Der Treibhauseffekt betrifft nur Sonnenenergie, die als Wärmestrahlung von der Erde reflektiert wird. Diese Wärmestrahlung steigt nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann mit der 4. Potenz der absoluten Oberflächentemperatur. Was bedeutet das in der Praxis und wie kann man dies für den Klimaschutz nutzen?
Inhaltsverzeichnis
Vorbemerkung
Hauptquelle für Zahlen und Anlass für diesen Artikel waren verschiedene seit August 2019 gehaltene und damit sehr aktuelle Vorträge des Australischen Mikrobiologen Walter Jehne, die ich im Folgenden aufliste und verlinke. Walter Jehne hatte ich auch schon in früheren Artikeln erwähnt. Auf ihn aufmerksam gemacht hatte mich übrigens bereits 2018 ein deutscher Diplomlandwirt aus Mecklenburg-Vorpommern.
- Walter Jehne: Cooling the Climate Mess ( https://youtu.be/lFViQlZF88c [20] ). Dieser Vortrag wurde in der öffentlichen Bibliothek von Cambridge im US-Bundesstaat Massachusetts, einem Vorort von Boston, gehalten und am 30.8.2019 auf Youtube verfügbar gemacht.
- Walter Jehne talk on Regenerative Agriculture at NITI Aayog, New Delhi ( https://youtu.be/mUmxY0xCsZM [21] ). NITI bedeute National Institute for Transforming India. Es handelt sich um eine Organisation der Regierung Indiens. Dieser Vortrag wurde am 29.11.2019 auf Youtube verfügbar gemacht.
- Regenerative Agriculture – Cooling The Earth Naturally And Reversing Climate Change – Walter Jehne ( https://youtu.be/fv2iArZ1cfM [22] ). Dieser Vortrag wurde im Rahmen einer Veranstaltung der AP ZBNF [23] gehalten und am 23.11.2019 live übertragen und auf Youtube verfügbar gemacht. AP ZBNF ist die Organisation zur Förderung des Zero Budget Natural Farmings des Indischen Bundesstaates Andhra Pradesh. Siehe dazu auch meinen Blogartikel Natürliche-Null-Budget-Landwirtschaft [24].
Zahlenwerte habe ich in vielen Fällen aus diesen Vorträgen von Walter Jehne übernommen.
Was ist der Treibhauseffekt?
Die kurzwellige Sonnenstrahlung kann die Atmosphäre bei klarem Himmel weitestgehend durchdringen.
Beim Auftreffen der Sonnenstrahlung wird ein Teil der Sonnenstrahlung wieder als kurzwellige Strahlung reflektiert und verlässt die Erde so ungehindert wie sie gekommen ist.
Wenn die Erde ein perfekter Spiegel wäre
Wenn die Erdoberfläche ein perfekter Spiegel wäre und wenn die Luft sauber und frei von Wasser wäre, dann würde die gesamte Sonnenstrahlung unverändert zurück ins Weltall reflektiert. Auf der Erde wäre es dann extrem kalt.
Wenn die Erde ein perfekter schwarzer Körper wäre
Wenn die Erde ein perfekter schwarzer Körper wäre, dann würde die gesamte einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung von der Erdoberfläche resorbiert. Die Energie der kurzwelligen Sonnenstrahlung würde aber nicht einfach verschwinden, sondern sie würde in Wärmeenergie umgewandelt. Die Erdoberfläche würde sich aufheizen. Je wärmer die Erdoberfläche würde, desto mehr Wärmestrahlung würde sie dann als langwellige Wärmestrahlung oder oder Infrarotstrahlung in Richtung Weltall abstrahlen.
Das Gesetz von Stefan-Boltzmann
Das nach den Physikern Josef Stefan [25] und Ludwig Boltzmann [26] benannte physikalische Gesetz besagt:
Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt [27] liegt, gibt Wärmestrahlung [28] an seine Umgebung ab. Ein Schwarzer Körper ist ein idealisierter Körper, der alle auf ihn treffende Strahlung vollständig absorbieren kann (Absorptionsgrad = 1).
Es wird mit der Formel beschrieben.
beschrieben.- P = Wärmestrahlung
- = Stefan-Boltzmann-Konstante [29]
- A = Fläche
- T = absolute Temperatur [30] in °K oder Kelvin. 0 ° Celsius entsprechen -273,15 ° Celsius
= Die Hochzahl 4 bedeutet, dass die Temperatur 4 mal mit sich selbst multipliziert wird. Was das ganz konkret bedeutet, habe ich weiter unten an praktischen Beispielen mit tatsächlich gemessenen Werten nachgerechnet und gezeigt.
Treibhauseffekt als Wärmestrahlungsbremse
Der Treibhauseffekt beschreibt nun das Phänomen, dass Wasserdampf, CO2 und Methan und andere Treibhausgase in der Atmosphäre die Abstrahlung der Wärme in Richtung Weltall behindern. Ohne den Treibhauseffekt wäre es auf der Erde 33 °C kälter als es heute mit Treibhauseffekt ist. Alles Wasser, auch das der Ozeane wäre gefroren und Leben auf der Erde wäre unmöglich. Wie bei allem im Leben und in der Medizin, kommt es aber auch beim Treibhauseffekt auf die Dosis an. Um wie viel ist der Treibhauseffekt nun aber zu groß und wie groß ist der Anteil des CO2 und wie groß der der anderen Treibhausgase am gesamten Treibhauseffekt?
Die Anteile der Treibhausgase am Treibhauseffekt
CO2 hat 11 % Anteil am Treibhauseffekt und 4 % Anteil an der globalen Wärmedynamik. Dazu sollte man bedenken, dass die CO2-Konzentration in prähistorischen Zeiten bei ca. 185 und knapp 300 ppm geschwankt hat. Heute, als Folge der Nutzung fossiler Energieträger und als Folge der Land- und Forstwirtschaft, liegt sie bei ca. 413 ppm (siehe auch meinen Artikel Zum Thema CO2 und Klima [31]).
Der Anteil des Wasserdampfes am Treibhauseffekt liegt bei über 80 %. Der Anteil des Wassers an der globalen Wärmedynamik liegt sogar bei 95 %.
Auf Methan und andere Treibhausgase entfällt der kleine Rest.
Die Realität ruiniert jedes CO2-Sparkonzept
Wenn man die CO2-Emissionen tatsächlich auf Null reduzieren könnte und würde, würde das die Wärmebilanz der Erde nicht verändern. Die Klimaerwärmung ginge einfach weiter.
Selbst wenn man die CO2-Emissionen negativ machen würde, was man insbesondere mit Hilfe der Landwirtschaft tatsächlich kann und aus einer ganzen Reihe von Gründen auch unbedingt tun sollte, wie ich u.a. in Klimaschutz durch Landwirtschaft [32] und in Die Angst vor dem Klimawandel sinnvoll nutzen [33] gezeigt habe, dann würde sich die CO2-Konzentration in der Atmosphäre und damit auch der Treibhauseffekt des CO2 wegen der Pufferwirkung der Ozeane nur sehr langsam verändern.
Ein sehr interessantes Argument gegen Versuche, die CO2-Emissionen zu reduzieren ist übrigens die Spieltheorie, wie Prof. Dr. Christian Rieck [34] in Warum CO2 sparen das Gegenteil bewirkt (soziales Dilemma Spieltheorie) [35], einem Beitrag vom 31.12.2019, auf Youtube erklärt.
Die Strahlungsbilanz der Erde
Die die Erde treffende Sonnenstrahlung hat eine Energie von 342 W/m² . Die die Erde verlassende Strahlung hat heute eine Energie von 339 W/m². Der Unterschied beträgt 3 W/m², was deutlich unter 1 % ist. Dieser kleine Unterschied verursacht die Klimaerwärmung.
Um vor Überschwang zu warnen und Irrtümern vorzubeugen: Diese Werte beziehen sich, wenn ich es richtig verstehe, notwendigerweise auf die gesamte Strahlung und nicht nur auf die Wärmestrahlung. Die ursprüngliche Überschrift dieses Abschnitts lautete “Die Wärmebilanz der Erde”, aber dann habe ich mir überlegt, dass dies einen falschen Eindruck vermittelt.
Die Wärmestrahlung ist nur der langwellige, infrarote Teil der gesamten Strahlung. Aber auch der Treibhauseffekt wirkt sich nur bei der langwelligen, infraroten Wärmestrahlung aus. Wenn man die Klimaerwärmung reduzieren oder umkehren will, kann man versuchen den Treibhauseffekt reduzieren, indem man die CO2-Konzentration reduziert. Das ist aber nur eine und dazu auch noch eine extrem teure und aus verschiedenen Gründen ziemlich unwirksame Methode.
Eine andere, voraussichtlich sehr schnell wirkende Methode wäre die Reduzierung der Wärmestrahlung im Allgemeinen. Mehr Vegetation bedeutet zwar automatisch auch weniger Wärmestrahlung an der Erdoberfläche . Diese Möglichkeit zu untersuchen ist das Hauptziel dieses Artikels.
In diesen Abschnitt, Strahlungsbilanz der Erde, gehört auch noch (wenn ich das richtig verstanden habe, global betrachtet), dass die verbliebene Vegetation 85 W/m2 bzw. ca. 24 % der Strahlungsenergie der Sonne per Transpiration zurück ins Weltall transportiert. Eine Steigerung dieses Effektes der Vegetation um weniger als 4 % würde demnach bereits genügen, um die Klimaerwärmung zu stoppen.
Die Optimierung der Strahlungsbilanz der Erde
Die zu beantwortende Frage lautet, wie kann man die Strahlungsbilanz der Erde so optimieren, dass Energie der einfallenden Strahlung wieder der Energie der die Erde verlassenden Strahlung entspricht?
Der Treibhauseffekt wirkt sich nur auf die langwellige Infrarot- oder Wärmestrahlung aus. Die Beeinflussung des Treibhauseffektes durch eine Reduzierung der CO2-Emissionen wird nicht reichen und sie ist in der Praxis auch gar nicht möglich. Ein mutwillig zu Klimaschutzzwecken provozierter Kollaps der Weltwirtschaft oder ein 3. Weltkrieg, würde die CO2-Emissionen radikal und extrem schnell reduzieren und die Klimaerwärmung stoppen. ABER, die Ursache für das Stoppen oder die Umkehr der Klimaerwärmung wäre eher nicht die bewirkte Reduzierung der CO2-Emissionen.
Die Klimaerwärmung würde vielmehr beendet, weil der Anteil der den Treibhauseffekt auslösenden Wärmestrahlung der Erdoberfläche in der Strahlungsbilanz der Erde reduziert würde. Die Erde würde grüner, der Kohlenstoffgehalt und damit auch die Wasserspeicherkapazität der Böden würden wieder zunehmen. Das alles würde die Oberflächentemperatur der Erde senken. Die Wärmestrahlung würde sinken. Ein größerer Teil der Sonnenenergie würde wieder als kurzwelliges Licht zurück ins Weltall gestrahlt. Zusätzlich würde ein sehr viel größerer Teil der auf der Erdoberfläche in langwellige Wärmestrahlung umgewandelten Sonnenstrahlung lokal bei der Transpiration der Pflanzen und durch die dann auch bei wolkenlosem Himmel länger feuchten Böden in Wasserdampf verwandelt. Die dabei benötigte Verdampfungswärme würde mit dem Wasserdampf wie mit einem Fahrstuhl aufsteigen und in großer Höhe beim Kondensieren des Wasserdampfes wieder freigesetzt, um dann von dort, wo die Luft dünner und damit auch die Wirkung des CO2 geringer ist, als Wärmestrahlung ins Weltall abgegeben zu werden.
Meines Erachtens kann man die für das Klima zweifellos sehr positiven Effekte eines Zusammenbruchs der Weltwirtschaft oder eines 3. Weltkrieges auch ganz friedlich, sehr kostengünstig, und sogar wesentlich schneller und besser mit den lokal verfügbaren Mitteln bewirken.
Zahlen zur Oberflächentemperatur und Wärmestrahlung
Zu den jeweiligen Temperaturen habe ich mit der Formel des Stefan-Boltzmann Gesetzes die Wärmestrahlung berechnet, wobei ich die Wärmestrahlung für die niedrigere oder die Umgebungstemperatur gleich 1 gesetzt habe.
Asphalt
Zitat aus Zitat aus www.medpets.de/hunde-und-warme-sommertage-8-tipps [36]:
“Asphalt beispielsweise erwärmt sich in der Sonne bei einer Außentemperatur von 25 °C auf bis zu 50 °C. Bei Sommerhitze mit über 30 °C kann Asphalt selbst eine Temperatur von 60 °C erreichen. “
Veränderung der Wärmestrahlung des Asphaltes bei einer
- Temperatursteigerung von 25 °C auf 50 °C : +38 %
- Temperatursteigerung von 30 °C auf 60 °C : +45,9 %
Man könnte, wenn es regnet, das Wasser zumindest teilweise auffangen und wenn dann die Sonne scheint und der Asphalt heiß wird, könnte man das Wasser auf den Asphalt sprühen oder laufen lassen. Dort würde es verdampfen und die Aufnahme der Verdampfungswärme würde den Asphalt kühlen. Die Wärmestrahlung an der Erdoberfläche würde entsprechend geringer. Die Wärme würde dann in großer Höhe wieder abgegeben, wenn das Wasser dort wieder kondensiert. Das in der Höhe kondensierte Wasser wird dann dann auch wieder relativ ortsnah als Regen fallen. Man kann dieses ganz allgemein für bebaute Flächen anwenden. Es könnte sinnvoll sein, auf der Ebene der Gemeinden, Landkreise und Länder über diese Möglichkeit etwas gegen die Klimaerwärmung zu tun, nachzudenken.
Vergleich von blankem Boden und Zwischenfrucht
Der bei an regenerativer Landwirtschaft sehr bekannte Farmer Gabe Brown aus dem US-Bundesstaat Nord Dakota zeigt in seinem Vortrag Treating the Farm as an Ecosystem, Part 1, The 5 Tenets of Soil Health (https://youtu.be/uUmIdq0D6-A [37]) bei Position 1:30:00 ein Beispiel: Es war ein Tag mit gut 90°F, das sind über 32,2 °C. Er zeigt dazu auf einem Bild die Messung der Bodentemperatur mit zwei Einstichthermometer, auf der einen Seite wurden 87,6 °F = 30,89 °C in einem von Pflanzen bedeckten Stück Boden gemessen. Auf der anderen Bildseite wurden auf einem Stück blankem Boden 107,4 °F = 41,89 °C gemessen.
Die von der Erdoberfläche emittierte Wärmestrahlung ist nach dieser Messung auf dem nicht von Pflanzen bedeckten Boden 15,3 % höher als auf dem von Pflanzen bedeckten Stück.
Allerdings wurde bei der Messung wohl ein systematischer Messfehler gemacht, wie der Artikel Surface Temperatur Measurments of Bare Soils von M. Fuchs und C.B. Tanner im Journal of Applied Meteorology vom April 1968 zeigt. Eine präzise Messung der Temperatur der Oberfläche landwirtschaftlicher Flächen ist schwieriger als es scheint. Die tatsächliche Temperatur war vor allem bei auf dem Stück unbedeckten Boden sehr wahrscheinlich höher als die von Gabe Brown gemessene Temperatur. Für eine präzise Messung der für die Wärmeabstrahlung maßgeblichen Oberflächentemperatur von Böden, sollte die Bedeckung der Sonde höchstens ca. 1 mm betragen. Besser ist es, die Temperatur mit einem präzisen Infrarotthermometer zu messen. Ein Einstichthermometer liefert bei einem von der Sonne bestrahlten Boden systematisch eine unter der tatsächlichen Oberflächentememperatur liegende Temperatur.
Nach Art der Vegetation unterschiedliche Temperaturen
Der auf www.nature.com am 19.9.2016 veröffentlichte Artikel Soil surface temperatures reveal moderation of the urban heat island effect by trees and shrubs [38] von J. L. Edmondson, I. Stott, Z. G. Davies, K. J. Gaston & J. R. Leake . Dieser Artikel zeigt, dass vor allem größere Vegetation (Bäume und Sträucher) im Sommer die Oberflächentemperatur besser senken als kleine Vegetation (Kräuter). Ich zitiere und übersetze hier aus der Zusammenfassung dieser vor allem auch für Städte und Gemeinden interessanten Studie:
In einer mittelgroßen Stadt im Vereinigten Königreich wurden an 100 Stellen Temperaturlogger auf der Oberfläche begrünter Flächen angebracht – unterteilt nach Nähe zum Stadtzentrum, Vegetationsbedeckung und Landnutzung. Die mittlere tägliche Oberlächentemperatur, gemessen über 11 Monate stieg um 0,6 °C von den Außenbezirken der Stadt zum Zentrum hin. Bäume und Sträucher auf öffentlichen (non-domestic) Grünflächen reduzierten die mittlere maximale, tägliche Oberflächentemperatur der Böden im Sommer um 5,7 °C im Vergleich zu krautähnlicher Vegetation. Im Winter waren die Böden bei den Bäumen und Sträuchern aber geringfügig höher. Bäume in privaten Gärten, die in der Regel kleiner sind, waren bei der Reduzierung der sommerlichen Oberflächentemperatur weniger effektiv.
Ein Versuch in Weinbergen
Der Agricultural Water Management [39] 116:128–141 · January 2013 veröffentlichte Artikel Using soil surface temperature to assess soil evaporation in a drip irrigated vineyard [40] von Belinda Kerridge, John – Hornbuckle, Evan Christen und R.D. Faulkner enthält einige für das Verständnis von effektiven Antworten auf die Klimaerwärmung wichtige Hinweise:
Man kann die Verdampfung der Feuchtigkeit der Böden messen, indem man die tägliche Schwankung Oberflächentemperatur misst.
Die folgende Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen der Veränderung der mit einem Infrarotthermometer gemessenen Bodentemperatur in Relation zur Luftemperatur, in Abhängigkeit von der von der Bodenfeuchte abhängigen Verdampfung:
[41]Zu den gemessenen Oberflächentemperaturen hier eine Übersetzung aus der Zusammenfassung der Studie:
Die Oberflächentemperatur des Bodens wurde in einem mit Tröpfchen bewässerten (drip irrigated) Weinberg mit Infrarotsensoren gemessen, die auf einem Quad montiert waren. Es wurde an verschiedenen Tagen in der Saison 2009 – 2010 gemessen (offenbar auf der Südhalbkugel, nämlich in Australien). Die Oberflächentemperatur in den Weingärten schwankte von 4,6 °C bis 65,5 °C unter dem Rebstock und von 6,8 ° C bis 75,6 °C in der Mitte der Reihe. Die Differenz zwischen den täglichen Minima und Maxima der Oberflächentemperatur des Bodens schwankte zwischen 20,2 und 59,7 °C in Bereich zwischen den Reihen und zwischen 13,6 °C bis 36,4 °C unter den Weinpflanzen.
Wenn man annimmt, dass die maximalen und minimalen Oberflächentemperaturen des Bodens unter dem Rebstock und zwischen den Reihen jeweils zur selben Zeit gemessen wurden, dann ergeben sich folgende Unterschiede in der Wärmestrahlung zwischen dem Boden unter der Weinpflanze und zwischen den Pflanzen:
- 13,6 °C unter der Weinpflanze zu 20,2 °C dazwischen: 9,5 % mehr Wärmestrahlung bei fehlender Vegetation.
- 36,4 °C unter dem Rebstock zu 59,7 °C dazwischen: 33,7 % mehr Wärmestrahlung bei fehlender Vegetation.
Der Artikel enthält eine ganze Reihe sicher sehr interessante Literaturhinweise, denen ich hier aber aus Zeitmangel und weil ich hier keine Unibibliothek zur Verfügung habe, nicht nachgehen kann.
Die soweit wesentliche Information reicht für diesen Artikel aber aus:
- Mit Vegetation kann die Bodenoberflächentemperatur und damit die Wärmestrahlung erheblich gesenkt werden.
- Bodenfeuchte führt zu bei Sonnenenstrahlung wesentlich geringeren Bodenoberflächentemparaturen und damit auch zu einer wesentlich niedrigeren Wärmestrahlung.
Zur Erinnerung. Erst die Wärmestrahlung der Böden führt dazu, dass der Treibhauseffekt zu einer Klimaerwärmung führen kann. Wenn die Erdoberfläche weniger Wärme abstrahlt, weil sie durch die Verdampfung von Wasser oder durch die Bedeckung mit Pflanzen gekühlt wird, dann sinkt der Effekt des Treibhauseffektes und damit auch der Beitrag zur Klimaerwärmung entsprechend.
Wenn man die Niederschläge lokal zurückhält, indem man wie Walter Jehne sich ausdrückt die Böden mit entsprechenden Methoden der Land- und Forstwirtschaft zum wasserspeichernden “Boden-Kohlenstoff-Schwamm” macht, dann kann man wenn die Sonne scheint, das Land und damit auch das Klima effektiv kühlen.
Regen vertreibende Hochdruckgebiete vermeiden
Ein wichtiger Effekt zu hohen Bodenoberflächentemperaturen ist, dass sich dadurch die Luft ausdehnt und dass damit der Luftdruck steigt. Wenn ganze Landstriche, Länder oder sogar Kontinente im Mittel zu hohe Bodenoberflächentemperaturen haben, entstehen Hochdruckgebiete. Die heiße Luft vom Land strömt dann durch den höheren Luftdruck in Richtung Ozeane, wo sie deren Wasser erwärmt und dort zusätzliche Energie zuführt, die dann z.B. Tropenstürme aufladen. Wenn stattdessen die Oberflächentemperatur über dem Land dank Verdunstung und Vegetation relativ niedrig ist, dann können sich leichter Druckgefälle aufbauen, die Regenwolken vom Meer zum Land transportieren.
Fazit
Das mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit sehr reale Problem der Klimaerwärmung der zunehmenden Extremwetterlagen kann mit dem von dem Medien und der Politik favorisiertem Mittel der Reduzierung der CO2-Emissionen nicht wirksam angegangen werden. Vielmehr wird die aktuelle Klimapolitik Deutschland und Europa absehbar und völlig unnötig in eine wirtschaftliche und damit wohl auch soziale und humanitäre Katastrophe stürzen (siehe dazu auch meinen Artikel Zum Thema CO2-Bepreisung. [42]
Darüber hinaus braucht man keine internationalen Verträge, Konferenzen für den Klimaschutz, sondern man kann sehr effektiv und kostengünstig auf lokaler und nationaler Ebene etwas gegen die Klimaerwärmung tun. Siehe dazu auch schon meinen Artikel Wirksamer Klimaschutz ist Gemeinde- und Ländersache [43] und die dort verlinkten Artikel, Interviews und Vorträge.
Das was ich hier in Deutschland im 2019 in Sache Klimaschutz erlebt habe ist deprimierend. Ob sich 2020 etwas bessert bleibt abzuwarten. Die Mittel und Möglichkeiten sind jedenfalls vorhanden.
Kelberg, den 1.1.2020
Christoph Becker
