31. Juli 1998

Die Klimakatastrophe - ein spektroskopisches Artefakt?

von Dr. rer. nat. Heinz Hug

 

Quantitative Untersuchungen der IR-Absorption von Kohlendioxid mittels eines FT-IR-Spektrometers im Labor legen nahe, den zusätzlichen Treibhauseffekt bei CO2-Verdoppelung weit geringer einzuschätzen, als er von den Klimatologen bisher angenommen wurde. Es kann von einer Reduktion um den Faktor 80 ausgegangen werden.

 

Einleitung

Ursprünglich ging es beim anthropogenen Treibhauseffekt durch CO2 offensichtlich um die "ganz normale" Infrarot-Absorption (1). Angenommen, die Extinktion würde bei der heutigen CO2-Konzentration in der Größenordnung von E = 4 im Maximum der Absorptionspeaks liegen, d.h. die Transmission T = I/I0 = 10-E wäre auf 0,0001 reduziert. Dann wäre es für jeden, der mit den Grundlagen der quantitativen IR-Spektroskopie aus der analytischen Chemie her vertraut ist, offensichtlich, daß eine Verdopplung zu einer merklichen Temperaturerhöhung führt. Tatsächlich liegt aber die Extinktion um Zehnerpotenzen höher. Deshalb ist nach Jack Barrett (2) der maximal mögliche Treibhauseffekt schon nach 100 m über dem Erdboden gegeben.

In der Literatur werden vielfach Emissionsspektren (3) oder gelegentlich auch Absorptionsspektren (4) des CO2 gezeigt. Was für den interessierten Chemiker aber vollkommen fehlt, ist die Angabe molarer Extinktionsgrößen. CO2 ist zwar das mit am intensivsten untersuchte Molekül, weshalb man auch genügend quantitative Angaben aus der Literatur beziehen kann (5) und natürlich gibt es die HITRAN-Spektren. Dennoch existieren offensichtlich unterschiedliche Vorstellungen. Auch wurden die Vorhersagen zur Klimaerwärmung ständig zurückgenommen. Dies war Anlaß zu eigenen überschlags-mäßigen Messungen (6).

Meßmethode

Eine 10 cm-Küvette mit IR-durchlässigem Fenster wurde mit synthetischer CO2-freier und wasserfreier Luft gefüllt. Danach wurde soviel CO2 mit einer Mikroliterspritze zugegeben, daß 357 ppm CO2 zugegen waren (Konzentration von 1993). Weiter wurden 2,6 % Wasserdampf zugegeben. Als IR-Strahlungsquelle diente ein Globar, ein elektrisch auf 1000-1200 C geheizter Siliziumkarbid-Stab mit nachgeschaltetem variablen Interferenzfilter. Nach der Aufnahme dieses Spektrums wurde mit CO2 aufgestockt, so daß 714 ppm enthalten waren. Die Messung erfolgte mit einem FTIR-Spektrometer "Bruker IFS 48". Als Auswertungssoftware diente das Programm OPUS. Ein Nullwert wurde ebenfalls aufgenommen und entsprechend subtrahiert.

Messung und Auswertung

Bild 1 zeigt das unbearbeitete Spektrum der 15 m-Bande für 357 ppm CO2 und 2.6% H2O.

 

Bild 1: Unbearbeitetes Spektrum der 15 m-Bande

Deutlich sind der R- (DJ = + 1) und der P- (DJ = - 1) sowie der Q-Zweig (DJ = + 0) der n3-Bande zu erkennen. Die n2-Bande (4,2 m), die nur einen R- und P-Zweig besitzt, wurde ebenfalls vermessen. Die Extinktionskoeffizienten in den Maxima der Banden ergaben sich zu:

e = 29,9 m2 mol-1 (n2 = 2349 cm-1) und e = 20,2 m2 mol-1 (n3 = 667 cm-1)

Um die Absorption zu berechnen, wurde der durchschnittliche CO2-Gehalt der Atmosphäre mit c = 1,03.10-3 mol/m3 angenommen (aus der Gesamtstoffmenge und dem Volumen der Homosphäre). Setzt man die oben gemessenen molaren Extinktionen nebst der Konzentration und der Schichtdicke der Homosphäre (h = 105 m) in das Lambert-Beer'sche-Gesetz ein, so erhält man

E(n2) = 29,9 m2 mol-1 1,03.10-3 mol/m3 105 m = 3080

Für die n3-Bande resultiert analog E(n3) = 2080. Dies bedeutet, daß die Transmissionen bei den heute gegebenen 357 ppm CO2 in den Peakmaxima bei T(n3) = 10-2080 bzw. T(n2) =10-3080 liegen. Dies ist ein extrem geringer Transmissionswert, der eine Steigerung des Treibhauseffektes bei Verdopplung des klimawirksamen Spurengases vollkommen ausschließt. Ähnliche Ergebnisse hat Jack Barrett anhand spektroskopischer und kinetischer Überlegungen (2) gefunden und damit prompt in ein Wespennest gestochen, weshalb von ihm eine äußerst heftige noch andauernde stattfindende Diskussion angefacht wurde
(7 - 10).

Setzt man e für die n3-Bande, den molaren Wert für 357 ppm CO2 sowie z.B. eine Schichtdicke von 10 m in das Lambert-Beersche Gesetz ein, so ergibt sich die Extinktion zu

E = 20,2 m2 mol-1 0,0159 mol/m3 10 m = 3,21

Damit wird die Transmission T = 10-3.21 = 0,6 Promille. Dies entspricht einer relativen Absorption von 1 - T = 99,94%. Natürlich wurde hier nur die Absorption eines IR-Strahls betrachtet und es erhebt sich die Frage, ob nicht innerhalb des 15 m-Bands eine Re-Emission bei den CO2-Molekülen stattfindet. Nach Jack Barrett (2) wird die absorbierte Energie i.w. bei Zusammenstößen mit anderen Molekeln (N2, O2, H2O) abgegeben (thermalisiert) - lange bevor eine Re-Emission stattfindet. Damit fällt der größte Teil der Energie aus dem CO2-Band heraus. Etwa die Hälfte der absorbierten Energie dürfte somit die Luft und über die verstärkte Gegenstrahlung auch den Boden entsprechend erwärmen. Aber da sich diese bei einer CO2-Verdoppelung kaum mehr erhöht, erklärt das den extrem geringen Effekt.

Das Argument der Totalsättigung kann man sophistisch umgehen, wenn man die Thermalisierung ignoriert und annimmt, daß ein zusätzlicher Treibhauseffekt durch ein Schicht- oder Kaskadenmodell bedingt ist, bei dem eine ständige Absorption (I) und Emission (B) stattfindet. Dann gilt - nur für den Bereich um 15 m - die Strahlungstrans-portgleichung (11) mit infinitesimalem Weg dz, dem Absorptionskoeffizienten sa und der Teilchenzahl n:

d I = I n sa dz - B n sa dz

Man kommt zu einem komplexen Gleichungssystem (12). Ein Problem ist, daß der Strahlungstransport vom Temperaturgradienten der Atmosphäre abhängt, dieser aber erst iterativ berechnet werden muß.

Bei der Absorption an den Peakflanken ist die Extinktion naturgemäß kleiner. IPCC schreibt 1990 "The effect of added carbon dioxide molecules is, however, significant at the edges of the 15 m band, and in particular around 13,7 and 16 m (13)".

Um dies zu überprüfen wurde als Arbeitshypothese angenommen, die Extinktion soll sich bei Verdopplung des CO2-Gehalts um die Größenordnung E = 3 (T = 10-3) erhöhen. Hierzu wurde das Gesamtintegral der Banden bis zu den auslaufenden Enden des R- und P-Zweiges bei E = 0 ermittelt (s. Bild. 2).

 Bild 2: Spektrales Auswertungsschema

Bild 2: Spektrales Auswertungsschema

Dann wurden die digital abgespeicherten Spektren ab einer Extinktion, die dem Wert
E = 3 (auf den Gesamtweg innerhalb der Troposphäre bezogen) entsprachen bis zu den auslaufenden Enden (E = 0) des R- und P-Zweiges integriert. Damit waren die edges erfasst. Diese edges begannen beim P-Zweig bei 14,00 m und beim R-Zweig bei 15,80 m und liefen jeweils bis zur Grundlinie E = 0. IPCC läßt die Banden bei 13,7 und 16 m beginnen (13). Für die n3-Bande ergab sich folgendes:

15 m-Bande

357 ppm

714 ppm

Gesamtintegral 624,04 cm -1 - 703,84 cm -1

0,5171/cm

1,4678/cm

Summe der Flanken-Integrale

1,11.10-4/cm

9,79.10-4/cm

Tabelle: 15 m-Bande (Gesamtintegral und Flankenintegrale E = 0 bis E = 3)

Der relative Zuwachs des Treibhauseffekts ist entscheidend. Er entspricht der Differenz der Flankenintegrale bei 714 ppm und 357 ppm im Verhältnis zum Gesamtintegral bei 357 ppm.

(9,79.10-4/cm - 1.11.10-4/cm) / 0,5171/cm = 0,17 %

 

Diskussion und Schlußbemerkung

Eine feststellbare globale Erwärmung durch eine Erhöhung der Infrarot-Absorption für die 15 m-Bande um 0,17% bei CO2-Verdoppelung ist nicht zu erwarten.

Man kann auch das radiative forcing mit den obigen Angaben berechnen wenn man dem Gesamtintegral (Fläche) der n3-Bande von 0,5171 cm-1 bei 357 ppm CO2 ein radiatives forcing von 32 W/m2 (14) über 180 Raumwinkel aus Satellitenmessungen (Hanel et al., 1971) für eine Standardatmosphäre zumißt.

Nach der hier dargestellten Messung und Auswertung für CO2-Verdoppelung erhöht sich das radiative forcing nur um 0,054 W/m2 und nicht um 4,3 W/m2.

Dies ist etwa um den Faktor 80 weniger als das IPCC-forcing.

Gehen wir von dem behaupteten natürlichen Treibhauseffekt von 7,2 C aus, so würde eine CO2-Verdoppelung 0,17% davon ergeben, das sind nur 0,012 C. Rechnet man 1/80 von den 1,2 C, die gemäß Stefan-Boltzmann aus dem Strahlungsantrieb von 4,3 W/m2 resultieren, so ergibt sich ein ähnlicher Wert von 0,015 C.

Abschließend möchte ich die Leser darauf aufmerksam machen, daß dem gegenwärtigen CO2-Gehalt je nach Literaturstelle ein unterschiedlicher Temperatureffekt zugeordnet wird. In dem von von J.T. Houghton herausgegebenen Buch "The Global Climate" geben Kondratjew und Moskalenko 7,2 K an (14).

Die Autoren zitieren sich dabei selbst (15). Besorgt man sich das in Kyrillisch geschriebene Buch und schaut auf der angegebenen Seite nach, so findet man nichts. Die angebene Seite ist eine Seite des Sachwortverzeichnisses. Auch die weitere Suche in dem Buch bringt kein Ergebnis. Andererseits scheint man sich doch recht sicher zu sein, denn die Angaben der Autoren werden gerne zitiert (16). Allerdings gibt es Widersprüche, denn K.P. Shine gibt einen anderen Wert an, nämlich 12 K (17) und R. Lindzen (18) geht davon aus, daß dem CO2 nur etwa 5% des natürlichen Treibhauseffekts zuzuordnen sind. Das wären 1,65 K und weniger als ein Viertel des bei IPCC benutzten Werts von 7,2 K.

Was stimmt denn jetzt? Gibt es irgend jemanden, der hierzu eine Grundlagenarbeit kennt oder einmal logisch nachvollziehbar vorrechnen kann, welchen Beitrag das gegenwärtig vorhandene CO2 an dem greenhouse effect von 33 K hat und weshalb entweder Shine, Lindzen oder Kondratjew und Moskalenko recht haben?

Literatur

[1] Roger Revelle, Scientific American, 247, No.2, Aug. 1982, 33-41
[2] Jack Barrett, Spectrochim. Acta Part A, 51, 415 (1995)
[3] R.A. Hanel et al. Journal of Geophysical Research, 77, 2629-2641 (1972)
[4] Hermann Flohn, Nachr. Chem.Tech.Lab, 32, 305-309 (1984)
[5] L.S.Rothman et al., Appl.Opt. 26, 4058 (1987)
[6] Heinz Hug, Chemische Rundschau, 20. Febr., p. 9 (1998)
[7] Paul S. Braterman, Spectrochim. Acta Part A, 52, 1565 (1996)
[8] Keith Shine, Spectrochim. Acta Part A, 51, 1393 (1995)
[9] John Houghton, Spectrochim. Acta Part A, 51, 1391 (1995)
[10] Richard S. Courtney, Spectrochim. Acta Part A, 53, 1601 (1997)
[11] Richard P. Wayne, Chemistry of Atmospheres, Oxford University Press,
2nd. Edition, 44-49 (1991),
[12] Murry L. Salby, Fundamentals of Atmospheric Physics, Academic Press, 198-257 (1996)
[13] Climate Change 1990. The IPCC Scientific Assessment, p. 49
[14] K.Ya. Kondratyev, N.I. Moskalenko in J.T.Houghton, The Global Climate, Cambridge
Universitiy Press, 225-233 (1984)
[15] K.Ya. Kondratyev,N.I. Moskalenko, Thermal Emission of Planets, Gidrometeoizdat,
263 pp (1977) (Russisch)
[16] C.D. Schönwiese, Klimaänderungen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, p. 135 (1995)
[17] Keith P. Shine, A. Sinha, Nature 354, 382 (1991)
[18] Richard S. Lindzen, Proc. Nat. Acad. of Sciences, 94, 8335 (1997)

Wiesbaden, 31. Juli 1998
Heinz Hug


Fax +49/611-543301

Url: http://www.schulphysik.de/klima/cmodel.htm
Url: http://www.schulphysik.de/klima/artefact.htm

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