Direkte Beobachtung des Treibhauseffektes

Antwort auf rv_2011 16.08.26 11:22:54 Uhr

Das ist ein richtiger Hinweis.

Gleichzeitig wird aber auch klar: egal wie man es macht, am Ende erfordert auch ein korrekter einfacher Versuchsaufbau, dass man die physikalische Theorie hinreichend gut kennt, um in der Vereinfachung noch die Entsprechung zum Klima zu sehen. Genau wie ein Modell stellt auch ein Versuchsaufbau im Labor eine Idealisierung dar, die immer nur bestimmte Eigenschaften eines komplexen Systems wiedergeben kann. Auch wenn ich hier direkte Beobachtungen des Treibhauseffektes bespreche, erfordern sie letztlich auch immer ein Verständnis darüber, was gemessen wird und warum das einen Bezug zum Treibhauseffekt hat. Ein Experiment, das so einfach ist, dass es jemanden überzeugt, der keinerlei Ahnung von Naturwissenschaften hat, kommt mir schwierig vor. Da ich die Grundkenntnisse bereits habe, bin ich nicht fähig, es durch die Augen eines kompletten Laien zu sehen und halte naturwissenschaftliche Darleguingen immer für überzeugender und einfacher, als sie für den Laien in Wahrheit sind.

Antwort auf for4zim 29.05.26 19:30:24 Uhr

Das ist ein schönes Beispiel für einen Scheinbeweis. Man kann es ebenso gut als Schweiderlegung verkaufen, wie es zahlreiche Beispiele in Desinformations-Sites gibt.

Bei einfachen Laborversuchen macht meist die Konvektion einen Strich durch die Rechnung, weil die adiabatische Höhenabkühlung fehlt. Ich hatte mich vor Jahren mal darüber mit dem (völlig uneinsichtigen) User @depodoc unterhalten.

Trotzdem ist deine kurze Antwort "nein" zu kurz: Es gibt sehr wohl Laborversuche, mit denen man den Treibhauseffekt demonstrieren kann. Entweder vermeidet man die Konvektion, indem man Gefäße mit Vakuum mal mit IR-absorbierendem Glas, mal mit einem IR-durchlässigem Material abdeckt.

Es funktioniert sogar ohne Vakuum mit CO2 (auch im Vergleich mit Argon), wenn man die Versuchsanordnung umdreht, so dass sich das warme Gas oben am beheizten "Boden" sammelt und die abstrahlende Schicht unten liegt und sich abkühlen kann. (Am besten deckt man unten IR-durchlässig ab, um Konvektion zu vermeiden.)

Der direkte Nachweis des Treibhauseffektes durch Beobachtung aus dem All geht ins Jahr 2001 zurück https://www.spektrum.de/news/direkter-nachweis-des-treibhaus… Es war der Nachweis, dass die Abstrahlung der Erde im infraroten Bereich zurückgeht, und dass dies gerade im Absorptionsbereich der Treibhausgase geschah.

Diese Beobachtungen waren noch recht grob und ungenau. Seitdem wurden Satelliten ins All geschossen, die das infrarote Spektrum mit sehr großer Auflösung und sehr großer Genauigkeit scannen. Die einzelnen Kanäle der Infrarotsensoren auf Satelliten können eine Genauigkeit von 0.002 Kyr−1 (Grad pro Jahr) erreichen. Damit kann man spektral hoch aufgelöste Trends beobachten und erheblich mehr als nur die Tatsache, dass die infrarote Strahlung an genau den erwarteten Stellen zurückgeht, was letztlich den Treibhauseffekt ausmacht - was die Erde weniger abstrahlt, erhöht die Temperatur auf der Erde. Das ist dann die globale Erwärmung.

Eine aktuelle Arbeit von J.K. Shaw und Kollegen, Current and Future Changes in Earth's Outgoing Infrared Spectrum. Geophysical Research Letters, 53, e2026GL121893. https://doi.org/10.1029/2026GL121893 bespricht die erweiterten Möglichkeiten der Satelliten bei der direkten Beobachtung des Treibhauseffektes und den Veränderungen im Laufe der Zeit. Dazu auch, welche detaillierteren Effekte bis 2040 mit den vorhandenen Satelliten beobachtet werden können. Da diese Arbeit sehr viele, allerdings auch komplexe Informationen enthält, wollte ich dies auf mehrere Beiträge aufteilen. Grundsätzlich aber ist auch dies eine Arbeit, die belegt, dass der Treibhauseffekt und seine Ursachen direkt beobachtet werden können und nicht "bloß eine Theorie" oder "etwas aus Modellen" sind.

Ja, es gibt leider derzeitig ein hohes Spam-Aufkommen.

Dieser Thread ist relevant, weil von Klimaleugnern oft behauptet wird, der Treibhauseffekt sei nur Theorie, ergäbe sich nur aus (angeblich fehlerhaften) Modellen oder sei gar ein Schwindel.

In der Realität ergibt sich der Treibhaueffekt aus direkten Beobachtungen mit Messgeräten vom Boden, aus der Luft und von Satelliten. Der Thread stellt wissenschaftliche Arbeiten dazu vor.

Eine Reihe von Arbeiten in diesem Thread berichten darüber, dass mit hochempfindlichen Strahlungsmessgeräten verschiedene Komponenten der Strahlung vom Boden und aus der Atmosphäre, womöglich auch spektral aufgelöst, gemessen wurden, um das Strahlungsbudget zu bestimmen oder gar direkt den Strahlungseffekt von Treibhausgasen zu bestimmen. Solche Verfahren sind teuer und aufwendig. Es gibt aber sehr viele meteorlogische Stationen, deren Daten trrotzdem dazu beitragen können, den Treibhauseffekt zu beobachten. Dazu muss man zwei Schritte gehen.

Schritt 1 ist, dass man an einigen Stationen mit einem Pyrgeometer die Gegenstrahlung der Atmosphäre misst, also die langwellige Strahlung aus dem Himmel ohne die direkte Sonneneinstrahlung. Das Problem hier ist, dass diese Gegenstrahlung auch abhängig von der Bewölkung ist. Wenn man die Bewölkung misst, kann man dann unterscheiden zwischen Werten für den klaren Himmel und den bewölkten Himmel.

Schritt 2 ist, die Gegenstrahlung mit einer etablierten Methode zu berechnen. Es gibt vor allem zwei verschiedene Methoden - die Details sind nur für den Fachmann interessant. Dann vergleicht man das mit den Ergebnissen aus Schritt 1 und kann etablieren, dass man die Gegenstrahlung mit Hilfe von üblichen meteorologischen Größen berechnen kann. Übliche Größen sind dann Temperatur, Wasserdampfgehalt oder relative Luftfeuchtigkeit und Bedeckungsgrad.

In der hier angegebenen Arbeit von Wang und Liang, von 2009, Global atmospheric downward longwave radiation over land surface under all-sky conditions from 1973 to 2008. JGR Atmospheres https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/200… wird der Vergleich durchgeführt. Die Gegenstrahlung wird dabei mit einer Standardabweichung von 20 W/m² und einem systematischen Fehler (Bias) von 2 W/m² mit beiden Verfahren berechnet. Diese Fehler mögen groß erscheinen, wenn man bedenkt, dass es darum geht, einen Trend von 2,2 W/m² pro Jahrzehnt zu erkennen, aber wenn man über die verfügbaren 3200 Stationen mittelt, wird as schon sehr genau. Für jede einzelne Station ist es auch so, dass sich die Streuung herausrechnen läßt, wenn einen nicht Absolutwerte, sondern der Trend in den Daten über viele Jahre interessieren. Betrachtet man also den Trend der Gegenstrahlung an allen 3200 Stationen, sieht das so aus:

An einzelnen Stationen kann der Trend unterschiedlich sein, etwa aufgrund lokaler Verhältnisse, wie Wetter und Lufttrübung. Aber in der Regel sind die Stationen hier rot eingefärbt, was einen stärkeren Anstieg der Gegenstrahlung bedeutet, und nur selten blau, was eine sinkende Gegenstrahung bedeutet. Der Trend stammt zum größten Teil von der Zunahme des Wassergehalts und dem Temperaturanstieg, beides Folgen der globalen Erwärmung - die globale Erwärmung läßt die Temperatur steigen und erwärmte Luft kann mehr Wasser aufnehmen. Dieser Anteil beträgt 1,9 W/m² pro Jahrzehnt. Den Anteil des CO2-Anstiegs selbst, was ja ursprünglich zur zunehmenden Gegenstrahlung führt, läßt sich mit einem Strahlungsflußmodell berechnen, und beträgt 0,3 W/m², Die Summe ist also die zuvor angegebenen 2,2 W/m", die man auch theoretisch erwarten würde. Die Messung der Strahlungswerte mit Pyrgeometern an einigen Stationen, die daraus abgeleitete Bestimmung der Gegenstrahlung mit gemessenen Werten für Temperatur, Luftfeuchte und Bewölkungsgrad an sehr vielen Stationen zusammen ermöglicht also, den Treibhauseffekt über Messungen nachzuweisen.

Kurze Frage: kann man den Treibhauseffekt mit einem einfachen Laboraufbau demonstrieren. Kurze Antwort: Nein.

Hier ist ein Artikel, warum man den Treibhauseffekt in einem Laboraufbau selbst dann falsch "beweisen" kann, wenn man eigentlich dachte, man sähe einen Erwärmungseffekt. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jchemed.8b01057

In dem Beispiel bestrahlt ein starkes Licht durchsichtige Becher, deren Luft gegen Kohlendioxid ausgetauscht werden kann. Im Behälter ist ein dunkler Boden, der Licht schlucken kann und dessen Temperatur gemessen wird. Wenn man nun die Luft gegen Kohlendioxid austauscht, misst man eine Erwärmung des Bodens und denkt, das wäre der Treibhauseffekt. Doch man kann den gleichen Versuchsaufbau auch mit einem Austausch der Luft durch Argon betreiben. Argon ist ein Edelgas, das von IR-Strahlung nicht angeregt wird und fast die gleiche Dichte hat wie Kohlendioxid. Es zeigt auch fast den gleichen Erwärmungseffekt, aber der Treibhauseffekt kann es nicht sein.

(Bild aus Artikel: 3 Becher, Thermometer, jeweils verschiedene Mengen Kohlendioxid, ein Erwärmungseffekt. Aber es ist nicht der Treibhauseffekt.)

In Wahrheit vermindet die hohe Dichte des Gases die Konvektion über dem Becherboden. Daher kann Wärme schlechter durch Gasbewegung nach oben abgeführt werden. Das führt zur Erwärmung des Becherbodens bei einem dichteren Gas, hat aber mit dem Treibhauseffekt nichts zu tun.

Den Treibhauseffekt als solchen kann man in einem Labor nicht einfach demonstrieren, weil er auf einer Änderung des Gleichgewichtszustandes bei der Strahlungsbilanz beruht. Dazu braucht man aber eine geschichtete Atmosphäre, in der man den Energiedurchfluss sehr genau bestimmt. Und das geht nur mit umfangreichen Beobachtungen in der realen Welt, aber nicht in einem einfachen Laboraufbau.

Ich hatte im letzten Beitrag darauf hingewiesen, dass Pyrgeometer geeignet sind, eine direkte Messung des Treibhauseffektes durchzuführen. Pyrgeometer sind Geräte, die die Wärmestrahlung aus einer Richtung (von oben oder unten aus dem gesamten Halbraum) messen, indem ein ideal schwarze Fläche im Gerät durch diese Strahlung erwärmt wird und die Temperatur gemessen wird. Führt man solche Messungen über lange Zeiträume sehr genau durch, kann man direkt messen, wie der Himmel abseits der Sonne immer stärkere Strahlung abgibt.

Das ist im Grunde die globale Erwärmung, die man da sieht, wobei es zwei Komponenten gibt. Zum einen die direkte Strahlung der Treibhausgase selbst, deren Konzentrationen ansteigen. Und zum anderen erwärmt sich die Luft durch den Treibhauseffekt und nimmt dabei auch mehr Wasser auf (wärmere Luft kann mehr Wasser halten als kalte Luft). Diese beiden Effekte muss man unterscheiden.

Von unten steigt die Strahlung auch - wenn der Boden wärmer wird, gibt er auch mehr Wärmestrahlung ab. Zusätzlich kann sich aber auch seine Albedo ändern, seine Fähigkeit, Strahlung von der Sonne zu reflektieren. Und die direkte kurzwellige Strahlung von der Sonne kann man natürlich auch messen. Da die Sonne selbst relativ konstant strahlt, ergeben sich hier Änderungen vor allem abhängig davon, wie trübe die Luft ist. Aerosol, oft aufgrund von menschengemachten Sulfatemissionen, schwächt die einfallende Sonnenstrahlung und kühlt die Erde. Da durch Luftreinhaltemaßnahmen die Aerosolmenge in der Luft über die vergangenen 20 bis 30 Jahre (je nach Region) abgenommen hat (zuletzt in Ostasien), spricht man von einer Aufhellung oder "global brightening" - die Trübung nimmt ab, die kurzwellige Strahlung am Boden nimmt zu.

Man braucht also neben zwei Pyrgeometern, die nach oben und nach unten messen, außerdem ein Strahlungsmessgerät für die kurzwellige Strahlung und Temperaturmessungen am Boden, und misst dann die Komponenten direkt oder errechnet sie.

So etwas hat zum Beispiel Atsumu Ohmura gemacht mit Daten von 22 Stationen von 1998 bis 2021 auf der ganzen Welt und 2024 veröffentlicht: "Atsumu Ohmura: Decadal variation of longwave downwelling and net radiation as observed at the surface with implication for climate sensitivity: Based on pyrgeometer and pyranometer measurements. Journal of the European Meteorological Society, 1, 2024) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S295063012…

Tatsächlich errechnet er, dass die Strahlung aus der Atmosphäre um ＋0.215 W/m²/Jahr ansteigt. Knapp 47% davon werden direkt durch den Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen verursacht, der Rest durch die Erwärmung der Luft und den gestiegenen Wassergehalt, also die Rückkopplungseffekte. Man sieht also zugleich, dass die Erwärmungsrate durch diese Rückkopplungseffekte verstärkt und zwar mehr als verdoppelt wird. Dadurch ergibt sich dann auch eine Klimasensitivität, die erheblich über 2,5 Grad je Verdopplung des CO2-Äquivalents sein muss. Die hier errechneten Zahlen für die CO2- und die Strahlungssensitivität sind allerdings nicht direkt mit den Werten aus anderen Quellen vergleichbar, weil die Größen hier direkt am Boden gemessen und auch die Strahlungsbilanz am Boden gebildet wird, während das Strahlungsbudget und die Klimasensitivität normalerweise für Werte an der Obergrenze der Atmosphäre betrachtet wird.

Interessant ist auch, dass es vier Stationen gibt, an denen die mittlere Temperatur in dem betrachteten Zeitraum 1998 - 2021 gesunken ist, trotzdem ist die gemessene gegenstrahlung gestiegen. Das belegt, dass hier wirklich global die Strahlung aus der Luft aufgrund des Treibhauseffektes ansteigt, unabhängig davon, ob am Boden die Temperaturgerade steigt oder fällt, was man bei einem Treibhauseffekt durch den Anstieg der Konzentrationen von Treibhausgasen wie CO2 erwarten muss. Insofern wird also auch hier eine direkte Beobachtng des Treibhauseffektes durchgeführt.

Wenn Treibhausgase in der Atmosphäre sind, erzeugen diese Gase die sogenannte Gegenstrahlung - die Luft ist in der Lage, entsprechend ihrer Temperatur, infrarote Strahlung abzugeben, unsichtbar, aber als Wärme fühlbar. Die Moleküle, die von infraroter Strahlung angeregt werden und deshalb für eine erhöhte Temperatur der Atmosphäre sorgen, können aus dem gleichen Grund auch strahlen. Die Messung der Strahlung der Luft, abseits von der Sonnenstrahlung, ist ein direkter Beweis, dass der Treibhauseffekt aktiv ist.

Zur Messung der infraroten Strahlung wurden verschiedene Instrumente entwickelt. Am wichtigsten ist das Pyrgeometer. Das enthält eine schwarze Fläche, die ideal langwellige Strahlung absorbiert, und zwar gerade im Bereich infraroter Strahlung (ab 4 Mikrometer Wellenlänge). Außerdem ein Filter, ein Abschattungselement, das direkte Sonnenstrahlung abhält. Das Problem ist, durch intensive Messungen Pyrgeometer zu entwickeln, die äußerst genau, reproduzierbar und langzeitstabil die von der infraroten Strahlung verursachte Wärme messen, um daraus ableiten zu können, wie viel Energie genau pro Fläche ankommt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Pyrgeometer

In Davos (Schweiz) werden regelmäßig verschiedene Strahlungsmessgeräte verglichen, um damit ein Strahlungsnormal festzulegen, mit dem solche Strahlungsmessungen weltweit vergleichbar und rückführbar sind. Genau darüber kann weltweit exakt die Gegenstrahlung bestimmt und ihre Veränderung aufgrund des Treibhauseffektes festgehalten werden. Die dabei verglichenen Pyrgeometer selbst sind jedoch nicht direkt auf SI-Einheiten rückführbar. Damit sind sie direkt nicht für Rechnungen und Modellvergleiche nutzbar. Dazu brauchen sie eine Rückführung auf SI-Einheiten, wie Temperatur, Länge und Masse, bzw. Leistung pro Fläche.

Es werden jedoch immer wieder mal weitere, verbesserte Messgeräte entwickelt, wie hier von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, um genau diese Rückführung zu leisten.

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/acbd51

Die Strahlung absorbierende Fläche ist beim Hemisphärischen Schwarzkörper HSBB, dem Gerät der PTB, nicht flach, sondern wie ein Hohlraum gestaltet. Bei den Experimenten zum Vergleich mit einem anderen Schwarzkörper, das in der Schweiz zum Vergleich mit Pyrgeometern eingesetzt wird, befinden sich mehrere Thermometer in dem Gerät, um die Temperaturverteilung und Temperaturstabilität zu messen. So kann die richtige Funktion des Geräts abgeglichen werden, während es mit dem zweiten Schwarzstrahler verglichen wird. Ziel ist, dass die Genauigkeit sich innerhalb eines Bereichs einer Strahlung pro Fläche von 0,5 W/m² befindet. Die Änderung der Gegenstrahlung liegt im Vergleich dazu durch die globale Erwärmung mehr als sechsmal so hoch, kann damit also aufgelöst werden. Auf Basis dieser Instrumente können die Messungen direkt auf Temperaturmessungen zurückgeführt werden und sind damit an die SI-Einheiten angebunden (insbesondere die absolute Temperatur, Länge und Masse), und anderseits können darüber die üblicherweise zur Messung der Gegenstrahlung eingesetzten Pyrgeometer zurückgeführt werden.

Das PTB hat dazu eine Presseerklärung herausgegeben. https://nachrichten.idw-online.de/2023/03/22/treibhauseffekt…

Indem letztlich die Pyrgeometer-Messungen damit genauer und besser rückführbar werden, eignen sie sich damit zukünftig auch besser, den Treibhauseffekt über die Gegenstrahlung direkt zu messen und so nachzuweisen.

Eine schöne Übersicht der Energieflüsse der Erde, somit auch der Gegenstrahlung und damit die Voraussetzung, den Treibhauseffekt vom Boden aus zu messen, findet man auf dieser Seite, die an der Uni Bremen gepflegt wird:

https://www.iup.uni-bremen.de/carbon_ghg/Clim4Edu/Handbuch/k…

Noch mal der Hinweis: in diesem Thread werden Arbeiten verlinkt und beschrieben, die den direkten Nachweis des Treibhaueffektes führen. Es geht darum, dass dies nicht "nur" Theorie und Modellergebnis ist, sondern man kann mit Messapparaturen direkt beobachten, dass es einen Treibhauseffekt gibt, der den Strahlungshaushalt verändert und die Erde erwärmt.

Wenn man den Thread noch mal von vorne durchliest, kann man auch feststellen, wie wütend hier Klimaleugner versucht haben, den Thread zu stören. Es gab keine Argumente zu irgendwelchen Inhalten, es wurde nur geschimpft, beleidigt und vom Thema abgelenkt, und das gleich von gut einem halben Dutzend Klimaleugnern, die dabei ein übles Bild abgaben.

Wie jedoch in Spektrum der Wissenschaften steht: "Bisherige Berechnungen zum anthropogenen Treibhauseffekt beruhen auf theoretischen Simulationen. Um fehlende Daten nachzuliefern, griffen John Harries und seine Kollegen vom Imperial College in London auf Satellitendaten zurück....Die Wissenschaftler konnten mit diesen Satellitendaten die Wärmeabstrahlung – sowohl global als auch regional über dem Pazifik – aus den Jahren 1970 und 1997 miteinander vergleichen....Die angefertigten Differenzspektren bestätigten den anthropogenen Klimaeffekt: Die Wissenschaftler fanden eine deutliche Abnahme der Infrarotabstrahlung der Atmosphäre." https://www.spektrum.de/news/direkter-nachweis-des-treibhaus…

Die zugehörige Arbeit ist hier verlinkt: https://www.wallstreet-online.de/diskussion/1309467-3/beobac…

Seit 2001 weiß man daher mit Sicherheit, dass der anthropogene Treibhauseffekt direkt messbar ist.

In diesem Thread wurden eine Reihe von Arbeiten verlinkt und vorgestellt, bei denen der Treibhauseffekt (meistens aufgrund erhöhter CO2-Konzentration, aber auch durch andere Treibhausgase) direkt gemessen wurde. Im Allgemeinen betrachtet man als Treibhauseffekt, dass das Strahlungsbudget der Erde sich verändert zeigt - messbar geht weniger Strahlung von der Erde aus als die Erde von der Sonne empfängt. Üblicherweise beobachtet man das über den Rückgang der Abstrahlung der Erde oder als Anstieg der Gegenstrahlung aus der Atmosphäre. Das entspricht der Definition des Treibhauseffektes: der globale mittlere Treibhauseffekt ist die Differenz zwischen der berechneten mittleren Temperatur der Erde im Gleichgewicht mit der Sonneneinstrahlung und der tatsächlichen global gemittelten Erdbodentemperatur. Letztere ist erhöht, weil die Atmosphäre Treibhausgase enthält, die die direkte Abstrahlung ins All behindert. Die Abstrahlung ins All erfolgt meistens in größeren Höhen bei einer niedrigeren Temperatur als am Erdboden. Der Effekt liegt bei ca. 33 Kelvin (oder Grad). Man beobachtet also bei einer Verstärkung des Treibhauseffektes immer, dass die Abstrahlung ins All bei einer niedrigeren Temperatur erfolgt und kann dem Absorptionen der Treibhausgase im Abstrahlungsspektrum zuordnen.

Eine alternative Definition ist, den Treibhauseffekt als Ausdehnung der unteren Atmosphäre, also Erhöhung der Tropopausenhöhe anzugeben. Dies ist jedoch schwierig direkt zu messen, daher gibt es hier nur eine zitierte Arbeit im Thread.

Was die direkte Zuordnung von Änderungen der Treibhausgaskonzentrationen und solchen Strahlungseffekten schwierig macht ist, dass die Erdatmosphäre wie ein Verstärker arbeitet. Wenn sich die Erdatmosphäre durch einen Anstieg der CO2-Konzentration etwas erwärmt, nimmt sie mehr Wasser auf und verändert sich auch die Bewölkung. Diese Rückkopplung ist stärker als der Klimaeffekt des einzelnen Treibhausgases alleine.

Den Punkt verdeutlicht eine Arbeit von Schmidt et al. aus 2010: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/201…

Hier erfolgt eine Zuordnung des Treibhauseffektes zu einzelnen klimarelevanten Größen. Ergebnis ist, dass 50% des Treibhauseffektes von Wasser in der Luft bewirkt wird, etwa 25% von Wolken. Dies ändert sich aber alles nur als Rückkopplung, denn es gibt ja keine Änderungen der Wasserkonzentration in der Luft durch Emissionen von Wasser am Boden, sondern die Erwärmung der Luft macht sie aufnahmefähiger für Wasser. Auch die Menge oder Art von Wolken regelt sich als Rückkopplung zur globalen Erwärmung ein.

20% des Treibhauseffektes gehen auf CO2 zurück. Dies aber wird vom Menschen geregelt, der CO2-Emissionen verursacht.

Beobachtungen des Treibhauseffektes zeigen also den Effekt eines Spurengases, das nur 20% des Treibhauseffektes direkt verursacht, den Rest indirekt über Rückkopplungen. Diese Schwierigkeit muss man sich immer vergegenwärtigen, um einzuschätzen, wie aufwendig die direkte Beobachtung und Zuordnung des Treibhauseffektes für Treibhausgase ist.

Raghuraman et al 2023: Satellitenbeobachtungen des wachsenden Treibhauseffektes

In diesem Thread geht es um die direkte Beobachtung des Treibhauseffektes. Klimaleugner behaupten unter anderem, der wachsende Treibhauseffekt wäre "nur eine Theorie", wäre nur Ergebnis von "Modellrechnungen". Jedoch belegen mehrere hier im Thread präsentierte wissenschaftliche Arbeiten, dass der Treibhauseffekt, sein Wachstum mit dem Anstieg der atmosphärischen Treibhausgasanteile und die dadurch verstärkte Wärmezunahme der Erde direkt beobachtet werden können. Die globale Erwärmung durch den Treibhauseffekt ist beobachtet und gemessen.

Die letzten Jahre haben auch in der Klimaforschung zu weiteren Fortschritten geführt. Die große Herausforderung ist, dass relativ kleine Abweichungen der Strahlung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden müssen. Fortschritte bei den spektrometrischen Instrumenten und der Verarbeitung ihrer Daten ermöglichen es, Effekte sehr viel klarer und detailierter zu messen.

Hier diskutiere ich eine Publikation von Shiv Priyam Raghuraman, David Paynter, V. Ramaswamy, Raymond Menzel, Xianglei Huang: Greenhouse Gas Forcing and Climate Feedback Signatures Identified in Hyperspectral Infrared Satellite Observations, Geophysical Research Letters, doi.org/10.1029/2023GL103947 (Volume 50, Issue 24, 28 December 2023), https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/202…

Ein wesentliches Problem bei derr Auswertung von langwelligen Strahlungsmessungen von Satelliten ist, dass normalerweise Daten von mehreren Satelliten kombiniert werden müssen, will man längere Zeitabschnitte abdecken. Das Problem ist, dass zwischen verschiedenen Satelliten unweigerlich systematische Abweichungen in den Daten bestehen müssen, weil die Instrumente nicht exakt gleich sind. Im Parallelbetrieb könnte man zwei Spektrometer angleichen, aber diese Situation findet man bei den Sateliteninstrumenten so nicht vor. Eine große Chance war es daher, dass mit einem bestimmten Satelliteninstrument, dem Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) instrument auf dem Aqua Satelliten der NASA, besonders gut aufgelöste, stabile, kalibrierte Messungen von 2003 - 2021 vorliegen. Das ermöglicht die Art von Auswertung, die Raghuraman und seine Kollegen präsentieren.

Das AIRS misst die eintreffende Strahlungsstärke auf 2378 Kanälen in einem weiten Bereich der Infraroten Strahlung - das sind die Strahlungsbereiche, auf denen viele wichtigte Absorptions- bzw. Emissionsbande von wichtigen Treibhausgasen liegen sowie das sogenannte atmosphärische Fenster, ein Spektralbereich, in dem kaum Absorptionen durch Treibhausgase erfolgen und man daher bis zum Boden herunter sehen kann, sofern keine Wolken stören. Aus diesen Messungen, die charakteristische Stellen erfassen, kann über den gesamten Spektralbereich die ausgehende langwellige Strahlung berechnet werden, da für die nicht gemessenen Spektralebreiche sich die Strahlung aus den charakteristischen Stellen ergibt.

Von 2003 - 2021 nahmen die atmosphärischen Anteile von CO2, Methan und N2O erheblich und in bekannter Weise zu, der CO2-Anteil etwa um 40 ppm oder mehr als 10%. Die verstärkte Absorption dieser Treibhausgase verringert entsprechend die Abstrahlung ins Weltall. Genau diesen Effekt misst AIRS.

Wie üblich, kann man die Änderung der ausgehenden langwelligen Strahlen mit den Ergebnissen eines Strahlungsmodells vergleichen. Stimmen die Daten überein, hat man die Ursachen für die Änderungen der beobachteten Strahlungsstärken verstanden. Diese Rechnungen sind tatsächlich erheblich komplexer, aber wer es wirklich genau wissen will, sollte den Artikel lesen.

Ein Resultat ist, dass man vom Satelliten aus klar misst, wie durch den Treibhauseffekt die ausgehende langwellige Strahlung für CO2 sowie für Methan und N2O abnimmt:

In ähnlicher Weise läßt sich daher bestimmen, wie im Laufe der Zeit sich das Spektrum der ausgehenden Strahlung verändert. Das Gleiche kann man mit Modellrechnungen simulieren. Die Beobachtungen und Messungen stimmen überein. Sie zeigen auch, dass die Strahlung im Bereich der Emissionen von Wasser zunimmt, das durch den Anstieg der Temperatur in den Rotationssbanden stärker emittiert. Ebenso steigen die Emissionen im atmosphärischen Fenster an, wo die Treibhausgase keien Absorptionen haben. Das kann man damit erklären, dass eine steigende Temperatur am Boden auch zu mehr langwelliger Strahlung führt - nur im atmosphärischen Fenster kommt die Strahlung allerdings auch am Satelliten an. Durch die sehr detaillierten und genauen Messungen kann zusätzlich herausgerechnet werden, wie sich die Emissionen auf bestimmten Banden des Ozons entwickeln. Dadurch kann festgestellt werden, dass die Emissionen von stratosphärischem Ozon abnehmen, was auf eine Abkühlung der Stratosphäre schließen läßt. Dies sind alles Effekte, die sich durch den Treibhauseffekt ergeben und ihn also durch direkte Beobachtung nachweisen.

Die Analyse über verschiedene Wellenzahlbereiche ermöglicht auch, Klimaantrieb und Rückkopplung getrennt voneinander zu bestimmen und darüber auch entsprechende Formeln zu bestätigen, die in den IPCC-Berichten verwendet werden. Der Vorteil des AIRS ist dabei, dass es solche Daten global und räumlich gut aufgelöst für den Zeitraum 2003-2021 liefert.

Zahlreiche Artikel in diesem Thread belegen, dass der Treibhauseffekt in Form eines Strahlungsungleichgewichts vom Boden aus, durch Radiosonden und von Satelliten aus direkt gemessen werden kann. Eine andere Formulierung des Treibhauseffektes auf Basis der Schwarzschildgleichung beschreibt den Treibhauseffekt als eine Ausdehnung der Troposphäre bzw. eine steigende Tropopausenhöhe. Wenn Treibhausgase die untere Atmosphäre im infraroten Strahlungsbereich optisch dichter machen, sie also mehr Wärmestrahlung schluckt, wird sie dadurch nicht nur wärmer, sie dehnt sich auch aus. Im Grunde ist die Troposphäre der Bereich der Atmosphäre, in dem mit steigender Höhe die Temnperatur der Luft abnimmt. Denn aufsteigende Luft steigt in Bereiche, in der ihre Dichte abnimmt. Nimmt die Dichte ab, wird die Luft kälter. Den Effekt kennt man vielleicht von Deospraydosen: werden sie entlehrt, kühlen sie sich ab. Das ist der Effekt des Druckverlustes an der Düse der Dose. Auch Kühlschränke arbeiten so: beim Verdampfen des Kühlmittels darf es sich stark ausdehnen und entzieht dabei Wärme. Die Abkühlung der aufsteigenden Luft endet am oberen Ende der Troposphäre. Weiter steigt die Luft nicht mehr, dazu reicht die Energie nicht emrh zum weiteren Aufstieg. In der Stratosphäre wird die Atmosphäre mit steigender Höhe wieder wärmer. Das vorhandene Ozon absorbiert vor allem UV-Licht und erwärmt damit diese hohe Luftschicht. Dadurch bildet sich eien Sperrschicht zwischen Stratosphäre und Troposphäre, durch die die Luft aus der Troposphäre nicht mehr einfach aufsteigen kann.

Die Tropopause erkennt man also an zwei Effekten: die Temperatur der Luft hat ihr Minimum erreicht. Oder die Abnahmerate der Temperatur mit steigender Höhe sinkt erstmals unter einen niedrigen Grenzwert. Damit deutet sich schon an: es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen Tropopausenhöhe zu bestimmen. Sie führen zu ähnlich, aber nicht exakt gleichen Ergebnissen.

Die direkte Messung der Tropopausenhöhe ist sehr schwierig. Das ist schade, denn eigentlich wäre der Anstieg der Tropopausenhöhe ein direktes Maß für die optische Dichte der Troposphäre, ihre Wärmeaufnahme und damit den Treibhauseffekt. Traditionell misst man die Tropopausenhöhe aber mit Hilfe von Radiosonden, die zweimal am Tag an vielen Orten auf der Erde aufsteigen. Gerade dort, wo es am wichtigsten wäre, in den Tropen, sind die Messorte aber eher dünn verteilt. Die Messpunkte in der Höhe an der Tropopause liegen auch nicht dicht genug, um auf den Meter genau die Tropopause zu bestimmen. Die Messreihen umspannen auch nicht die Zeit seit 1850, wie die globalen Temperaturmessungen am Boden, sondern nur die letzten Jahrzehnte.

Neben der Auswertung der Radiosondenmessungen kann man diese auch in die Wettervorhersage füttern und sich aus dem Wettervorhersagemodell Reanalysedaten geben lassen. Das sind keine Vorhersagedaten, sondern die optimale Anpassung an die Messungen in den Wettermodellen. Aus diesen Daten läßt sich die Tropopausenhöhe genauso gut bestimmen, wie aus den eigentlichen Messdaten, aber zusätzlich erhält man jetzt Daten auch zwischen den Orten, an denen Radiosonden aufgestiegen sind. Die Daten sind wirklich global abdeckend.

Der derzeitig beste Übersichtsartikel zu den Reanalysedaten zur Bestimmung der Tropopausenhöhe mit globaler Abdeckung über die letzten 40 Jahre bis 2021 ist hier verlinkt:
Variability and trends of the tropical tropopause derived from a 1980-2021 multi-reanalysis assessment. Zou Ling , Hoffmann Lars , Müller Rolf , Spang Reinhold, Frontiers in Earth Science 11 (2023). DOI=10.3389/feart.2023.1177502
https://www.frontiersin.org/journals/earth-science/articles/…

Der Artikel zeigt zum einen: ja, die Tropopausenhöhe (über den Tropen) steigt. Die Anstiegsrate ist 0,06 +/- 0,01 km/Jahrzehnt. Die Anstiegsrate ist allerdings seit 2006 niedriger als bis 2005. Dabei spielt vielleicht eine verbesserte Messung seit 2006 eine Rolle. Außerdem spielen viele störende Effekte eine Rolle. Die Tropopausenhöhe schwankt über das Jahr hinweg und durch Einflüsse wie ENSO oder Vulkanausbrüche. Auch die Abnahme der Ozonmenge in der Stratosphäre durch FCKW (Ozonloch) und die Erholung in jüngerer Vergangenheit beeinflusst diese Daten. Zwischen verschiedenen Reanalysemodellen gibt es deutliche Unterschiede, die im Artikel diskutiert werden. Vereinfachend sollte man aber hier die ERA5-Daten als Standard nehmen.

Der Artikel verdeutlicht erneut: die Tropopausenhöhe ist ein schwieriger Indikator für den Treibhauseffekt. Aber immerhin ist auch dies ein Beweis für den Treibhauseffekt als Antrieb für den Klimawandel durch direkte Messungen, die über die Reanalyse als globale Daten bereit gestellt werden können.

Antwort auf Fundivest 28.11.24 19:51:23 Uhr

Das ist nicht zum Thema des Threads und inhaltlich so wirr und absurd, dass mir die Worte fehlen. Bitte Thema beachten und so etwas im Forum Gesellschaft&Religion einstellen.

Sonne

Antwort auf Fundivest 07.11.22 14:24:18 Uhr

Zitat von Fundivest: Direkte Beobachtung?

Da die Sonne offenbar ein Organismus ist, sollte sie selbst die "Verdauung" bzw. den Stoffwechsel regeln (Teil des eigenen Körpers).
Größere Änderungen durch den Menschen könnten sehr unethisch sein (wie Schwarzmagie).

 Dieser Beitrag wurde von FairMOD moderiert. Grund: themenfremder Inhalt

Direkter Nachweis des Treibhauseffekts durch hochaufgelöste spektrale Beobachtungen aus dem All

Es gibt eine weitere Publikation, bei der der Treibhauseffekt durch direkte Beobachtungen nachgewiesen wird.

Die Arbeit ist von João Teixeira, Robert C. Wilson und Heidar Th. Thrastarson: Direct Observational Evidence from Space of the Effect of CO2 Increase on Longwave Spectral Radiances: The Unique Role of High Spectral Resolution Measurements, Atmos. Chem. Phys., 24, 6375–6383, https://doi.org/10.5194/acp-24-6375-2024, 2024.
Preprint: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-20…
Artikel: https://acp.copernicus.org/articles/24/6375/2024/

Ziel der Arbeit ist, die im All für die Erde beobachtete Rückstrahlung mit den entsprechenden Modellberechnungen zu vergleichen, die auch den Effekt des Anstiegs des CO2-Anteils enthalten. Besonders hier ist die hohe spektrale Auflösung der Messungen - es wird eine sehr feine Struktur über die Frequenzabschnitte der Strahlung, also die verschiedenen "Farben", betrachtet. Das ist erforderlich, um Effekte von Wasser und Temperatur auf die Spektren identifizieren zu können. Indem sehr viele Spektren mit ähnlichen Anteilen von Wasser und Temperatur, aber sehr verschiedenen CO2-Anteilen aufgenommen werden, kann der spezifische CO2-Anteil aus den Satellitenbeobachtungen erkannt werden.

Was man also sieht ist, wie stark sich durch die Änderung der CO2-Anteile an der Atmosphäre die Rückstrahlung ins All in hoher spektraler Auflösung absenkt. Diese fehlende Rückstrahlung ist die Energieaufnahme der Erde durch den zusätzlichen Treibhauseffekt durch das zusätzliche CO2, als die direkte Beobachtung des Treibhauseffektes.



Die blaue Linie im Bild ist die Beobachtung, die rote Linie die Berechnung. Die gute Übereinstimmung zeigt, dass der Effekt verstanden ist, der Treibhauseffekt experimentell bestätigt ist. Beide Linien sind die Abweichung von einem Spektrum ohne den Einfluss von CO2. Zugleich sieht man, dass in die durchgezogene blaue Linie viele gemessene Spektren eingehen, die dann gemittelt werden (blaßblaue Linien).

Antwort auf depodoc 02.05.24 14:59:37 Uhr

Zitat von depodoc: man muss auch keine Ahnung vom TE haben um sich die Erwärmung der letzten 50 Jahre ... ohne TE erklären zu können.

Zitat von depodoc: ...wäre eine Erwärmung durch zusätzliches CO2 eine physikalische Unmöglichkeit.

So ein Unsinn. Die Nettostrahlung ins All ist etwa gleich geblieben (II. HS der Thermodynamik). Die Abstrahlung von der Erdoberfläche (und auch die konvektive Abgabe) haben zugenommen. Die Gegenstrahlung am Ort der Erdoberfläche als Teil der Nettostrahlung hat stärker zugenommen - und damit wird die stärkere Aufwärtsstrahlung als Teil der Nettostrahlung versorgt.

Zur Betrachtung des Treibhauseffektes reicht eben nicht die Oberflächenbetrachtung, der THE ist ein Volumeneffekt und dazugehört das Ansteigen der Tropopausenhöhe - was auch gemessen wird.

Deine "schöne" Rechnung erklärt nicht, was die Ursache der Temperaturzunahme ist - und warum gerade 50 Jahre. Außerdem krankt das Ganze noch daran, das sowohl die gespeicherte Wärme im Ozean, als auch an der Oberflächenschicht und teilweise in der Atmosphäre wegen der höheren Temperatur zugenommen haben.

Antwort auf JEbel 15.04.24 09:00:01 Uhr

man muss auch keine Ahnung vom TE haben um sich die Erwärmung der letzten 50 Jahre von ca. 1970 bis 2020 um ca. 1 Grad Celsius in 2 Meter Höhe ohne TE erklären zu können.

Die Quadratmeter Lufthülle hat bei 1 K plus 10000 KJ Wärme aufgenommen, der Erdboden, gerechnet bis in 2 Meter Tiefe, 4000 Kg, spez. Wärme 2, 8000 KJ Wärme, oder Wasser bis in 2 Meter Tiefe auch 8000 KJ Wärme, also Luft und Boden zusammen 18000 KJ Wärme.
Diese 18000 Kilojoul Wärme entsprechen 18000 Kilowatt, die der Energiebilanz fehlen.

In 50 Jahren 18000 KJ Wärmeaufnahme, ergeben in Einem Jahr 360 KJ, an einem Tag 0,99 KJ, in einer Stunde 0,04 Kj, in einer Minute 0,00068 KJ, in einer Sekunde 0,000011416 KJ, oder 0,011416 Joul die einer ausgeglichenen Energiebilanz pro Sekunde fehlen.

Die Temperatur ist um 1 K gestiegen und der Boden emittiert somit nicht mehr mit 288 K 390,08 W/qm, sondern mit 289 K und 395,53 W/qm, das sind plus 5,45 W/qm.

Nun zeigt der WD in der von dir Nebenan verlinkten PDF eine Grafik mit einer Bilanz, nach der 6% der Bodenstrahlung als Fensterstrahlung direkt ins All emittiert werden.
Das wären bei 288K dann 390,08 W/qm, davon 6%, 23,40 WIqm.
Bei 1 K plus dann 289 K, 395,53 W/qm, 6%, 23,73 W/qm, also 0,33 W/qm mehr an Fensterstrahlung.

Es zeigt sich also, dass zusätzliches CO2 nicht die Ursache der 1 K Temperaturerhöhung der letzten 50 Jahre ist, denn die gespeicherte Wärme von 18000 KJ kann nur eine negative Bilanz von 0,011416 W/qm am TOA erzeugen, während gleichzeitig bei 1 K plus die Fensterstrahlung der Bodenemission um 0,33 W/qm, also das 29-Fache zunimmt, wäre eine Erwärmung durch zusätzliches CO2 eine physikalische Unmöglichkeit.

Antwort auf depodoc 15.04.24 01:22:10 Uhr

Zitat von depodoc: wohlwissend dass dir keiner zu Schwarzschild das Wasser reichen kann.

Der Übergang vom strahlungsbedingten Temperaturgradienten (Stratosphäre) zum adiabatisch bedingten Temperaturgradienten (Troposphäre) ist Folge der Treibhausgase. Also reicht die geringe(?) Menge der Treibhausgase aus, die Zweiteilung der Atmosphäre zu erklären. Wenn das für Dich nicht relevant ist, dokumentierst Du keine Ahnung vom Treibhauseffekt zu haben.