Berechnung der CO2-Klimasensitivität
Von Dipl.-Ing. Peter Dietze, 19.10.2016
Durch die vielen unterschiedlichen Werte für die Klimasensitivität, die in der Literatur angegeben werden, entsteht der Eindruck, der Wert sei noch unbekannt. Das macht sich IPCC zunutze und rechnet noch immer mit einem viel zu hohen ‚best guess‘, dessen Ursprung in Eisbohrkernen und ozeanischer Ausgasung liegt, was aber mit dem strahlungsphysikalischen Treibhauseffekt mit dem wir uns befassen, nichts zu tun hat. Dabei wurde noch Ursache und Wirkung verwechselt, also nicht beachtet dass wenig CO2 großen Temperaturänderungen mit mehreren hundert Jahren Verzögerung folgte und diese nicht verursacht hatte Dietze [1].
Hier wird ein einfaches strahlungsphysikalisches Verfahren auf der Basis von Stefan-Boltzmann vorgestellt, bei dem eine quasi isotherme Modellerde benutzt wird, die genügend schnell rotiert, Wärme gut speichert und umverteilt, so dass trotz globaler Mittelwerte für Strahlung und Kelvin-Temperaturen auch bei T4 hinreichend genau gerechnet werden kann.
Hierbei wird nicht, wie teils vermutet, das Klima der Erde völlig falsch berechnet. Es wird für diesen Fall nur näherungsweise der globale Parameter Klimasensitivität bestimmt, mit dessen Hilfe globale Temperaturänderungen im Sinne von Trends berechnet werden, welche die realen Temperaturverläufe überlagern.
Im Strahlungsmodell kann die globale Temperaturerhöhung durch eine Erhöhung der Einstrahlung am Schwarzkörper-Boden im Gleichgewicht mit der Formel
deltaT = deltaS/S/4•T (1)
berechnet werden. Die Klimasensitivität oder Equilibrium Climate Sensitivity (ECS) ist also 1/S/4•T, was bei 288 K am Boden und 391 W/m² den Wert 0,184 K/(W/m²) ergibt. Für die Sensitivität bei CO2-Verdoppelung wird mit dem „Strahlungsantrieb“ am Boden multipliziert.
In (1) bedeutet das deltaS Gegenstrahlung welche die Bodentemperatur erhöht. Einige Thermodynamiker bestreiten dies allerdings, da sie den 2.HS vom antiken Clausius 1887 fehlinterpretieren: „Die Wärme kann nicht von selbst aus einem kälteren in einen wärmeren Körper übergehen“. Durch Strahlung wird jedoch keine Wärme, sondern Energie (W/m²) aus der kälteren Atmosphäre auf den wärmeren Boden transportiert, wo sie absorbiert und in Wärme umgewandelt – und dann auch wieder emittiert wird.
Die deltaT-Formel (1) entsteht durch Differentiation der Stefan-Boltzmann-Gleichung
S = Sigma•T4 nach T mit dem Ergebnis
dS/dT = 4·Sigma·T3 = 4•S/T (2)
Dieser strahlungsphysikalische Ansatz ist offenbar beim Mainstream und vielen anderen Wissenschaftlern, die aufgrund von Beobachtungen diesen Wert empirisch mehr oder weniger falsch ermitteln, bisher unbekannt oder er wird wegen der Nichtlinearität T4 abgelehnt – obwohl für kleine Änderungen eine Linearisierung zulässig ist.
Für den „Strahlungsantrieb“ gibt IPCC bei ‚clear sky‘, d.h. ohne Wolken und hier auch ohne Wasserdampf, gemäß HITRAN-Integration (line by line, Shine) für CO2-Verdoppelung am oberen Atmosphärenrand (TOA) ein deltaS = 3,7 W/m² an, was als Zurückhaltung (soweit die Bodentemperatur noch nicht angestiegen ist) oder als zusätzliche externe Einstrahlung interpretiert werden kann. Dieser Wert wird oft irrtümlich auch am Boden angewendet Wikipedia [2].
Die Integration der durch höchst präzise Spektroskopie ermittelten HITRAN-Transmissionsdaten wurde vom Verfasser überprüft. Der Wert 3,7 war lediglich dann korrekt wenn die Atmosphäre (nur CO2, 360 ppm) mit 350 W/m² vom Boden her durchstrahlt wurde. Dann werden vom CO2 insgesamt 74 W/m² in der Atmosphäre absorbiert (HITRAN, Bild 1) und in den Flanken werden es für jede CO2-Verdoppelung 7,4 W/m² mehr.
Im Gleichgewicht stellt sich die Temperatur der Atmosphäre so ein, dass diese Strahlungsleistung wieder thermisch emittiert wird. Dabei geht etwa die Hälfte, also 3,7 W/m² in Richtung Boden, was als Strahlungsantrieb angegeben wird. Damit ergibt sich am Boden mit Eps = 239/391 (Bild 2) bei +15 °C oder 288 K mit Formel (1) der bekannte IPCC-Basiswert (Planck Response) zu
deltaT = 3,7/391/4•288/Eps = 1,11 °C oder 0,3 K/(W/m² toa) (3)
Tatsache ist aber dass die Absorption nur proportional zur Nettodurchstrahlung ist (z.B. ergibt die IR-Strahlung zwischen zwei Platten gleicher Temperatur keine Absorption). Und da die Nettodurchstrahlung wegen der im Modell für kurzwelliges Sonnenlicht transparent angenommenen Atmosphäre im Mittel statt 350 nur 239 W/m² beträgt (1364/4·0,7 wegen 30% Albedo), ist der IPCC-Wert 3,7 W/m² mit dem stets gerechnet wird, um den Faktor 1,464 zu hoch.
Weiter berücksichtigt IPCC nicht die Tatsache dass Wolken für IR Schwarzkörper (!) sind und somit CO2 unter etwa 60% Wolken keinen zusätzlichen Erwärmungseffekt am Boden hat. Damit ergibt sich mit etwa 35% CO2 über den Wolken ein plausibler Reduktionsfaktor von 0,35+0,40•0,65 = 0,61. Auch die Wasserdampfüberlappung wird von IPCC nicht berücksichtigt, die gemäß Satelliten(trichter)messung einen Reduktionsfaktor von 27/37 = 0,73 ergibt.
IPCC nimmt – zusätzlich zum Faktor 1,464 – als drastische Verstärkung des CO2-Effekts am Boden noch ein Wasserdampf-Feedback mit dem Faktor 2,7 an (1,11•2,7 = 3,0 Grad als ‚best guess‘). Da aber auch der Wasserdampf weitgehend gesättigt ist, ist hier – auch gestützt durch MODTRAN-Berechnungen – eine Reduktion der Erhöhung von +1,7 auf weniger als 1/3 bzw. von Faktor 2,7 auf 1,5 erforderlich. Nicht berücksichtigt wird von IPCC auch dass die tropische Feuchtkonvektion einen Bypass zum Energie-Abtransport durch IR-Strahlung darstellt (wobei allerdings ein Großteil zurückkommt) womit eine Reduktion etwa um den Faktor 0,92 entsteht.
Wenn man auch noch für den längeren Absorptionsweg durch schräge Abstrahlung vom Boden eine Korrektur um den Faktor 1/cos(40°) = 1,305 nimmt (HITRAN gilt für vertikale Durchstrahlung) und für den Strahlungsantrieb am Boden alle sechs Korrekturfaktoren berücksichtigt, ergibt die Berechnung für eine realistische Erwärmung bei CO2-Verdoppelung
deltaT = 1,11/1,464•0,61•0,73•1,5•0,92•1,305 = 0,6 °C (4)
Nach Wikipedia [2] nennt IPCC [3] dagegen 3 °C als besten ‚Schätzwert‘ und eine Sensitivität von unter 1,5 °C als ’sehr unwahrscheinlich‘. Natürlich ist jeder Korrekturfaktor mit Unsicherheit behaftet, so dass die 0,6 °C auch eine entsprechende Bandbreite aufweisen.
Wasserdampf-Feedback und Wolken tragen am meisten zur Unsicherheit bei. Hier wird davon ausgegangen dass der globale Wolkenbedeckungsgrad sich durch CO2 nicht ändert.
Bekanntlich hat Harde [4, 4a] unabhängig von (4) mit sorgfältigen Modellrechnungen ebenfalls einen Wert von 0,6 Grad ermittelt. Auch durch viele Regressionsanalysen von Zyrkowski [5] welche in den Beobachtungsdaten den solaren Einfluss (insbesondere auch die dadurch bedingte Änderung der Wolkenbedeckung) berücksichtigen, wird dieser Wert unterstützt. Moll [6] kommt auf etwa 0,5-0,7 Grad. Man kann diesen Wert also als weitgehend richtig betrachten. Lindzen und Choi [7] ermitteln empirisch aus Beobachtungen etwa ein Grad.
Interessant und sensationell ist die Tatsache dass das 2-Grad-Ziel (~445 pm) der COP 21 in Paris mit 1/5 der ECS einen CO2-Anstieg von vorindustriell 280 auf 2820 ppm (!!) zulässt, womit jegliche CO2-Reduzierung und insbesondere die Dekarbonisierung ad absurdum geführt wird. Wegen stark ansteigender Senkenflüsse bei Verbrennung aller nutzbaren fossilen Reserven (~1300 GtC) können wir gemäß Berechnung mit einem C-Modell bei etwa 40 Jahren Halbwertszeit Dietze [8], Halperin [9] nur höchstens 500 ppm und 0,5 Grad gegenüber vorindustriell erreichen:
deltaT = 0,6•ln(2820/280)/ln(2) = 2,0 °C und 0,6•ln(500/280)/ln(2) = 0,5 °C (5)
Das CO2-Problem ist also in Wirklichkeit ein Nonproblem!
Bild 1
Bild 1:
HITRAN-Transmissionsspektren bei 360 ppm für verschiedene Atmosphären-Schichtdicken (bei Bodendruck), mit Lambert-Beer aus 5% CO2 und 1 m für 360 ppm berechnet. In jedem der 560 Balken sind etwa 60 Linien zusammengefasst. Im Trichter des gelben Spektrums werden – bei einer Planck-Quellstrahlung von 350 W/m² – im weiten Bereich um 15 mue (667 Wellen/cm) 74 W/m² absorbiert. In den Flanken bei CO2-Verdoppelung (gelb bis grün) zusätzlich 7,4 W/m², woraus an TOA ein Strahlungsantrieb von 3,7 W/m² folgt.
Bild 2
Bild 2:
In der unteren Atmosphäre entsteht am Boden eine Hin- und Herstrahlung, die insgesamt das Ergebnis einer geometrischen Reihe ist – hier gezeigt bei 240 W/m² Solarstrahlung wenn z.B. max. 100% der Bodenabstrahlung von THG und Wolken absorbiert werden, 50% gegengestrahlt werden und der Boden statt -18 Grad +30 Grad annimmt. In der Erdrealität werden 38,8% gegengestrahlt. Der „Verstärkungsfaktor“ für die Bodenstrahlung, der +15 Grad ergibt, ist dann 1/(1-0,388). Diesen kann man als 1/Eps = 391/239 interpretieren.
Literatur
[1] P. Dietze (2007), Energie, CO2 und Klima: eta[energie] #1/2007
http://www.kritische-naturgeschichte.de/Medien/Dietze_18-22_ETA0107.pdf
[2] Wikipedia, https://de.m.wikipedia.org/wiki/Klimasensitivit%C3%A4t
[3] AR5, IPCC (2013): http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/
[4] H. Harde (2011), Was trägt CO2 wirklich zur globalen Erwärmung bei?: Norderstedt BoD
[4a] H. Harde (2014), Advanced Two-Layer Climate Model for the Assessment of Global Warming by CO2 http://tinyurl.com/p49rajx
[5] J. Zyrkowski (2008), It’s the Sun, Not Your SUV: St. Augustine’s Press, Indiana
http://www.staugustine.net/our-books/books/itsthesunnotyoursuv/
[6] U. Moll (2016), KLIMAWANDEL oder heiße Luft: ISBN 978-1536828467
[7] R.S. Lindzen and Y-S. Choi (2011): On the Observational Determination of Climate Sensitivity and Its Implications: Asia-Pacific J. Atmos. Sci. (47(4), 377-390) http://tinyurl.com/3mbresk
[8] P. Dietze (2001), Carbon Model Calculations and Discussion: http://www.john-daly.com/dietze/cmodcalc.htm sowie /cmodcalD.htm
[9] A. Halperin (2015), Equation of Multi-Decadal Atmospheric Carbon Concentration defyccc.com/docs/se/MDACC-Halperin.pdf
Weitere Literatur
[a] R.P. Allen (2011), Combining satellite data and models to estimate cloud radiative effect at the surface and the atmosphere: Meteorol. Appl. 18, 324-333 (2011)
[b] R.W. Spencer, and W.D. Braswell (2011), On the Misdiagnosis of Surface Temperature Feedbacks from Variations in Earth’s Radiant Energy Balance: Remote Sensing 3(8) http://tinyurl.com/9cvuz32
[c] R.W. Spencer, and W.D. Braswell (2010), On the diagnosis of radiative feedback in the presence of unknown radiative forcing: Journal of Geophysical Research, Vol. 115 http://tinyurl.com/8kd694d
[d] H. Harde (2011), How much CO2 really contributes to global warming? Spectrospcopic studies and modelling of the influence of H2O, CO2 and CH4 on our climate: Geophysical Research Abstracts, vol. 13, EGU2011-4505-1 http://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2011/EGU2011-4505-1.pdf
Erläuterung von Begriffen
Eps ist im Zusammenhang mit Stefan-Boltzmann die Emissivitaet, also Emission ist Eps•Sigma•T4. Eps ist 1 für Schwarzkörper.
Tracerfluesse: Das ist eine komplizierte Story. Prof. Bolin, der frühere Chef des IPCC, hatte ozeanische Flussmessungen mit C-Isotopen falsch ausgewertet so dass – wie ich herausgefunden habe – die Senkenfluesse (also die zusätzliche Aufnahme von anthropogen emittiertem CO2 in den Ozeanen – abhängig vom Revelle-Faktor, der etwas mit der vermeintlichen CO2-Sättigung zu tun hat) fälschlich nur etwa 1/10 von der Realität waren. Aber der CO2-Zuwachs in der Atmosphäre war deutlich geringer als er hätte sein müssen. So waren die „missing sinks“ lange Zeit ein umstrittenes Rätsel.
Heute hat man die CO2-Bilanzen zwar passend hingemogelt und glaubt, die Biomasse nimmt die fehlenden Mengen auf und meint grottenfalsch, die Ozeane nehmen stets nur etwa gut die Hälfte unserer Emissionen auf – obwohl sie diese garnicht kennen und in Realität die Aufnahme proportional zum ppm-Anstieg (über das Gleichgewicht 280 ppm) ist. Der C-Kreislauf wird vom Mainstream immer noch nicht richtig verstanden und das ist der Grund für die blödsinnige Forderung nach Dekarbonisierung obwohl z.B. bei 500 ppm die Senkenflüsse auf 11 GtC/a steigen und die Temperatur gegen 1850 nur um 0,5 Grad.
Dass bei Emission Null auch vermeintlich die Ozeane (trotz hohem ppm-Wert) kein CO2 mehr aufnehmen (was eine unendliche Verweilzeit ergibt obwohl sie real nur 55 Jahre beträgt), hat IPCC entweder noch nicht gespannt oder nutzt das absichtlich um uns mit falschen Simulationsrechnungen zu betrügen.
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