zwischen Wärmeleitung und Wärmestrahlung ist fundamental für das Funktionieren eines Treibhauses. Das für seine Verglasung verwendete Material hat nämlich zwei Eigenschaften: Erstens können Wärmestrahlen ausgezeichnet hindurchdringen. Zweitens hindert das Glas die Moleküle der Luft im Inneren weitgehend daran, via Wärmeleitung die Außenluft zu erwärmen; es wirkt insofern als ein (wenn auch alles andere als perfekter) Isolator.
Die Wärme kommt also in Gestalt von Strahlung hinein in das Treibhaus. Aber sie kommt schlecht durch Wärmeleitung wieder heraus. Folglich ist es im Treibhaus warm.
Im Prinzip ist das auch der Effekt, der bewirkt, daß es auf der Erde nicht -18° ist, sondern durchschnittlich vergleichsweise mollige +15 Grad: In der oberen Atmosphäre gibt es Prozesse, die eine gewisse - oberflächliche - Ähnlichkeit mit der Funktion der Verglasung im Treibhaus haben.
Entscheidend sind dabei Gase und andere Stoffe (Aerosole; mit Gas vermischte Schwebeteilchen), die sich in der oberen Atmosphäre befinden. Zu den Gasen gehört auch das CO2, das aber nur eine geringe Rolle spielt; das bei weitem wirksamste Treibhausgas ist Wasserdampf.
Und auch das CO2 ist ganz überwiegend natürlichen Ursprungs und nur zu einem Bruchteil durch menschliche Aktivitäten verursacht. Andererseits wirken sich menschliche Aktivitäten nicht nur auf die CO2-Konzentration aus, sondern auch auf die Konzentration anderer Stoffe, die am Treibhauseffekt beteiligt sind; beispielsweise Methan und FCKWs. Dazu Genaueres in der nächsten Folge.
Das einfachste Klimamodell, das Grundmodell, ist dasjenige, das die Erde als eine Einheit behandelt und nur beschreibt, wie sich die Sonnenenergie auf deren Temperatur auswirkt, gegeben die beiden Parameter, die für alle Planeten gelten: Ihre Entfernung von der Sonne und ihre Albedo. Die Albedo ist der Prozentsatz der einfallenden Energie, der aufgrund der Bodenbeschaffenheit zurück ins All reflektiert wird.
Die mittlere Albedo der Erde liegt bei ungefähr 0,3. Hieraus, aus der Sonnenenergie und der Entfernung der Erde von der Sonne kann man berechnen, daß die Temperatur auf der Oberfläche der Erde, gäbe es keine weiteren Faktoren, -18° Celsius betragen würde.
Daß es tatsächlich +15 Grad - also 33 Grad wärmer - sind, liegt im wesentlichen am Treibhauseffekt: Die Erde strahlt weniger an Energie in das All zurück, als es ihrer Albedo entspricht. Dafür sorgt die Atmosphäre; so, wie das Glas eines Treibhauses verhindert, daß es in dessen Innerem genauso kalt ist wie in seiner Umgebung.
Tatächlich verhält es sich, wie wir in der nächsten Folge sehen werden, beim "Treibhauseffekt" der Erde physikalisch anders als bei einem Treibhaus. Wenn man genau hinsieht, dann stimmt die Analogie nicht. Aber im Groben ist sie nicht falsch: Die Erdatmosphäre "hält die Erde warm", so wie die Verglasung "das Treibhaus warm hält".
Wie funktioniert das? Um das zu verstehen, müssen wir uns zunächst ein wenig mit dem Begriff der Wärme befassen.
Wärme und Temperatur. Wenn wir umgangssprachlich von Wärme sprechen, dann meinen wir meist entweder das, was uns unser Temperatursinn meldet, oder das, was wir am Thermometer ablesen können.
Der Temperatursinn ist einer der Hautsinne. Seine Rezeptoren sind freie Nervenendigungen, die sich auf der Körperoberfläche in Form von "Warmpunkten" und "Kaltpunkten" verteilen. Wenn sie gereizt werden, dann haben wir ein Empfinden der Kälte, der Wärme oder der Hitze. Auch im Gehirn gibt es ähnliche Rezeptoren, die uns bei einer Erkrankung beispielsweise das Empfinden vermitteln, Fieber zu haben.
Wärme in diesem Sinn ist ein Empfinden, wie beispielsweise das Schmerzempfinden. Etwas Subjektives also. Wie subjektiv, das demonstriert ein bekanntes Experiment: Tauchen Sie die linke Hand in eine Schüssel mit sehr warmem und die rechte Hand in eine Schüssel mit sehr kaltem Wasser. Tauchen Sie dann beide in eine Schüssel mit lauwarmem Wasser. Der linken Hand "erscheint" dieses Wasser kalt, der rechten warm.
Unser subjektives Wärme- und Kälteempfinden entspricht also nicht unbedingt der objektiven Temperatur. Was aber ist das - objektive, physikalische Temperatur?
Temperatur ist eigentlich eine Bewegung; und zwar von Partikeln (Atomen, Molekülen oder noch kleineren Teilchen) in dem betreffenden Material. Bei festen Körpern vibrieren diese Partikel mit wachsender Temperatur immer stärker. Bei Flüssigkeiten und Gasen nimmt die zufällige Bewegung von deren Molekülen zu; vielleicht erinnern Sie sich aus dem Schulunterricht an die Brown'sche Molekularbewegung.
Sie können sich das wie eine Menschenmenge vorstellen. Der Fall, daß alle ruhig auf ihrem Platz stehen, entspricht einer niedrigen Temperatur. Einer höheren Temperatur entspricht es, daß die Menschen hin- und herlaufen, sich dabei anstoßen, ihre Richtung ändern und so fort.
Eine solche Menge in Bewegung braucht mehr Platz als eine ruhende. So ist es auch bei Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen: Sie dehnen sich mit wachsender Temperatur aus. Auf der Ausdehnung des Quecksilbers mit steigender Temperatur basiert das klassische Thermometer.
Wie hängt nun diese physikalische "Wärme", also die Temperatur, mit unserem subjektiven Empfinden von "Wärme" zusammen? Nehmen wir an, Sie legen Ihre Hand auf die Kacheln eines warmen Ofens. Dann teilen dessen Moleküle ihre Bewegung Ihrer Hand mit; und die in deren Gewebe stattfindenden stärkeren Bewegungen reizen die freien Nervenendigungen, die das Empfinden von Wärme bewirken.
Es ist so, wie wenn zwei Menschenmengen nebeneinander stehen. Erst beginnt die eine unruhig zu werden. An der Grenze zur benachbarten Menschenmenge springt die Unruhe auf diese über. (Um die Analogie noch ein wenig weiterzutreiben: Den Rezeptoren entsprechen Polizisten in Zivil in dieser zweiten Menge, welche die Unruhe registrieren und dies an ihre Einsatzzentrale funken).
Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Sie fürchten, daß wir uns jetzt doch sehr vom Treibhauseffekt entfernt haben? Durchaus nicht. Denn das, was ich eben beschrieben habe, ist ein fundamentaler Mechanismus der Übertragung von Wärme, die Wärmeleitung. Wärme ist Bewegung; und bei der Wärmeleitung teilen die Partikel der einen Substanz (im Beispiel der warmen Kacheln) ihre Bewegung den Partikeln der anderen Substanz (hier Ihrer Hand) mit. Im Prinzip ist dies dasselbe, wie wenn Billardkugeln einander anstoßen und in Bewegung versetzen: Es wird Bewegungsenergie (kinetische Energie) übertragen.
Nicht anders ist es bei Vorgängen in der Atmosphäre. Wenn beispielsweise die Sonne den Wüstensand erwärmt, dann geraten dessen Atome und Moleküle in stärkere Bewegung. Diese Bewegung teilt sich den Luftmolekülen unmittelbar an seiner Oberfläche mit; diese geben die Bewegung an weitere Luftmoleküle weiter. und so fort - bis es schließlich in dieser Wüste richtig heiß wird.
Wie aber wurde der Wüstensand so heiß? Durch die Sonne, natürlich. Aber eine Wärmeleitung von der Sonne zum Wüstensand kann es ja nicht geben. Die Moleküle der Sonne und die des Sands treffen nicht aufeinander; dazwischen liegt immerhin eine Entfernung von knapp 150 Millionen Kilometern eines (fast) leeren Alls. Es ist so, als stünde die eine Menschenmenge in Köln und die andere in Berlin.
Wie kann da die eine ihre Erregtheit auf die andere übertragen? Es könnte dadurch geschehen, daß in der Kölner Menge Menschen mit Handys sind, die Partner in der Berliner Menge anrufen und ihnen sagen, wie es in Köln steht. Wenn diese Angerufenen die richtigen Agitatoren sind, dann können sie daraufhin die Berliner Menge in Erregung versetzen.
So ungefähr ist es auch mit der "Sonnenwärme". Sie gelangt überhaupt nicht als Wärme zum Wüstenboden, sondern in Form von Strahlung.
(Fast) alle Körper strahlen; nicht nur radioaktive. Der Unterschied liegt nur in dem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, in dem die Strahlung lokalisiert ist. Schauen Sie sich bitte einmal diese Abbildung des elektromagnetischen Spektrums an (für eine vergrößerte Ansicht zweimal auf das Bild klicken):
Links ist die Frequenz aufgetragen, rechts die jeweils zugehörige Wellenlänge. Das alles sind Schwingungen, die sich nur in diesem einen Parameter unterscheiden. (Jede Frequenz läßt sich in eine Wellenlänge umrechnen). Alles, was Sie auf der Abbildung sehen - Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, sichtbares Licht, Wärmestrahlen, Mikrowellen, Radiowellen - ist, physikalisch gesehen, dasselbe Phänomen: Schwingungen in elektrischen und mit ihnen gekoppelten magnetischen Feldern.
Es ist qualitativ Dasselbe, nur quantitativ verschieden. Aber es erscheint uns qualitativ verschieden, weil die Wirkungen unterschiedlich sind.
Je höher die Frequenz - je kürzer also die Wellenlänge -, umso höher ist die Strahlungsenergie. Deshalb können Gamma- und Röntgenstrahlen biologisches Gewebe schädigen, nicht aber die Wellen, die ein Langwellensender abstrahlt. Für die Strahlung in einem kleinen Bereich dieses Spektrums ist unser Auge empfindlich; deshalb "sehen" wir sie als Licht. Längere Wellen sind besonders gut geeignet, die Moleküle einer Substanz, auf welche sie treffen, in Bewegung zu versetzen. Deshalb ist dies "Wärmestrahlung".
Aber Lichtstrahlen sind weder bunt noch hell; und Wärmestrahlen sind nicht warm. Sie haben nur die Eigenschaft, jeweils die betreffenden Wirkungen auszulösen.
In der Wüste passiert also dies: Energie von der Sonne erreicht den Wüstensand in Form von Wärmestrahlung. Er erwärmt sich dadurch und gibt einen Teil seiner Wärme mittels Wärmeleitung an die Luft ab, die dadurch ihrerseits warm wird.
Allerdings wird nicht die gesamte Wärmestrahlung von dem Sand absorbiert. Einen Teil strahlt er zurück; wie viel, das hängt von der Albedo ab. Schwarzer Sand absorbiert beispielsweise mehr Wärmestrahlung und reflektiert weniger als weißer Sand.
Der Treibhauseffekt. Der Unterschied zwischen Wärmeleitung und Wärmestrahlung ist fundamental für das Funktionieren eines Treibhauses. Das für seine Verglasung verwendete Material hat nämlich zwei Eigenschaften: Erstens können Wärmestrahlen ausgezeichnet hindurchdringen. Zweitens hindert das Glas die Moleküle der Luft im Inneren weitgehend daran, via Wärmeleitung die Außenluft zu erwärmen; es wirkt insofern als ein (wenn auch alles andere als perfekter) Isolator.
Die Wärme kommt also in Gestalt von Strahlung hinein in das Treibhaus. Aber sie kommt schlecht durch Wärmeleitung wieder heraus. Folglich ist es im Treibhaus warm.
Im Prinzip ist das auch der Effekt, der bewirkt, daß es auf der Erde nicht -18° ist, sondern durchschnittlich vergleichsweise mollige +15 Grad: In der oberen Atmosphäre gibt es Prozesse, die eine gewisse - oberflächliche - Ähnlichkeit mit der Funktion der Verglasung im Treibhaus haben.
Entscheidend sind dabei Gase und andere Stoffe (Aerosole; mit Gas vermischte Schwebeteilchen), die sich in der oberen Atmosphäre befinden. Zu den Gasen gehört auch das CO2, das aber nur eine geringe Rolle spielt; das bei weitem wirksamste Treibhausgas ist Wasserdampf.
Und auch das CO2 ist ganz überwiegend natürlichen Ursprungs und nur zu einem Bruchteil durch menschliche Aktivitäten verursacht. Andererseits wirken sich menschliche Aktivitäten nicht nur auf die CO2-Konzentration aus, sondern auch auf die Konzentration anderer Stoffe, die am Treibhauseffekt beteiligt sind; beispielsweise Methan und FCKWs. Dazu Genaueres in der nächsten Folge.
Zettel
© Zettel. Links zu allen Folgen dieser Serie finden Sie hier. Für Kommentare bitte hier klicken. Titelbild vom Autor Switch off Hazelwood unter Creative Commons Attribution 2.0 Generic-Lizenz freigegeben. Abbildung unter Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic-Lizenz freigegeben.
