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Georg Hoffmann hat an der Ruhr-Universität Bochum Physik studiert und anschliessend am Max-Planck Institut Hamburg mit einer Arbeit zu Tracern in globalen Zirkulationsmodellen, sogenannten "Klimamodellen", promoviert. Danach arbeitete er 15 Jahre in Paris am LSCE, Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement, zu verschiedenen Aspekten der Paleo-Klimatologie. Momentan forscht er im Rahmen eines gemeinsamen Projekt der Universität Utrecht, dem holländischen Weltraumzentrum SRON und dem holländischen Wetterdienst KNMI. Das Bild ist dem Stadionheft April 2004 des VFL Bochum entnommen und zeigt ihn mit der Vereinsfahne, die er einzig zu diesem Zweck quer durch die Antarktis geschleppt hatte. Tss. Unglaublich.
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25.06.09 · 01:28 Uhr
Geschichte des Treibhauseffekts - Von Herschel zu Fourier
Kategorie: Naturwissenschaften · Kommentare: 14
Das Interessante an Wissenschaftsgeschichte, abgesehen von all den unzähligen Anekdoten und Heldensagen, ist das Gebirge der Irrtümer, Probleme und Fehlschlüsse zu erkennen, das überwunden werden musste, um entscheidende Fortschritte zu erzielen. Individuell für jeden einzelnen Forscher ist der Moment, an dem sich nach harter Arbeit alles zusammenfügt und der Schleier zerreisst, natürlich phantastisch. Aber diese Momente bleiben auch im Gruppengedächtnis der Forscher hängen. Wer diese Geschichte nicht kennt, wird mit ziemlicher Sicherheit auf dieselben Klippen laufen, die doch zuvor schon so kunstvoll umsegelt wurden.
Bild 1: Sir William Herschel, in Hannover geboren und durch die französische Besatzung nach London vertrieben. Von der Musiktheorie, über die Mathematik kam er schliesslich zur Astronomie. Er entdeckte mit einem seiner selbstgebauten, für die damalige Zeit riesigen Teleskope den Uranus und fand experimentell als erster die Infrarot Strahlung.
Darum jetzt ein paar Posts zur Wissenschaftsgeschichte des Treibhauseffekts, die zeigen, wie hart es war, um die Treibhaustheorie (1) schematisch zu formulieren, (2) praktisch die nötigen Messungen durchzuführen und (3) diese zu nutzen, um quantitative Rechnungen durchführen zu können. Diese Posts sind wie immer auf primaklima mit reichlich Zitaten versehen, stützen sich aber ganz wesentlich auf die phantastische Habilitationsarbeit von Jean Louis Dufresne vom Laboratoire de Météorologie Dynamique, LMD.
Im Jahre 1800 entdeckte William Herschel die Infrarot Strahlung in denkbar einfachster Weise, nur musste man erstmal die Idee haben. Herschel war ein vor den französischen Truppen nach England geflohener Astronom, der unter anderem durch die Entdeckung des Planeten Uranus Ruhm und Eintritt in die Royal Academie erlangte. Bei der IR Entdeckung hielt er einfach ein Thermometer in das von einem Prisma gespaltene Sonnenlicht, und zwar in den Bereich jenseits des roten Lichts. Die Temperatur stieg natürlich an und das Konzept der Wärmestrahlung war geboren. Na, und weil man noch nicht so genau wusste, womit man es zu tun hatte, nannte man diese Strahlung die "dunkle Wärme" oder la "chaleur obscure".
Bild 2: Jean-Baptiste Joseph Fourier formulierte 1824 zum ersten Mal in seinen Mémoires das Konzept der Absorption der von der Erde emittierten Wärmestrahlung durch die Atmosphäre.
Ein Vierteljahrhundert nach Herschel formulierte Jean-Baptiste Joseph Fourier zum erstenmal das Prinzip des Treibhauseffekts in seinem berühmten Text "Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires". Zuerst 1824 erschienen in den Annales de Chimie et de Physique wurde später mit leichten änderungen nachgedruckt in den "Mémoires de l'Academie royal des Sciences de l'Institut de France (1827). Die meisten Kommentatoren dieses Papers dürften ohnehin nur den 1860 in den Werken Fouriers erschienenen, weiter verbreiteten Nachdruck haben. Von den 28 Seiten seiner Mémoires beschäftigt sich Fourier lediglich 2 Seiten lang mit der chaleur obscure, zwei Seiten, die ihm deutlich mehr Ruhm einbrachten als die übrigen 26.
Fourier wurde berühmt durch seine Arbeiten zur Wärmediffusion, zu deren numerischer Lösung er eben auch die nach ihm benannte Fourier-Transformation einführte. Diese Kenntnisse wandte er nun auf das Problem der Erdoberflächentemperatur an. Im welchen Mass wird diese vom heissen Erdinneren, in welchem von der Sonne beeinflusst? Zur Zeit Fouriers dachte man, dass ein rapide abkühlender Erdkern starken Einfluss auf die Erdoberfläche haben könnte. Auf den 26 Seiten lösst Fourier dieses Problem mit mathematischer Gründlichkeit gestützt durch eine Reihe von Beobachtungen. Er erkannte, dass ein vertikaler Tiefengradient von ca. 1°C pro 30-40 Meter nicht ausreicht, um wesentlich zu den Oberflächentemperaturen beizutragen. Also ist es die Sonne, die die Temperaturen auf der Erde bestimmt. Aber wie genau?
Bild 3: Schema der "Boite Chaude" von Saussure. Das Innere der Box war schwarz ausgeschlagen, gut isoliert und mit doppelter Verglasung abgedeckt..
Um das näher zu untersuchen, formulierte er das Prinzip der Energiebilanz, die nötig sei, um die Temperatur an der Erdoberfläche zu verstehen. Die verschiedenen Wärmeflüsse (geothermisch, solar etc.) müssten aufaddiert werden, um die Temperaturen an der Erdoberfläche zu verstehen. Weiterhin analysierte er einen Apparat, der vom schweizer Physiker Horace-Bénédict de Saussure gebaut worden war: die "boite chaude". Es handelt sich um einen stark isolierten Kasten (Doppelverglasung!) dessen Boden schwarz ausgekleidet ist. Das Innere des Kastens ist deutlich wärmer als seine Umgebung. Fourier sieht klar, dass die solare Strahlung in Wärme umgesetzt wurde und dass die "chaleur obscure" anscheinend nicht den verglasten Kasten verlassen kann. Zwar diskutiert er die Rolle der freien Luftzirkulation, die offensichtlich im Vergleich zur Umgebung unterdrückt ist, hält sie aber für vernachlässigbar. Letzteres ist natürlich für so einen Kasten, ja selbst für ein echtes Treibhaus, falsch.
Und dann kommen der entscheidende Satz:
" C'est ainsi que la temperature est augmentée par l'interposition de l'atmosphère, parce que la chaleur
trouve moins d'obstacle pour pénétrer l'air, étant à l'état de lumière, qu'elle n'en trouve pour repasser dans l'air lorsqu'elle est convertie en chaleur obscure."
"So also steigt die Temperatur gerade durch das Dazwischenstellen der Atmosphäre, da die Wärme in Lichtform (GH i.e. solare Strahlung) leichter in Luft eindringt als wenn sie sich erstmal in Form der "chaleur obscure" (GH i.e. IR Strahlung) befindet."
Bild 4: Der Schweizer Physiker Saussure baute die "boite chaude" als eine Möglichkeit die Intensität solarer Strahlung zu vermessen (daher auch hélio thérmometre).
Wenn man überlegt, was Fourier eigentlich an experimentellen Hinweisen zur Verfügung hatte, ist die Analogie, die er zwischen der "boite chaude" und der Atmosphäre zog ein absoluter Geniestreich.
Was fehlt in seiner Analyse? In erster Linie das entscheidende Wechselspiel zwischen IR Absorbern und Emittern. Er erkennt qualitativ die Möglichkeit der Absorption in der Atmosphäre, aber er weiss nichts von erneuter ungerichteter Emission.
Ein amusantes Detail am Rande. Fourier diskutiert ebenfalls die Temperaturverteilung auf der Erde. Er begründet kurz und falsch, warum er glaubt, dass es im wesentlichen keinen Wärmetransport auf der Erde gäbe. In der Tat gab es zu dieser Zeit keine Messungen, die etwas anderes gezeigt hätten. Wenn also jeder Ort auf der Erde fast unabhängig vom Wärmeaustausch mit seiner Umgebung ist, ja dann sind doch die Polargegenden in der monatelang andauernden Polarnacht im thermischen Gleichgewicht mit dem All. Von daher schätzt er die Temperatur des interplanetaren Raums auf ungefähr -50°C ab. Und wie kommt dieser interplantare Raum auf diese im Vergleich zum absoluten Nullpunkt so hohen Temperatur? Na, weil all die Sterne all die Planeten da draussen erhitzen und somit eine Hintergrundtemperatur von vollen -50°C erzeugen.
All das ist nicht wirklich falsch. Mangels Messungen fehlten Fourier einfach vernünftige Anhaltspunkte, um eine gute Abschätzung zu machen. Ozean und Atmosphäre transportieren in der Tat ~6 Peta-Watt jährlich aus den niederen Breiten Richtung hohe Breiten. Die Treibhausgase hindern auch in der Polarnacht die Pole ins thermische Gleichgewicht mit dem All zu kommen, na und schliesslich die kosmische Hintergrundstrahlung beträgt eben ~3K und nicht 220K.
Doch das Prinzip war formuliert und wir werden sehen, wie Fouriers Nachfolger die Sache mit dem Treibhaus weiter vorantrieben.
PS Ausser auf Jean Luis Dufresnes Habilitationsarbeit sei auch noch auf diesen Artikel in "La Météorologie" verwiesen.
Autor: Georg Hoffmann· 14 Kommentare· Permalink· Trackback-URL
Fourier· Herschel· Saussure· Treibhauseffekt· Wissenschaftsgeschichte
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Kommentare (14)
@Georg
Ich bewundere sehr wie diese Leute die Wissenschaft fast aus dem Nichts heraus erfanden.
Trotzdem ist es einem manchmal schleierhaft, wieso verschiedene Bereiche nur so zögerlich weiterentwickelt wurden. Man wusste schon dass es die IR-Strahlung gab. Man wusste auch, dass sie ein Teil der Sonnenstrahlung ist. Trotzdem hat man sich nicht gefragt, wieso diese Strahlung bis zur Erde gelangt, wenn sie aus dem Kasten anscheinend nicht mehr zurück in die Luft gelangen kann, bzw. durch die Atmosphäre aufgehalten wird.
Diese Leute waren Genies und trotzdem hatten sie manchmal nicht das Selbstvertrauen oder die Lust weiter zu denken.
Eine Frage an Sie
Wieviel IR gelangt denn zur Erde? Und wieviel strahlt an einem hellen klaren Sommertag wieder zurück? Ist das Verhältnis ausgeglichen?
Wie sehr wird die Atmosphäre von der direkten IR-Strahlung von oben erwärmt?
Danke im Voraus
Eddy
Interssanter Bericht, toll zu lesen, freue mich auf die Fortsetzung.
@Eddy
Ich weiss nicht, ob auch Sie ein Genie sind, Eddy, und ob nur Genies "nicht den Mut haben weiterzudenken", aber die Antwort auf die Frage scheint mir doch offensichtlich. Der grosse Teil der Sonnenstrahlung ist offensichtlich im sichtbaren Bereich, die wird am Boden in Wärme umgesetzt. Der kleinere IR Anteil des Sonnenlichts kann also niemals mit der von der Erde ausgehenden IR Strahlung ausgeglichen sein. Tatsächlich überlappen sich die beiden Schwarzkörperspektren (Sonne bei 5700°C und Erde 15°C) nur ganz leicht.
Es werde etwa 60W/m2 der Sonnenstrahlung in der Atmosphaere absorbiert davon ein groszer Teil im Sichtbaren und UV vom Ozon. Hingegen strahlt die Erde eben bei einer Bodentemperatur von 15°C also ca 340W/m2.
Ich liebe solche Geschichten. Irgendwie wirkt so eine Formel gleich viel persönlicher, wenn man weiß, wie sich der betreffende Urheber rumgequält hat.
Ich habe durch diesen interessanten Text auch einen kleinen 25 Jahre alten Irrtum korrigiert bekommen, und weiß nun, dass man Temperaturdifferenzen auch in °C angeben darf. Ich hatte einen Prof. der da immer sehr böse wurde, wenn man nicht Kelvin verwendete. Nun, da auch Georg Hoffmann von einem Tiefengradienten von ca. 1°C pro 30-40 Meter schrieb hab ich doch mal nachgeschlagen und weiß nun, dass DIN zwar Kelvin empfiehlt, aber °C auch erlaubt.
@Georg
Sie haben meine Frage nicht beantwortet. Ich kenne ihre Aussage, habe sie 1000 Mal gelesen und weiss immer noch nicht wieviel Watt, die auf dem Erdboden ankommen direkte Wärmestrahlung von der Sonne sind, bzw. wieviel davon von der Atmosphäre absorbiert werden.
Dass ein grosser Teil hier unten ankommt ist doch wohl klar, sie Genie der mehrere Sprachen beherrscht?!
Sie kennen doch alle Gröszen mit genauen Wattangaben. Ich habe eine glasklare Frage gestellt! Wieso wieder dieser verschwurbelte "Antwort"?
Sie sind einfach nur ärgerlich, pusten Millionen Tonnen Co2 ind die Luft um sich in der unberührten Natur zu vergnügen und kritisieren alle die, die den ganzen Scheiss nicht blind nachbeten (vor allem den irreführenden verschwurbelten Megascheiss).
Eddy
alles erstaunliche Fragen (im Sinne von: kann man sich nun wirklich selber ueberlegen) fuer jemanden der sich jahrelang mit dem Thema beschaeftigt hat und immer alles besser weiss (wenn er erstmal kraeftgt gegoogelt hat insbesondere).
(Woebei ich in diesem Fall die Frage an sich schon merkwuerdig finde, denn warum will man denn nun gerade den Anteil des IR wissen, es sei denn man ist Spektroskopiker).
Schaun wer mal in den Kiehl&Trenberth (wobei jetzt auch was neueres existiert). 168W/m2 kommen da solar am Boden an. Tun wer einfach mal so, als waere die Absorption und Reflection gleichmaessig ueber alle Wellenlaengen vor sich gegangen (nicht wirklich) dann ist ca 30% der einfallenden Strahlung IR (dh im wesentlichen azwischen 800nm und 2mu), bleiben etwa 55W/m2.
Wahrscheinlich eher ein bisschen mehr (80W/m2?).
Ich nehme mal an, dass man per IR Spectroskopie im nahen IR (der ja hinreichend von der Gegenstrahlung getrennt ist) das auch irgendwie quantifizieren kann.Kenne ich jetzt aber nicht. Das koennen Sie ja mal ergoogeln.
@Georg
Ja, erstaunlich, dass ich nach jahrelangem Klima-Googeln immer noch nicht weiss, wieviel IR (von der Sonne) in der Atmosphäre absorbiert wird und wieviel wir mit unseren Körpern, (bzw. die Erde) absorbieren.
Schaut man sich das Spektrogramm der eintreffenden Strahlung an, dann ist immer noch ein sehr grosser Anteil IR dabei. Quantifizieren kann ICH das aber nicht, wenn SIE es schon nicht können.... ;-)
Ich bin über ihre freundliche Antwort jetzt echt überrascht, denn ich hatte schon "etwas vorbereitet" ;-)
Ich würde gern mehr über dieses Thema erfahren, konnte bisher aber wrklich nirgends genaue Angaben finden.
Denn mich interessiert nicht nur wieviel IR hier ankommt, sondern auch wieviel davon am Tag Teil der IR-Gegenstrahlung ist. Das heisst, wieviel von den 340W/m2 der Erde und den rückgestrahlten Watt durch Co2 und Wasser etc. direkt IR von der Sonne stammen.
Ich will damit nicht den Treibhauseffekt widerlegen oder quantifizieren. Aber da sie gerade wirklich einen sehr interessanten Artikel hier geschrieben haben, dachte ich sie könnten mir endlich ein bisschen Wissenschaft vermitteln, so wie Florian z.B. auch.
Vielleicht ist ihnen aufgefallen, dass ich meine Wissenslücken keineswegs verstecke. Ich liebe Wissenschaft und würde liebend gerne mehr erfahren.
MfG
Eddy
@Eddy
Nun ich habe es quantifiziert und ich habe Ihnen erklaert, was sie tun muessten um es genau zu wissen. Sonst noch was?
Kennen Sie eigentlich das Kiehl&Trenberth Paper?
Anyhow, hier sind alle Zahlen:
http://www.grida.no/publications/other/ipcc_tar/?src=/climate/IPCC_tar/wg1/041.htm
Da die Spektren von Sonne und Erde kaum überlappen, muesste man halt nur den entsprechenden IR Anteil bis 2mu messen. Es gaebe allerdings den vom Wasser zuvor in der Atmosphaere absorbierten und dann natuerlich in langwelligere Strahlung re-emittierte Anteil. Das kann man dann nur noch mit einem Strahlungsmodell rechnen.
Die Relation Gegenstrahlung (ca von 4mu bis 20 mu) zu direkter solarer IR (800 nano - 2 mu) ist also ca 320 zu 80.
Das ist mir nicht aufgefallen. Echt nicht.
@Georg
Sie haben ganz einfach ein Problem, Fehler von ihnen oder ihren Kollegen zuzugeben. Sie unterstellen dem Laien (mir z.B.) dann, er würde sich überheblich über Forschungsegebnisse hinwegsetzen und so tun als würde er alles besser verstehen als irgend jemand anderes.
Es ist aber kaum noch wegzureden, dass ein Teil der Klimawissenschaft entweder reine Oekoideologie ist oder dass sich diese Leute einfach geirrt haben. Das wäre kein Problem, wäre die ganze Wissenschaft nicht durch und durch ideologisiert.
Es gibt wohl einige Skeptiker und Laien die unfair argumentieren und das Ganze zu einem Witz werden lassen. Es gibt aber auch viele Klimawissenschaftler, die die Laien sehr unfair angreifen, wenn diese einige Zweifel äussern.
Wie SIE nun zu ihrer verdrehten Sichtweise über uns Laien kommen, ist mir echt ein wenig schleierhaft. Sie müssen doch schon etwas wie einen Gegner oder Feind in uns sehen?!
Bei Leuten wie mir, Dirk Maxeiner oder z.B. auch den Wissenschaftlern Hans Von Storch oder Roger Pielke halte ich diese Sichtweise für regelrecht paranoid. Wie G.W. Bush schon sagte: "Wer nicht mit uns ist, ist gegen uns".
In der Wissenschaft hat so ein Schwachsinn aber leider nichts verloren!
MfG
Eddy
Zum Thema:
Hier steht:
http://www.grida.no/publications/other/ipcc_tar/?src=/climate/IPCC_tar/wg1/041.htm
"Most of this radiation is absorbed by the atmosphere, which in turn emits radiation both up and down."
Wenn also noch etwas IR von der Sonne hier ankommt, dann müsste doch auch der Grossteil in der Atmosphäre absorbiert worden sein. Was zur Erde zurück reemittiert wird, ist von dem das von der Erde selbst stammt (und zurückemittiert wurde) kaum zu unterscheiden?!
Nur ein Bruchteil der direkten IR von der Sonne würde ja überhaupt hier ankommen. Ein Grossteil müsste eigentlich die Atmosphäre aufheizen?
auf der Graphik: 342 w/m2 kommen von oben von der Sonne, 168 w/m2 werden absorbiert - die Erde strahlt mit 390 w/m2 zurück, und die Rückstrahlung der Atmosphäre beträgt 324 w/m2, die von der Erde wieder absorbiert werden.
Wieviel davon von der Sonne stammen weiß ich nicht und ich weiß nicht was ich tun müsste um es zu erfahren.
Trotzdem Danke für die Antworten!
Eddy
@Eddy
Ich habe keine Ahnung warum Ihnen die Antwort nicht gefaellt. Die Absorption in nahen IR ist relativ schwach und es gibt mehrere Fenster. Mein Pi Mal Daumen Abschaetzung berugt genau darauf. Ich denke man kann solare IR direkt am Boden messen.
Nochmal, von der einfallenden solaren Strahlung sind (wieder pi mal Daumen) 30-40% IR, ok? Nehmen wir an, dass es keine starken Praeferenzen beim Absorbieren, reflektieren gaebe, dann kaeme man somit auf 55-65W/2. Ich habe aber den Verdacht, dass IR weniger reflektiert wird als sichbares Licht, so also mal 80W/m2.
Die ganze Waermeabstrahlung der Erde hat damit nichts zu tun. Sie ist im mitlleren und langen IR und es gibt deutlich mehr Absorber. Ausser im atmosphaerischen Fenster kommt von der Erde nichts an der Atmosphaerenoeberkante direkt an.
@Georg
Aha, ich dachte ich sollte das genau nachrechnen lassen...
Dann bedanke ich mich ganz herzlich für die Pi Mal Daumen Rechnung :-)
Das genügt mir selbstverständlich als Antwort. Ich dachte Sie würden das selbst bezweifeln.
Liebe Grüsse
Eddy
@Eddy
Ok, Korrektur dessen, was ich oben gesagt habe. Zur Erinnerung 340 W/m2 kommen oben in der Atmosphaere an, 100W/m2 werden per Erdalbedo reflektiert. Wir haben 240W/m2 zu verteilen zwischen dem UV/Sichtbaren und IR der Sonne. Nehmen wir mal an 40% sind IR, dann käeme 96W/m2 am Boden an GAEBE es keine Absorption. Ich habe oben angenommen, dass die Absorption ungefaehr gleichverteilt ist (was das Ozon beim UV+Sichtbaren macht das H2O beim IR). Ein Kollegen, der mit Strahlungsmodellen arbeitet, korrigierte mich da, hoechstens 10% laegen im UV/Sichtbaren. Anders ausgedrueckt von den 240W/m2 gehen 67W/m2 ab, die absorbiert werden und diese 67W/M2 sind zu 90% im nahen IR.
Daher also 40% von 240 sind 96W/M2 IR Anteil ohne Absorption. Davon ab gehen 90% von 67W/m2 die absorbiert werden. Das macht 35W/m2 deutlich weniger als meine erste Schaetzung von 55-80W/m2.