Klimaphysik und Klimamodellierug

[Differentialgeometer]

Der Nutzer hpmf reitet im Mutterforum hpf dauernd auf einer Art Saettigungseffekt rum, der beschreiben soll, dass mehr CO2 nuescht an der Temperatur aendert, weil sozusagen der Teil der Strahlung in den Emissionsbanden absorbiert wurde. Er reitet dann auf einem Bild wie dem folgenden rum:



Dies zeigt die effektive Temperatur der Strahlung fuer jeden Teil des Langwellenspektrums. Man schaue sich das Spektrum zwischen 10-13μm an. Die Strahlung zwischen diesen Wellenlaengen entspricht etwa 270K, waehrend das Spektrum zwischen 14 und 16 μm hier etwa 223K entspricht. Das liegt daran, dass die Atmosphaere im 10-13-μm-Spektrum nicht viel absorbiert und daher der Großteil der Strahlung von der Oberflaeche direkt in den Weltraum gelangt. Im Vergleich dazu ist die Absorption zwischen 14 und 16 μm sehr hoch, sodass fast keine Strahlung von der Oberflaeche direkt in den Weltraum gelangt.
Aber – und hier ist die konzeptionelle Idee – warum gibt es Strahlung zwischen 14 und 16 μm (gemessen per Satellit)? Die Absorption durch CO2 in der Mitte des 15-um-Bandes ist so stark, dass es sicherlich keine Strahlung geben sollte – oder nichts Messbares.
Das liegt daran, dass im Wesentlichen jede Schicht der Atmosphaere auch Energie ausstrahlt. Wenn CO₂Strahlung bei 15 μm absorbieren kann, kann es auch bei 15 μm strahlen. Aber es strahlt entsprechend seiner Temperatur. Wenn man also fuer die Satellitenmessung des 15-μm-Bandes Strahlung, die eine Temperatur von 223 K widerspiegelt, weiss man, dass der Großteil der Strahlung von CO2 bei einer Temperatur von 223 K (-50 °C) emittiert wurde.
Wenn die Temperatur von CO2 223 K (-50 °C) betraegt, bedeutet dies, dass es sich an der Spitze der Troposphaere befinden muss:



Man kann sich die Absorption und Wiederemission von 15-μm-Strahlung wie folgt vorstellen: Wenn das 15-μm-Band bereits aus dem kaeltesten Teil der Atmosphaere strahlt, dann hat die Erhoehung des CO2 keinen Einfluss auf die Energiebilanz der Erde, denn selbst wenn das 15-μm-Band vorhanden waere. Wenn das Band von weiter oben strahlt, wird es nicht kaelter und daher nimmt die Strahlungsmenge bei dieser Wellenlaenge nicht ab. Diese liegt jedoch genau in der Mitte des 15-μm-Bandes. Wie man aus der detaillierten zeilenweisen Berechnung in der Arbeit von Collins* ersehen kann, betraegt der Großteil der Reduzierung der ausgehenden Strahlung 13–14,5 μm und 15,5–17 μm.
Interessant ist, die CO2-Menge zu erhoehen und (aus 70 km Entfernung) zu sehen, welcher Effekt bei 15 μm auftritt – nicht viel in der Mitte des Bandes – aus den bereits erlaeuterten Gruenden: Die Atmosphaere wird nicht kaelter. Man wird jedoch feststellen, dass die Breite dieses stark gesaettigten Bandes zunimmt – wie bei der genaueren Behandlung durch Collins am Anfang des Artikels.
Dies zeigt, dass, wenn man ein Gas nimmt, das alle langwelligen Wellenlaengen (>4 μm) absorbiert, die Oberflaechentemperatur auch dann ansteigt, wenn dieses Gas die gesamte Strahlung im unteren Teil der Atmosphaere vollstaendig absorbiert. Dies liegt an dem einfachen Grund, dass die einfallende Sonnenenergie an der Spitze der Atmosphaere durch Energie ausgeglichen werden muss, die an der Spitze der Atmosphaere austritt – andernfalls steigt die Temperatur. Und wenn eine „Schicht“ der Atmosphaere sie vollstaendig absorbiert, strahlt sie immer noch Energie an die darueber liegende Atmosphaere ab. Wenn die Atmosphaere duenner wird, strahlt sie schließlich in den Weltraum ab – und auf diesen Ebenen (Hoehen) in der Atmosphaere verringert die Zugabe von mehr CO2 die ausgehende Strahlung. Und wenn die ausgehende Strahlung reduziert wird, wird es mehr einfallende Sonnenstrahlung als ausgehende langwellige Strahlung geben und die Oberflaeche/Atmosphaere wird sich erwaermen.
Dies liegt daran, dass das Zentrum des CO2-Bandes (15 μm) bereits aus dem kaeltesten Teil der Atmosphaere strahlt. Daher kann eine Erhoehung des CO2 die Strahlung aus dem 15-µm-Band nicht reduzieren – es sei denn, mehr CO2 kann die Temperaturstruktur veraendern, indem es die Hoehe der Tropopause erhoeht, was zu einer kaelteren Tropopause fuehrt.
In einem Klima mit einem „grauen“ Absorber (einer, der ueber alle Wellenlaengen gleichermaßen absorbiert) wuerde eine Erhoehung dieses Absorbers mit ziemlicher Sicherheit die Hoehe der Tropopause veraendern. Warum? Die Tropopause ist der Punkt, an dem die Atmosphaere optisch duenner wird und von dort aus Strahlung in den Weltraum erfolgen kann. Strahlung ist dort effektiver als Konvektion, wenn es darum geht, Waerme durch die Atmosphaere nach oben zu transportieren.
Der groeßte Teil der Verwirrung ueber die „Saettigung“ von CO2 ist darauf zurueckzufuehren, dass die Pansen nicht verstehen, wie Absorption und Wiederemission in der Atmosphaere zusammenhaengen. Die Verwirrung entsteht auch, weil die Atmosphaerenphysik den Begriff „Saettigung“ verwendet, um auszudruecken, dass die Atmosphaere bei dieser Wellenlaenge „optisch dick“ ist. Wenn zwei Personengruppen dasselbe Wort mit unterschiedlicher (aber verwandter) Bedeutung verwenden, fuehrt dies unweigerlich zu Verwirrung.
Die Strahlungstransportgleichungen sind die grundlegenden und bewaehrten Gleichungen fuer die Absorption und Strahlung von Energie in der Atmosphaere. Die Loesung dieser Gleichungen mithilfe zeilenweiser Berechnungen zeigt, dass der groeßte Teil des zusaetzlichen Effekts von mehr CO2 in den „Fluegeln“ des Bandes und nicht in der Bandmitte auftritt. Eine Verdoppelung des CO2-Ausstoßes gegenueber dem vorindustriellen Niveau wird zu einem erhoehten „Strahlungsantrieb“ von etwa 3,7 W/m2 fuehren, und zumindest dieser Teil der Klimawissenschaft ist gut verstanden.


Radiative forcing by well-mixed greenhouse gases: Estimates from climate models in the IPCC AR4, W.D. Collins et al, Journal of Geophysical Research (2006)

[navy]

Der Nutzer hpmf reitet im Mutterforum hpf dauernd auf einer Art Saettigungseffekt rum, der beschreiben soll, dass mehr CO2 nuescht an der Temperatur aendert, weil sozusagen der Teil der Strahlung in den Emissionsbanden absorbiert wurde. Er reitet dann auf einem Bild wie dem folgenden rum:...........

Der Neu Troll:hpmf, hat die Bedeutung, eines gebrauchten Klopapiers im Haupt Forums.

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Der Neu Troll:hpmf, hat die Bedeutung, eines gebrauchten Klopapiers im Haupt Forums.

Der ist echt der dümmste Nutzer seit Langem…..