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All IPCC definitions taken from Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Annex I, Glossary, pp. 941-954. Cambridge University Press.

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Climate Hustle

Kurz und knapp - Kapitel 02 - Strahlungsgase

Hier ist der nächste Auszug aus dem Buch "28 Climate Change Elevator Pitches". Weitere Kapitel folgen in den nächsten Monaten.

[Zur größeren Version]

Kapitel 02

Strahlungsgase

Eine musikalische Untermalung zum Streuen von Wärme

Die wissenschaftliche Grundlage für unser Verständnis des Klimas geht zurück auf die 1820er Jahre, als der brillante französische Mathematiker Joseph Fourier als erster den Gedanken äußerste, dass die Atmosphäre unseres Planeten Eigenschaften zum Zurückhalten von Wärme haben könnte. Fourier versuchte zu berechnen, was die Temperatur eines Planeten in unserer Entfernung von der Sonne eigentlich sein sollte. Er kam auf etwa 33°C (59°F) kälter als die tatsächliche Durchschnittstemperatur der Erde. Sein Ergebnis konnte also nur stimmen, wenn Gase in unserer Atmosphäre "strahlende Eigenschaften" mit der Fähigkeit hätten, Wärmeenergie zu absorbieren und wieder zu emittieren. Wenn sichtbares Sonnenlicht durch unsere Atmosphäre ankommt, wärmt es die Oberfläche der Erde. Die Wärme, die nach oben emittiert wird, bezeichnen wir als Infrarotstrahlung oder IR. Infrarotstrahlung ist nur Energie mit einer anderen Wellenlänge, die für das menschliche Auge unsichtbar ist, die wir aber als Wärme spüren können. Es ist diese Wärmeenergie, die durch Strahlungsgase in der Atmosphäre zerstreut wird.

In den 1850er Jahren entwarf der britische Wissenschaftler John Tyndall einen Apparat, der es ihm ermöglichte, die wärmeabsorbierenden Eigenschaften verschiedener Gase zu messen. Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%). Die restlichen 1 Prozent der Gase werden als "Spurengase" bezeichnet. Tyndall entdeckte, dass die Strahlungseigenschaften von Stickstoff und Sauerstoff für die Infrarotstrahlung (Wärme) unbedeutend und transparent sind. Aber er entdeckte auch, dass einige Spurengase Wärme effizient blockieren.

Aber wie funktioniert das? Warum sollte ein Gas für Wärmestrahlen transparent sein und ein anderes Wärme zurückhalten?

Die gängigsten Strahlungsgase in unserer Atmosphäre sind Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2) und in geringerem Maße (mengenmäßig) Methan (CH4). Wie sind diese Moleküle aufgebaut? Die ersten beiden haben ein einziges Kernatom mit zwei anderen Atomen, die mit ihm verbunden sind. H2O besteht aus einem zentralen Sauerstoffatom mit zwei Wasserstoffatomen. CO2 hat ein zentrales Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome. Man kann sich das bildlich wie zusammenklebende Seifenblasen vorstellen - allerdings mit einem integrierten  elektromagnetisches Feld. Dieses elektromagnetische Feld hält das Molekül in einer bestimmten Konfiguration. Dieses Magnetfeld erlaubt es den Atomen aber auch, ein wenig zu vibrieren, während das Molekül in der Atmosphäre herum schwebt. Methan ist ähnlich konstruiert wie CO2, aber mit einem zentralen Kohlenstoffatom, das auf vier Seiten von Wasserstoffatomen umgeben ist. Dies macht es zu einem weitaus stärkeren Strahlungsgas als die anderen.

Infrarotstrahlung ist eine Lichtwellenlänge. In gewisser Weise ist das vergleichbar mit Schallwellen, die in der Luft unterwegs sind. Wenn man eine A-Noten-Stimmgabel auf dem Knie anschlägt und dann gegen den Resonanzboden einer Gitarre hält, beginnt die A-Saite der Gitarre im Gleichklang zu vibrieren. Infrarotstrahlung hat ebenfalls einen bestimmten Frequenzbereich, so dass, wenn sichtbares Sonnenlicht (höhere Energiefrequenz) ankommt und auf die Oberfläche des Planeten trifft, diese Energie die Oberfläche erwärmt. Die Oberfläche emittiert dann die niederfrequente (langwellige) Energie als Wärme (IR) durch die Atmosphäre zurück nach oben.

Die Fähigkeit dieser Moleküle zu vibrieren (das "Wackeln"), ist vergleichbar mit dem "Stimmen" einer Gitarrensaite. Wenn Infrarotstrahlung in der richtigen Frequenz mit diesen Gasen wechselwirkt, schwingt das Molekül im Gleichklang mit. Was sie tun, ist nichts anderes als die IR Wärmeenergie zu absorbieren und wieder zu zerstreuen. Der Unterschied zu den häufigsten Molekülen wie Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2) ist, dass diese weder auf diese Weise noch in denselben Frequenzbereichen vibrieren. Deshalb sind sie für IR unsichtbar.

Das ist die grundlegende Physik des Klimawandels: die Schwingungsmoden von Treibhausgasen, die in der Atmosphäre Wärme absorbieren und zerstreuen. Dies war eine herausragende Entdeckung in der Mitte des 19. Jahrhunderts, ist mittlerweile aber eine unbestreitbare Tatsache der Wissenschaft. Wissenschaftler haben es empirisch gemessen, modelliert und in vielerlei Hinsicht schon seit über einem Jahrhundert angewendet.

Translation by BaerbelW . View original English version.



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