Hallo zusammen, hier ein weiteres
Video zum Thema Motivation und
Hemmnisse zum Einsatz erneuerbarer
Energien und Effizienztechnologien und
zum Thema Treibhauseffekt,
Treibhausgase und Prognosen
zum Klimawandel.
Ich möchte mit dem natürlichen
Treibhauseffekt beginnen. Ohne
Atmosphäre hätten wir auf der Welt
diese Zusammenhänge: wir haben eine
Einstrahlung von der Sonne, die ist
kurzwellig und wir haben
eine Abstrahlung von der Erde,
die ist langwellig. Und es
würde sich ein thermodynamisches
Gleichgewicht einstellen. Die
Energiemenge, die von der Sonne
auf die Erde trifft,
würde auch von der Erde wieder abgestrahlt.
Wenn die Erde kälter würde,
dann würde sich
die Erde soweit wieder aufheizen, bis dieses
Gleichgewicht existiert. Und die
Abstrahlung von der Erde genügt
einer sehr einfachen
Gesetzmäßigkeit, nämlich
Sigma (σ) mal T⁴
also dem Stefan-Bolzmann-Gesetz:
die Stefan-Bolzmann-Konstante Sigma
multipliziert mit der Temperatur in Kelvin
in der vierten Potenz.
Und dieses Gleichgewicht
stellt sich ein, wenn wir keine
Atmosphäre hätten, bei einer Erdtemperatur
von -18 °C.
Die Kelvin Skala ist so:
0 °Celsius sind 273,15 Kelvin.
D.h. minus 18°Celsius sind
also 255 Kelvin.
Bei 255 Kelvin (= -18°C) könnte es
auf der Erde kein Leben
geben, denn zum Leben brauchen wir
Temperaturen über 0 °Celsius, d.h. einen
funktionierenden Wasserkreislauf.
Wasser unter 0 °Celsius friert, also kein Leben wäre möglich.
Also wir können froh sein, dass wir
eine Atmosphäre haben, weil mit der
Atmosphäre wird es wärmer. Die
Zusammenhänge mit Atmosphäre sind jetzt
hier dargestellt. Sie sehen die
gleiche solare Einstrahlung.
Davon kommt aber jetzt weniger auf der
Erde an. Ein Teil bleibt in
der Atmosphäre stecken, denn er wird
dort absorbiert von Bestandteilen der
Erdatmosphäre, von Molekülen. Und
ein anderer Teil wird direkt wieder in
den Weltraum reflektiert von Partikeln
in der Atmosphäre, Rußpartikeln oder
einzelnen Molekülen. Das ist die
sogenannte Albedo, die durch
Streuung und Reflektion in der Atmosphäre
und an der Erdoberfläche
des kurzwelligen Lichtes entsteht.
D.h. auf der Erde und in der Atmosphäre
kommt weniger Solarstrahlung an.
Wenn man diesen
Zusammenhang sieht, könnte man denken,
dann muss die Erde auch weniger warm sein,
um diese Energiemenge wieder loszuwerden,
und um das thermische Gleichgewicht
wieder herzustellen. Das ist aber nicht der
Fall, weil auch von dieser
Strahlung, die von der Erde ausgeht,
ein guter Teil wiederum
in der Atmosphäre bleibt
und direkt reflektiert wird.
Dieser Teil, der in der Atmosphäre hängen bleibt,
wieder durch Absorption
von Molekülen in der Atmosphäre,
der wird etwa
zur Hälfte wieder
auf die Erde zurückgestrahlt
und zur Hälfte
Richtung Weltall gelassen. Das hängt damit
zusammen, dass die Moleküle in der
Atmosphäre eine gerichtete Strahlung,
- von der Erde Richtung Weltall -
aufnehmen. Dann kommt es zu einem
Elektronensprung in dieser
Molekülstruktur.
Ein Elektron nimmt eine etwas größere
Energie auf und irgendwann
fällt dieses Elektron wieder
auf das ursprüngliche
Energieniveau zurück und
bei diesem Vorgang wird
Strahlung freigesetzt und diese Strahlung
ist dann nicht gerichtet, sie geht in
alle Richtungen, das heißt etwa die
Hälfte Richtung Weltall und die andere
Hälfte Richtung Erde.
Unter dem Strich muss dieser
Abstrahlungsterm dann so groß
werden, dass das, was insgesamt ins
Weltall geht, nämlich direkt und durch
diese Halbabstrahlung der
Moleküle, gleich diesem Term ist,
gleich dem, was direkt auf die Erde
auftrifft und daran auf die Erde
gelangt und dort bleibt, und das, was in
der Atmosphäre hängen bleibt. Dann haben
wir thermisches Gleichgewicht. Und dieses
thermische Gleichgewicht wird erreicht,
wenn diese Temperatur
plus 15 °C ist,
das sind 273 Kelvin plus 15 Kelvin,
also 288 Kelvin.
Durch den natürlichen Treibhauseffekt
haben wir also eine
Temperaturerhöhung auf der Erde um
plus 33 Kelvin. Und nur deshalb
kann es Leben auf der Erde
geben. Also der
natürliche Treibhauseffekt ist
ganz wichtig für uns.
Und der wird im Übrigen
auch nicht von den Klimawandel-Leugnern
abgestritten.
Den Effekt kann man im Labor leicht physikalisch zeigen,
man kann zeigen, daß es das gibt,
diese physikalischen Zusammenhänge.
Und dann detaillierter,
tiefer reingeguckt in
diesen Vorgang.
Was passiert da genau?
Wir haben zunächst mal die natürlichen
Treibhausgase bzw. zunächst die
Abstrahlung von der Erde. Hier
dargestellt die Emission der Erde in
Kilowattstunden pro Quadratmeter Fläche,
in Abhängigkeit der Wellenlänge der Strahlung.
Und hier rot
dargestellt, das ist die maximale
Abstrahlung der Erde
in Richtung Weltall. Jeder Körper,
der wärmer ist als 0 Kelvin,
gibt Strahlung ab: σ mal T⁴.
Also nur bei 0 Kelvin ist dieser Term 0.
Auch diese Wand gibt
Strahlung ab. Unser Auge kann ihn
nur nicht sehen, weil diese
Strahlung recht langwellig ist. Die erste
Strahlung, die unser Auge sehen kann,
wäre ein rotglühendes Eisen.
Diese Wellenlängen 3 bis 60 Mikrometer
sieht unser Auge nicht. Das ist das,
was maximal ins Weltall
abgestrahlt werden könnte. Wenn man dann
außerhalb der Atmosphäre, auf der ISS
zum Beispiel oder an einem Satelliten misst,
wieviel Strahlung kommt denn da an
und welche Wellenlängenverteilung hat das,
dann ist das nur noch dieses Blaue, die
im Weltall ankommende Strahlung von der Erde.
Und wieso ist das so?
Weil Bestandteile der Atmosphäre
manche Wellenlängen wegfiltern, absorbieren
und dann irgendwann zeitverzögert wieder
in anderen Wellenlängenbereichen abgeben.
Dieser (weggefilterte) Bereich hier zum Beispiel,
dafür ist vor allem der
Wasserdampf in der Atmosphäre
verantwortlich: der blockiert diese
Abstrahlung und auch hier dieser
Abstrahlungsbereich wird durch den
Wasserdampf vor allem weggefiltert.
Das hier sind die natürlich in der
Atmosphäre vorkommenden Gasmoleküle,
Wasserdampf. Wir haben auch Kohlendioxid
natürlicherweise und so weiter.
Und das sind Gase, die sogenannten
Absorptionsbanden, also hier im Diagramm der
Absorptionskoeffizient 0 bis Absorptionskoeffizient 1.
Hier als diese Linien sind die
Absorptionsbanden der einzelnen Moleküle
dargestellt. Wann absorbieren die
besonders gut? Das wäre bei Absorptionskoeffizient 1.
Und wann absorbieren die besonders
schlecht? Das wäre bei Absorptionskoeffizient 0.
Gezeigt sind hier also Moleküle, die ihre
Absorptionsbanden vor allem hier zwischen
3 und 60 Mikrometer Wellenlänge haben,
weil dort die
Hauptabstrahlung der Erde ist.
Wir nehmen jetzt die
anthropogenen Treibhausgase noch
hinzu, also die durch
menschliche Aktivitäten zusätzlich in die
Erdatmosphäre hinzukommenden
Treibhausgase und Moleküle.
Und zwar sind
Treibhausgase nur solche, die
Absorptionsbanden
bei denjenigen Wellenlängen haben, wo die Erde
noch ins Weltall abstrahlt.
Wenn das Molekül genau hier eine
Absorptionsbande hätte, dann wäre das
kein Treibhausgas, denn das sendet die
Erde zwar noch Strahlung an der
Erdoberfäche ab, aber die kommt sowieso nicht
mehr oben an. Das wäre also ein Molekül,
das keine Treibhausgaswirkung hat.
Treibhausgaswirkung haben nur die
Moleküle, die Absorptionsbanden
in diesen Abstrahlungsfenstern haben.
Ganz extrem zum Beispiel hier das Ozon,
das hat hier einen Peak der Absorption,
einer Absorptionsbande, die voll
hier in diesen maximalen
Abstrahlungsbereich liegt. Das ist also
verantwortlich für diese Delle. Und wenn
wir mehr Ozon in Atmosphäre haben,
dann wird das eine hohe Wirkung haben.
Das Kohlendioxid, das knabbert hier an
diesen beiden Rändern und knabbert hier an
den Rändern. Da macht es die Menge. Das
werden wir gleich auch noch sehen. Da
macht es die Menge. Diese
unterschiedliche Wirksamkeit von
Treibhausgasen, die wird durch das
"Global Warming Potential" ausgedrückt.
Dabei ist willkürlich die Treibhausgaswirkung
eines CO₂-Moleküls zu 1 gesetzt und
alle anderen werden in Relation zu
diesem einen CO₂-Molekül bewertet.
Ein Lachgas N₂O, also hier
ein solches Molekül hat zum Beispiel
eine Treibhausgaswirkung, die 310 mal so
groß ist wie die eines CO₂-Moleküls.
Hier angegeben ist dann auch noch der
Beitrag dieser Moleküle zum natürlichen
Treibhauseffekt. Den größten Anteil macht
der Wasserdampf hier mit 20,5 °C
von diesen plus 33 °Celsius insgesamt
Und das Methan hier unten,
natürlich vorkommend in
der Atmosphäre, von 1 Kelvin.
Die anderen Moleküle liegen dazwischen.
Also das ist der physikalische Effekt und den
kann man im Labor zeigen.
Quantifiziert, wie viel macht das in
Deutschland zum Beispiel aus?
In Deutschland ist der Beitrag der
anthropogenen Treibhausgase, die der
Mensch zusätzlich in die Atmosphäre entlässt,
dominiert durch das Kohlendioxid,
das entsteht vor allem durch die Verbrennung
fossiler Energieträger als auch durch
Industrieprozesse, zum Beispiel die
Zementherstellung.
Und dann kommen weitere Treibhausgase, das Methan
durch die Rinderverdauung.
Wenn allerdings das Rind in Argentinien
steht und wir das hier konsumieren,
dann belastet das die
argentinische Treibhausgasbilanz und
nicht die deutsche.
Methanquellen sind auch die Faulung von Biomasse, z.B. in
Deponien und unter Wasser,
oder auch durch. Erdgaslecks.
Die Quelle für Lachgas ist vor allem Stickstoffdünger.
Quellen für die halogenierten Fluorkohlenwasserstoffe,
sind der Einsatz als Kältemittel in Kühlgeräten und
als Lösungsmittel in
der Industrie. Oder das Molekül
SF₆, also Schwefelhexafluorid,
ein elektrisch isolierendes Gas wird zum Beispiel
in Trafostation eingesetzt. Aber sie sehen,
dessen Bedeutung ist nicht so groß.
Dominierend ist
die Kohlendioxid-Emission.
Im übrigen hat die Forstwirtschaft hier bei
uns einen negativen Beitrag, also wir
haben Holzzuwachs in Deutschland.
Was macht das jetzt?
Diese Physik ist ja in
weiten Teilen unstrittig.
Aber was macht das - mit unserem Klima?
Und dazu gibt vor
allem das IPCC immer wieder Auskunft.
Das IPCC ist das Intergovernmental
Panel on Climate Change,
es wurde 1988 von der UNO gegründet,
und fasst die weltweit vorhandenen
wissenschaftlichen Erkenntnisse zusammen,
macht die gar nicht selbst. Es gab
bislang sechs große Berichte, angefangen von
dem ersten 1990 bis zum letzten
hier 2021/22.
Und die Kernelemente
dieser IPCC-Berichte
sind die Simulationen
zu den klimatischen Veränderungen,
die uns erwarten, in der Regel
prognostiziert bis ins Jahr 2100.
Bei diesen Simulationen
ist die Physik weitestgehend
gut abgebildet, so wie der
Stand der Wissenschaft ist. Die
Simulationsmodelle berücksichtigen alle
möglichen Effekte, die man kennt.
Das, was ich gerade geschildert habe,
aber auch rückkoppelnde Effekte,
wenn CO₂ im Meer aufgenommen wird
oder der Golfstrom sich abschwächt.
Alles was man weiß,
wird in diesen Modellen abgebildet.
Das Einzige, was richtig ungewiss ist,
das ist die Treibhausgasemission!
Und deshalb wird diese
Treibhausgasemission in Szenarien
betrachtet. Also nicht nur eine
Treibhausgasprognose für die nächsten
80 Jahre, sondern mehrere. Ich
habe hier mal das Second-Best Szenario
aufgeschrieben. Das geht
hoch bis auf 421 ppm CO₂
und 475 ppm CO₂ Äquivalente.
Und das Worst-Case, geht
hoch bis 936 ppm CO₂
in 1313 ppm CO₂ Äquivalente. Also
CO₂ Äquivalente bedeutet: inklusive der Wirkung der
anderen Treibhausgase.
Was sagen diese Zahlen
einem jetzt?
400, 900, 1300??
Ich habe Ihnen 4 Relationen mitgebracht,
um das greifbarer zu machen. Die erste
Relation ist die
CO₂-Konzentration auf Hawaii, d.h. an der
Messstation auf Hawaii.
Hier von 1960 knapp unter 320 ppm (parts per million)
bis im Jahr 2020 bei knapp unter 420 ppm.
Das heißt, wir haben diesen Wert (aus dem IPCC-Szenario)
schon erreicht. Und wenn Sie die
Entwicklung sehen, kein
Abbremsen des Anstiegs in Sicht.
Die kleinen Schwankungen hier, das ist
Winter-Sommer, denn das CO₂
wird durch Biomasse im Sommer gebunden
und im Winter
wird es wieder frei.
Ein Anstieg von 100 ppm CO₂ in 60 Jahren.
Die zweite Korrelation,
der zweite Vergleich ist,
dass in den letzten
650.000 Jahren die
Werte zwischen 200 und 300 ppm
geschwankt haben. Wir sehen
nach einem anderen Video auch noch eine
Grafik dazu.
Das heisst, den Anstieg, den wir in 60
Jahren geschafft haben, das war die
Schwankungsbreite in den letzten
650.000 Jahren! In Zyklen
von etwa 10.000 Jahren, hat das
in dieser Größenordnung geschwankt.
Und interessant (die dritte Korrelation)
ist der Vergleich zu dem,
was die Raumluft-Hygieniker
als schlechte Raumluftqualität bezeichnten.
Die sagen nämlich ab 1.000 ppm CO₂ muss ich
dringend lüften, weil ich sonst
Kopfschmerzen bekomme.
D.h. wenn diese Entwicklung stattfindet,
brauchen wir das Fenster nicht mehr
deshalb aufzumachen, weil dann ist
draußen die Luft genauso schlecht, wie
Sie sie drinnen nicht haben wollen.
Was kommt dann raus, wenn man diese
Szenarien zugrunde legt und die
Entwicklung simuliert, wie das Second-Best
Szenario? Wir betrachten
Second-Best, weil das Best-Case-Szenario
ist eigentlich nicht mehr
erreichbar.
Das Second-Best Szenario
zeigt Temperaturerhöhungen (hier die
Skala in Grad Celsius) von
etwa 1 bis 2 °Celsius, in weiten
Teilen der Welt. Das ist etwa das,
was man sich in Paris vorgenommen hat.
Die Kontinente erwärmen sich
schneller und stärker als die Ozeane,
weil in den Ozeanen natürlich der
Wärmetransport in die
tieferen Schichten weitaus besser funktioniert
als an Land.
Und für uns ganz wichtig,
die Arktis erwärmt sich deutlich stärker
als der Rest und das ist
schon das, was wir jetzt in unserem
täglichen Wetter
spüren und erleben, dass nämlich der
Jetstream sich abschwächt und wir deshalb
längere, stabile Wetterlagen haben.
Ansonsten könnten wir uns ja vielleicht
sogar freuen über 1 bis 2 °C Erwärmung:
"schön, da brauchen wir nicht mehr ans Mittelmeer".
Aber das ist unser echtes Problem:
lange stabile Wetterlagen, d.h. lange
Trockenheiten, lange und intensive
Regenfälle.
Und wenn ich mir das
Worst-Case Szenario ansehe, dann möchte
ich das nicht mehr erleben.
Und noch einen Blick auf die
Meeresspiegelanstiege, die auch
prognostiziert werden. Hier zwei Grafiken
über die bisherige Entwicklung seit
1900 bis 2000.
Wir haben hier 20 cm
Anstieg bisher gesehen. Die Prognosen
für die nächsten 100 Jahre,
(Das hier sind ja auch 100 Jahre.) Für die
nächsten 100 Jahre noch mal etwas mehr
als 20 cm bis 100 cm.
Das sind globale
Mittelwerte, da gibt es lokale
Unterschiede. Die Ursachen sind
einfach, dass Wärme das
Meerwasser erwärmt und warmes Wasser
dehnt sich aus, nimmt ein größeres
Volumen ein. Eine weitere Ursache ist die
Landeis-Schmelze. Also wenn ein Eisberg schmilzt, der im
Meer schwimmt, dann erhöht das
nicht den Meeresspiegel, aber wenn
Landeis schmilzt, Gletscher zum Beispiel,
oder Grönlandeis, dann erhöht das
auch den Meeresspiegel.
Auch weitere Auswirkungen sind
berücksichtigt, die Änderung der
Ozeanzirkulation, die zu
erwarten ist, zum Beispiel eine
Golfstrom-Abschwächung. Aber der Golfstrom
wird aller Voraussicht nach nicht
zusammenbrechen. Und die Dämpfung des
atmosphärischen Temperaturanstiegs
natürlich, wenn das Meer Energie
aufnimmt.
Also bis zu 100 cm können wir
noch sagen, "ja gut, das schaffen wir",
"machen wir die Deiche höher".
Leider ist es so, dass das Meer einfach nur
lange braucht, um die Temperatur der
Atmosphäre anzunehmen.
Der Anstieg des Meeresspiegels,
abgeleitet aus erdhistorischen Daten, der
wird auf lange Sicht deutlich höher sein
können, wenn das Meer einfach die
Temperatur der Atmosphäre sukzessive
annimmt, mehrere 10 Meter.
Letzte Folie zu diesem Thema: was sagt der
letzte IPCC Bericht
von 2021/2022 ?
Hier in der Grafik geht es um
verbleibende CO₂-Budgets.
Wir haben bisher eine
Temperaturerwärmung auf der Erde
vom Mittelwert der Jahre 1850 bis 1900
bis zum Mittelwert der Jahre 2010 bis 2019
von knapp über 1 Kelvin.
Und damit verbunden sind historisch
kumulierte Kohlendioxid-Emissionen
von etwa 2.400 Gigatonnen
pro Jahr in diesem Zeitraum.
In diesem Teil der Tabelle hier ist nun
dargestellt, wie viel
Gesamtbudget an CO₂-Emissionen,
kumuliert, also aufaddiert,
über die nächsten Jahre und Jahrzehnte,
können wir uns denn noch leisten, bis wir
vollständig dekarbonisiert sind, bis
wir kein Kohlendioxid mehr in die
Atmosphäre entlassen.
Also, das
verbleibende Kohlendioxid-Budget,
beginnend von 2020 in Gigatonnen
pro Jahr, das sind diese Werte
und das verbunden mit einer
Wahrscheinlichkeit,
dass diese Temperaturerhöhungen nicht
überschritten werden.
Das ist ein bisschen kompliziert zu lesen. Ich mache
daher ein Beispiel, nämlich:
mit 67-prozentiger Wahrscheinlichkeit
sagen die Simulationsmodelle voraus,
dass wir um diese Temperatureröhung
von 1,5 Kelvin einzuhalten, wir noch
400 Gt emittieren dürfen.
Und zum Vergleich, um
die 400 Gt greifbar zu machen:
in 2019 ist weltweit eine
Emission von 43 Gt von
Kohlendioxid passiert. (ein Zehntel des gesamten Rest-Budgets)
Also der Wert
von 400 Gt ist eigentlich nicht
mehr einzuhalten, das sieht man direkt.
Wenn wir 2 Kelvin nicht überschreiten
wollen mit
67-prozentiger Wahrscheinlichkeit, dann
dürfen wir noch 1.150 Gt
in Summe in die Atmosphäre
entlassen. Das ist schon sehr sportlich.
Diese Zahlen hier, wenn ich persönlich
mir die ansehe, bedrücken mich,
das kann ich hier sagen.
Damit bin ich am Ende dieses Vortrags.
Bis zum nächsten Mal.