Von Bodo Auräth, Lutherstadt Wittenberg
In der Wissenschaft ist es üblich Fakten, Meinungen und Theorien sachlich zu diskutieren, was bei der aktuellen Klimadebatte leider nicht angesagt ist. Unstrittig ist, dass der Planet Erde in eine Phase der Klimaerwärmung eingetreten ist, strittig ist aber der Anteil der menschlichen Aktivitäten an der Erwärmung. Die Debatte ist inzwischen keine wissenschaftliche mehr sondern eine politische. Diejenigen, die dem Menschen daran die Alleinschuld geben haben eine unnötige Schärfe in die Auseinandersetzung gebracht. Die folgenden Ausführungen sollen zu einer realistischen Einschätzung beitragen.
Erwärmung durch Sonneneinstrahlung
Die Einstrahlungsenergie der Sonne beträgt etwa 2cal/cm2/min (Solarkonstante) bei senkrechtem Einfall. Diese Menge erreicht aber nicht die Erdoberfläche. da ein Teil der Strahlung von der Atmosphäre in den Weltraum zurückgestrahlt wird (42%). Die Sonnenenergie erreicht die Erdoberfläche als kurzwellige direkte Sonnenstrahlung, unter dem Einfluss der Atmosphäre auch als diffuse kurzwellige Himmelsstrahlung und als langwellige Strahlung. Die direkte Sonnenstrahlung und Himmelsstrahlung werden zusammen als Globalstrahlung bezeichnet. Von der kurzwelligen Strahlung, die unmittelbar die Erdoberfläche erreicht, wird ein mehr oder weniger großer Teil reflektiert. Diese Reflexstrahlung ist wie die Globalstrahlung kurzwellig.
Welcher Anteil im Einzelnen von der Erdoberfläche reflektiert wird, hängt von der Art und Farbe des Materials und von der Bedeckung ab. Eine Wasseroberfläche wirft weniger Strahlen zurück als eine Landoberfläche. Der Prozentsatz der reflektierten Globalstrahlung von verschiedenen Oberflächen:
Neuschnee 75-95 %, Altschnee 40-70 %, weißer Sand 40 %, trocknes Brachfeld 20 %, gepflügtes Feld 14 % und freie Wasseroberfläche 3-10 %. (Quelle: I. Lieberoth, Bodenkunde/ Bodenfruchtbarkeit Berlin 1969). Die langwellige Strahlung wird als sogenannte atmosphärische Gegenstrahlung unmittelbar auf die Oberfläche ausgestrahlt, die sie fast vollständig verschluckt. Selbst Schnee reflektiert von diesen langwelligen Strahlen nur 0,5 %. Im Gegensatz zur Globalstrahlung ist die atmosphärische Gegenstrahlung nicht nur tags, sondern auch nachts vorhanden. Andererseits erleidet die Oberfläche der Erde, ebenfalls am Tage und in der Nacht, einen Wärmeverlust durch die langwellige Bodenausstrahlung, die umso stärker ist, je höher die Temperatur steigt.
Die langwellige Strahlung, auch als Infrarotstrahlung bezeichnet, besitzt folgende Wellenlängebereiche:
A 780 – 1400 nm = 0,78 – 1,4 μm
B 1400 – 3800 nm = 1,4 – 3,8 μm
C 3800 – 1000000 nm = 3,8 – 1000μm
Energieaufnahme der Wasser- und Kohlendioxidmoleküle
Die Treibhausmoleküle Wasser (gasförmig) und Kohlendioxid absorbieren diese Energie unter Anregung von Schwingungen. Das gewinkelte H2O – Molekül kann 3 Einzelschwingungen ausführen, vorstellbar als zwei Dehnungsschwingungen und eine Knickschwingung (Deformationsschwingung). Das gestreckte CO2 Molekül dagegen kann vier Schwingungen ausführen. Die Knickschwingung ist doppelt zu zählen, da sie sich in zwei unabhängige Einzelschwingungen zerlegen lässt, von dem eine in der Papierebene erfolgt und die andere senkrecht zur Papierebene (siehe Abb.1)
Abb. 1 (Quelle: R.Havemann, Chemische Thermodynamik, Berlin 1957)
Beide Moleküle absorbieren im langwelligen Bereich (Infrarot – Bereich). Wasser bei 1595 cm-1 (Deformationsschwingung), bei 3652 cm-1 (symmetrische Valenzschwingung), und 3756 cm-1 (asymmetrische Valenzschwingung). Kohlendioxid bei 667 cm-1, 1338 cm-1 und 2349 cm-1. Aus den angegeben Wellenzahlen (WZ) lässt sich nach (1) die Wellenlänge der Absorption ermitteln und mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit ( c ) die Absorptionsfrequenz (ν) errechnen (2).
1
λ = — (1) ν = c x λ-1 (2) E = h x ν (3)
WZ
Die aufgenommene Energie (3) kann nur in Energiequanten der Größe E = h x v übertragen werden, darin ist h das Plancksche Wirkungsquantum, eine universelle Naturkonstante, mit dem Wert von h = 6,62 10-27 erg x sec. Für das Wassermolekül errechnet sich eine Energieaufnahme von 178,62 10 -14 erg bzw. 1,12 eV, für das Kohlendioxid ergibt sich ein Betrag von 86,98 10-14 erg bzw. 0,53 eV. Damit ist die Energieaufnahme des Wassermoleküls etwa doppelt so hoch wie die des Kohlendioxidmoleküls. Für eine Bilanz der aufgenommenen Energie sind die Mengen an Wasser und Kohlendioxid in der Luft erforderlich. Bei einer Lufttemperatur von 15°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60% beträgt die absolute Luftfeuchtigkeit 7,69g/m3. Diese Menge enthält bei einem Molvolumen von 23,46 l (1 Mol = 18g) 25,7×10 22 Wassermoleküle, was einer Energiemenge von 4,6×1011 erg / m3
entspricht.
Der Kohlendioxidgehalt in der Luft beträgt 0,041 Vol-%, das sind pro m3 Luft 0,41l und bei einem Molvolumen von 22,26 l (1Mol = 44g) 0,81g, was einer Molekülzahl von 1,1×10 22 und einer Energieaufnahme von 9,6×109 erg / m3 entspricht. Im m3 Luft sind bei 15°C und einer rel. Luftfeuchtigkeit (LF) von 60% etwa 20 Mal mehr H2O – Moleküle als CO2 – Moleküle enthalten. Während aber der Kohlendioxidgehalt bei Temperaturerhöhung nahezu konstant bleibt, erhöht sich die absolute Luftfeuchtigkeit mit der Temperatur asymptotisch und beträgt bei:
0°C – 5g, 10°C – 9g, 20°C – 17g, 30°C – 30g und bei 40°C – 50g pro m3 Luft.
Bei 30°C und 60% rel. LF würde die Wassermenge 18,6 g/m3 betragen und das Molekülverhältnis auf etwa 57 zu 1 ansteigen, bei einer rel. LF von 100% auf 91 zu1. Unter Berücksichtigung, dass das Wassermolekül doppelt soviel Energie aufnimmt als das Kohlendioxidmolekül ist der Wasserdampf in der Atmosphäre ein ca. 100 Mal stärkeres Treibhausgas als das Kohlendioxid. Diese Berechnung entspricht der Tatsache, dass die Temperatur in Wüsten nach Sonnenuntergang stärker absinkt als in gemäßigten Klimazonen, da hier die Luft weniger Wasserdampf enthält bei gleichem Kohlendioxidgehalt.
Schlussfolgerungen
Die aktuelle Klimaerwärmung reiht sich in die seit Jahrtausenden entstehenden Warmzeiten ein (siehe Abb.2.). Das Kohlendioxid trägt nur minimal zur Erwärmung bei, sodass eine Hysterie nicht angesagt ist. Allerdings sollte die Zunahme auch nicht ins Uferlose steigen. Wer auf die Wärmeperioden der vergangenen Zeit schaut, erkennt, dass diese immer mit einem positiven Schritt in der Menschheitsgeschichte verbunden waren. So erfolgte die Gründung der ersten Städte und das Sesshaftwerden des Menschen in einer Warmzeit vor 6000 – 8000 Jahren. Die Minoische Warmzeit führte zur ersten Hochkultur in Europa und zur Himmelsscheibe von Nebra. Das Römeroptimum vor 2000 ermöglichte die Blüte Roms, aber auch die Alpenüberquerung Hannibals mit seinen Elefanten. Die letzte Warmzeit führte zur Entdeckung Grönlands und Amerikas durch die Wikinger.
Die Menschheit kann heute auch einen gewaltigen Schritt in die Zukunft tätigen, wenn sie die Wüsten Afrikas, Amerikas, Asiens und Australiens nutzt um, mit schon vorhandenen Technologien, Energie zu erzeugen. Hier bietet sich die Produktion von Wasserstoff in großem Umfang an. Gleichzeitig sollte die Energiegewinnung über Kernfusion, den Dual Fluid Reaktor und die Erzeugung von Biomasse durch eine technische Photosynthese intensiv beforscht werden. Dafür lässt uns der Klimawandel Zeit. Parallel dazu ist es geboten, sich auf diese Erwärmung einzustellen. Es gab in den Warmzeiten auch starke Vulkanausbrüche (6300 v. u. Z. Ätna – Tsunami, 1613 v. u. Z. Santorin, 79 u. Z. Vesuv).
Abb. 2 (Quelle: Junge Freiheit 49/19)