Die Wirkung der Treibhausgase auf die Strahlungsbilanz der Erde wird im IPCC mit dem Vermerk LOSU=High versehen (Level of scientific understanding=LOSU).
Tabelle 1: Ausschnitt der in Rothmann et al., 1992veröffentlichten spektralen Parameter des CO2. Die sogenannte band strength S_nu in der 5ten Spalte ist ein Mass für die Absorption. Man beachte die starke Absorption bei 667cm-1 in der fünften Spalte.
Warum ist das eigentlich so? Die Antwort liegt in der grossen theoretischen und experimentellen Sicherheit, die wir in der Infrarot-Spektroskopie in den letzten Jahrzehnten angesammelt haben. Im Gegensatz zu den Aerosolen können die verschiedenen Treibhausgase mit fast beliebiger Präzision nachgemessen werden. Die IR Messungen werden auf der urspünglich militärischen Datenbank HITRAN gesammelt, auf der man sich heute nur einschreiben muss und alle nur erdenklichen Parameter zur Beschreibung der IR Spektren praktisch sofort erhält.
Heute werden in Updates der Datenbank kaum noch Änderungen in den Spektrallinien der Haupt-treibhausgase, CO2 oder Methan, vorgenommen. Meist geht es jetzt um exotische Isotope dieser Gase (wie C17O18O) oder seltene Gase (C2H6), die nur in winzigen Konzentrationen vorkommen. Ich habe mal eine Seite aus einem der alten fast “historischen” CO2 Paper herauskopiert (s.Tabelle 1), die ahnen lässt, in welcher Präzision diese Linienparameter vorliegen.
Bild 1: Schema der spektralen Strahlungsflüsse bei einer Schicht in Höhe z. Entnommen dem Vorlesungszyklus zur Strahlungsphysik von Dr. Ulrike Langematz.
Als nächstes werden diese Linienparameter in sogenannte Line-by-Line Modelle eingebaut, die Absorption und thermische Re-emission Spektrallinie für Spektrallinie berechnen. Die entscheidende Gleichung ist dabei die sogenannte Strahlungsübertragungsgleichung, die, allgemein formuliert, unabhängig davon ist, ob man im solaren oder im infraroten Teil des Spektrums die Strahlungsübertragung berechnen will. In zwei Folien, die ich der Vorlesung zur Strahlungsphysik von Dr.Ulrike Langematz entnommen habe, wird der entscheidende thermische Absorptions- und Re-emissions-Anteil erklärt. Eine Schicht in der Höhe z absorbiert dabei Strahlung aus allen unter und über ihr gelegenen Schichten (Quell-Term) und strahlt dann in Einklang mit seiner Temperatur wieder ab (Senke). Nach Gerlich und Tscheuschner dürfte es den Term von oben nach unten – also von kälteren zu wärmeren Schichten – gerichtet übrigens nicht geben, da dies ihrem ungewöhnlichen Verständnis der Thermodynamik folgend ein Verstoss gegen den 2ten Hauptsatz darstelle. Der Rest der physikalischen Welt ist aber leider gezwungen, diesen Term mitzunehmen.
Bild 2: Definition der spektralen Transmissionsfunktion T_lambda entommen der Vorlesung von Dr.Ulrike Langematz, Universität Berlin.. B_Lambda ist die spektrale Planck funktion, die unter der Annahme eines lokalen thermischen Gleichgewichts, die Abstrahlung einer Schicht bei einer bestimmten Temperatur beschreibt.
Die Divergenz, oder weniger vornehm, die Differenz, dieser spektral zu integrierenden Strahlungsflüsse entspricht dann der Erwärmungs- (oder Abkühlungs-) rate in jeder Schicht. Die entscheidende Grösze bei der Absorption ist die sogenannte Transmissionsfunktion T, die in Abhängigkeit von der Wellenzahl berechnet wird (siehe Bild 2). Die spektralen Absorptionskoeffizienten, z.B. aus der Tabelle 1 oben, müssen dabei möglichst exakt bekannt sein, um ein genügend genaues Ergebnis zu erhalten.
Bild 3: Vergleich gerechneter und gemessener Spektren um die 2 mikrometer Linie des CO2 herum. Die Verbesserung von der oberen zur mittleren Kurve ist der vollständigeren und genaueren Beschreibung der einzelnen CO2 Absorptionslinien in der aktualisierten HITRAN Datenbasis geschuldet. Entnommen Rothmann et al., 92.
Wie sieht jetzt das Resultat einer solchen Line-by-Line Berechnung aus? Im letzten HITRAN Paper (alle paar Jahre gibt die Strahlungs-Mafia einen kleinen Update heraus) wurde ein Beispiel für die 2 mikrometer Absorptionsbande des CO2 gezeigt (siehe Bild 3). Abweichungen von der gemessenen Intensität über einen 25 Meter Absorptionspfad sind sehr sehr gering (Mittlere Figur im Bild 3). Die Schlussfolgerung ist daher, dass die Strahlugsübertragung und sein parametrisierter Anteil (Linienform, Linienposition, kurz alle HITRAN Infomationen) hervorragend funktionieren. Die verstandene Theorie und die exzellente empirische Übereinstimmung sind also der entscheidende Faktor, warum die Strahlungswirkung der Treibhausgase vom IPCC als “sehr gut verstanden” beurteilt wurden.
Bild 4: Berechnung des Absorptionsspektrums mit einem Line-by-Line Modell bei Atmosphärendruck in trockener Luft und einem Meter Weglänge um die Hauptabsorptionslinie des CO2 bei 15 mikrometer herum. Rechnung von Sebastien Payan.
Na, und wenn man mit den Line-by-Line Modellen das Werkzeug der Wahl zur Verfügung hat, kann man ja mal kurz einen weiteren Skeptiker Talking Point abklappern. Sebastien Payan vom LPMAA hat sich von mir mit einem Bier bestechen lassen und mal die Spektren für eine trockene Luftsäule drei CO2 Konzentrationen durchgerechnet. Er hat sich dabei auf die 660cm^-1 (ca. 15 mikrometer) und mal geschaut, ob das CO2 denn tatsächlich gesättigt ist, wie unsere skeptischen Schlaumeier immer erzählen.
Bild 5: Das Gleiche wie bei bei Bild 4, diesmal über eine Länge von 1 km. Rechnung von Sebastien Payan.
Antwort (wie auch hier schon erläutert): CO2 ist natürlich nicht gesättigt. Immer sorgt ein mehr des Absorbers für ein mehr an Absorption. Wer noch Zweifel hat, kann sich für den Preis eines Kleinwagens einen IR Spectrometer kaufen und mal Bild 5 nachrechnen. Viel Spass. Mich hat es Gott-sei-Dank nur ein Bier gekostet.
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