Just in case: Der unten stehende Artikel wurde vom “Godfather des Klimabloggings” Eli ins Englische übersetzt. Zu lesen hier.

In der letzten Januar-Ausgabe von Science kam ein Paper von der ehemaligen IPCC Working Group I Vize-Direktorin Susan Solomon und Mitarbeitern zum Einfluss stratosphärischen Wasserdampfs (SWD) heraus. Es wurde mehrere Male sehr sinnvoll kommentiert (hier und hier ) und ich komme später noch dazu, wann und warum es meist nicht so sinnvoll kommentiert wurde. Wie üblich ist die letztere Art von Kommentaren weit in der Überzahl.
Nun gut: Wasserdampf in der Atmosphäre. Jedem ist klar, bei einem Aufstieg zu höheren Luftschichten kühlt die Luft ab und muss daher trockener werden. Gäbe es kein Wasser auf Erden aber alle anderen Treibhausgase, so wären wir mit einem Temperaturgradienten von ungefähr ~10°C/km konfrontiert (man spricht vom trocken-adiabatischen Gradienten , so aber kondensiert die angehobene Luft und setzt dabei Wärme frei, was den tatsächlich beobachten Gradienten auf ~6.5°C/km herabsetzt (der feucht-adiabatische Gradient). Ich bin mir nicht ganz sicher, was genau die Troposphäre definiert , aber ein entscheidendes Merkmal ist eben die Gültigkeit des feucht-adiabatischen Anstiegs, der in Höhen bis etwa 10-12km gilt.

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Bild 1: Radiosonden Profile der Konzentration des Wasserdampfs gemessen von Georges Durry und Mitarbeitern von der Universität Reims mit eine IR Laserabsorptionsspektrometer.


Was passiert aber eigentlich mit dem Wasser oberhalb der Troposphäre? Gibt’s da überhaupt noch Wasser, wenn ja wieviel und ist das von irgendeiner Bedeutung? Die Kollegen der Universität Reims haben mal einen Ballon aufsteigen lassen und ein Laser-Spektrometer mit drangehangen (das kann man natürlich auch mit klassischen Hygrometern machen), um das herauszubekommen. Achtung, die Konzentrationsachse in Bild 1 ist logarithmisch. Die Konzentration von Wasserdampf sinkt also von ca. 10.000 ppm auf ca. 3 ppm auf 15km Höhe ab, so gut wie nichts. Dann aber steigt der Wasserdampfgehalt seltsamerweise wieder an.

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Bild 2: Schema der Prozesse, die einen Austausch zwischen Stratosphäre und Troposphäre bewirken. Entnommen der Heidelberger Doktorarbeit von Frank Weidner.

Nun, in der Stratosphäre hat der Wasserdampf zwei Quellen, einmal natürlich der Transport durch die Tropopause, der Grenzschicht zwischen Tropo- und Stratosphäre, hindurch (siehe Bild 2 ). Hört sich leicht an, ist es aber nicht. Der Transport erfolgt hauptsächlich in den Tropen in teils sehr abrupten kurzfristigen Ereignissen, wie etwa sehr intensiver Konvektion, die bisweilen auf über 15km hochschiesst, oder in sogenannten Tropopausenfaltungen, in denen stratosphärische und darunterliegende troposphärische Luft sich innig umschlingen und austauschen. Bild 3 zeigt ein Beispiel solch einer Absenkung der Tropopause längs einer Frontalzone im Nordatlantik. Da wo sehr trockene stratosphärische Luft in die Troposphäre gemischt wird, wird es plötzlich dunkel, d.h. trocken, auf dem Satellitenbild. Allgemein wird angenommen, dass der meiste Wasserdampf durch die tropische Tropopause, also der kältesten Stelle der Troposphäre, in die Stratosphäre gelangt.

Die zweite Quelle des Wasserdampf ist die photo-chemische Zersetzung Methans in der Stratosphäre und da die erst in wirklich grosser Höhe in Schwung kommt, erklärt sich die nach oben zunehmende Konzentration des Wasserdampfs in Bild 1. Gäbe es keine Methanoxidation, wäre der Wasserdampfgehalt annähernd konstant. Wer mehr zur Methanchemie in der Stratosphäre wissen will, der lese hier beim Godfather allen Klimabloggings, Eli Rabett, die Details nach. Vorsicht! Nichts für Skeptiker: Sehr lehrreich.

Man schätzt den Beitrag des Methans am stratosphärischen Wasserdampf so auf 30% (siehe auch Bild 1 mit einem Anstieg von ~4ppm auf ~5.5ppm von der unteren zur hohen Stratosphäre) und da der Methangehalt mit steigender Viehhaltung, Abfallhalden und Reisanbau die meiste Zeit im 20ten Jhd. angestiegen ist und allgemein erwartet wird, dass er auch weiter ansteigen wird, so darf man also auf einen langfristigen Anstieg des SWD zählen, immer angenommen alles andere bliebe gleich.

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Bild 3:
Tropopausenfaltung. Die extrem trockene stratosphärische Luft wird in die Troposphäre gemischt und führt zu diesem “schwarzen Loch” in der Wasserdampfkonzentration. Meteosat Bild des ZAMG gefunden hier.

Aber bleibt alles andere gleich? Es könnten mehr oder weniger Tropopausenfaltungen geben, mehr oder weniger intensive Konvektion in den Tropen. Aber vor allem könnte sich die “cold trap”, also die extrem kalte Zoone an der tropischen Tropopausengrenze, durch die der meiste Wasserdampf durch muss, um in die STratosphäre zu gelangen, erwärmen. Kurz, man braucht Langzeitbeobachtungen aus der Stratosphäre um etwas verlässliches sagen zu können. In ihrem Science Paper haben Susan Solomon und Kollegen mal ein paar Datensätze zusammengetragen. Bild 4 zeigt z.B. den meines Wissens nach längsten Radiosonden Wasserdampf-Datensatz aus Boulder zusammen mit verschiedenen Satellitendatensätzen. Dass Boulder in Colorado immer nur an einer Stelle gemessen hat, wird dabei nicht als so grosses Problem gesehen. Die Stratosphäre gilt, was den Wasserdampf angeht, als recht gut durchmischt. So können wir also diese Punktmessungen aus Colorado mit allen möglichen geographischen Mitteln aus Satellitenbeobachtungen (HALOE und SAGE ) vergleichen. Schlussfolgerung von all dem: Der SWD ging erst zwanzig Jahre rauf und seit 2000 wieder leicht zurück.

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Bild 4: Verschiedene Beobachtungsdatensätze des stratosphärischen Wasserdampfs. Der Radiosonden-Datensatz aus Boulder und zwei Satelliten-Datensätze.

So what? Mag man fragen, denn es handelt sich ja nun weiss Gott um winzige Konzentrationänderungen des SWD (Grössenordnung 1ppm). Ja richtig, da war doch was. Wasserdampf absorbiert und emittiert im Infraroten genau wie die klassischen Treibhausgase CO2, CH2 und N2O und die 20% des SWD in Bild 4 mag ja einen wichtigen Einfluss haben. Leider würde es jetzt wirklich kompliziert, wenn ich versuchte, auf das Thema “Treibhausgase und ihre Wirkung auf die Stratosphäre” einzugehen. Schon mal soviel: Es kommt höllisch auf technische Details an. An sich wird die infrarote Abstrahlung der Erde durch den Anstieg der Treibhausgase (THGs) zurückgehalten, so dass der “erste” Effekt steigender THG eine Abkühlung der unteren Stratosphäre darstellt. Zu dem erhöht man dort durch das Hinzufügen von THGs in die Stratosphäre die Abstrahler, so dass die entsprechende Schichten effektiver radiativ auskühlen können. Diese Abkühlung der Stratosphäre erfolgt sehr schnell, da die Temperaturgradienten der Stratosphäre fast vollständig vom Strahlungstransport bestimmt sind.

Doch es gibt noch eine zweite langfristige Wirkung steigender Treibhausgaskonzentrationen. Richtig! Da IR Strahlung in der Troposphäre vermehrt in Wärme umgesetzt wird, erwärmt sich die Troposphäre, welche dafür ziemlich lange braucht (Ozeane, Gletscherschmelze, Meereis, das ganze Gedöns braucht halt seine Zeit), um ein neues Strahlungsgleichgewicht zu erreichen. Nachdem also die THGs in einem ersten Schritt durch Abschirmen von Infrarot-Strahlung die Stratosphäre abkühlten, so erwärmen sie doch auch auf einer längeren Zeitskala (~10 Jahre) die Troposphäre und erhöhen so in einem zweiten Schritt zumindest für die untere Stratosphäre den einkommenden Wärmefluss. Der erste abkühlende Effekt wird also wieder etwas abgeschwächt. Wieviel genau kann man sich nicht einfach so überlegen. Dafür braucht man schon ein detailliertes Line-by-Line Strahlungstransportmodell.

Doch das ist leider noch nicht alles. Was ich im vorigen Abschnitt zu den THGs erzählt habe, gilt in Wahrheit nur für das CO2. Seine Hauptabsorptionslinie bei 15 mikro-metern ist beim Strahlungstransport schon nach wenigen Metern stark gesättigt, so dass die untere Stratosphäre in den CO2 Banden ohnehin nur Strahlung aus der kalten oberen Troposphäre erhält. Dort funktioniert der oben erwähnte Abschirmungsmechanismus der THGs. Beim Methan und dem N2O aber, sieht die Sache anders aus. Im Absorptions/Emissionsbereich dieser beiden Molekühle gelangt Strahlung direkt aus der warmen unteren Troposphäre in die unteren Stratosphäre an. Eine Konzentrationserhöhung dieser beiden Gase hat so gut wie keinen Effekt auf die Nettobilanz der Stratosphäre. Einerseits gibt es mehr IR aus unteren Schichten zu absorbieren, andererseits gibt es mehr Abstrahler.

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Bild 5: Beobachtete und berechnete Erwärmung der letzten dreissig Jahre. Das benutzte einfache Klimamodell wurde einmal mit dem bekannten Trend der Treibhausgase angetrieben (gepunktete Linie), dann zusätlich mit dem SWD Anteil der letzten 8 Jahre (rot) und dann mit dem gesamten Datensatz des SWD seit Beginn der 80er Jahre (Blau). Die Beobachtungen der Oberflächentemperaturen (NCDC, CRU und GISS) sind in grün angegeben.

Und wie sieht es mit dem Wasserdampf in der Stratosphäre aus? Auch der SWD trägt als effektiver Abstrahler zum verstärkten radiativen Auskühlen der Stratosphäre und zum Aufwärmen der Troposphäre bei. Wasser ist in der Atmosphäre nicht gut durchmischt (offensichtlich: siehe Bild 1) und jedes Wassermolekül in der hohen Troposphäre, respektive unteren Stratosphäre, ist ein sehr effektiver Infrarot Absorber/Emitter. Solomon errechnet ein Strahlungsforcing des SWD von ca. +0.25W/m2 im Zeitraum 1980-2000 und ca -0.1W/m2 seitdem. Zum Vergleich: der Anstieg des CO2 über den gleichen Zeitraum beträgt 0.36W/m2 für 1980-2000 und 0.26/m2 seitdem. Solomon schmeisst dieses Strahlungsforcing dann in ein einfaches Klimamodell um den Einfluss dieses Forcings zu beziffern und kommt auf einen Beitrag der SWDs von 30% zur beobachteten Erwärmung seit Beginn der 80er und einen Beitrag zum flachen Verlauf der Temperaturen seit etwa 2000 (siehe Bild 5).

Für mich kam das Paper genau im richtigen Moment. Ich suchte noch den richtigen Punch für ein Proposal, was sich auch um den Wasserdampf und dessen Beobachtung durch Satelliten dreht, und hier war er, der Punch. Es kommt mit einem kräftigen Klimaeffekt für den SWD daher und lässt vor allem eine wichtige Frage offen (immer wichtig für Proposals: offene Fragen!). Hat die beobachtete Variabilität der SWDs etwas mit den Treibhausgasen und der globalen Erwärmung zu tun, oder handelt es sich einfach um natürliche dekadische Variabilität? Zumindest ein anthropogener Einfluss auf die SWDs ist sicher kaum bestritten, nämlich, dass es bei mehr Methan mehr vom Oxidationsprodukt Wasser in der Stratosphäre geben muss. Aber ansonsten? Solomon lässt diese Frage wirklich offen, reichlich Futter für zukünftige Forschungsprojekte.

Und die (Pseudo)Skeptiker? Und die Presse? Obwohl Solomons Paper in Science veröffentlich wurde, hätte ich nicht gedacht, dass das Thema irgendeinen von den Nutters gross interessieren würde, schon gar nicht die Tagespresse. Aber mittlerweile geht immer was. Hier ein paar lustige Interpretationen aus dem Lala-Land: Wasserdampf macht das Klima, nicht CO2 , A new study authored by Susan Solomon, could explain why atmospheric carbon is not contributing to warming significantly.
Sicher am ehesten überrascht, war ich, Solomons Arbeit in einem Zeitartikel von Jürgen Krönig wiederzufinden. Und zwar nicht in einem Artikel, der sich konkret mit Stratosphärenforschung beschäftigte, sondern in einem der vielen Artikel, in dem all die Journalisten, die niemals in den IPCC Bericht hineigeschaut haben, ihr Entsetzen darüber ausdrücken, dass auf Seite 800 oder so das Verschwinden der Himalaya Gletscher falsch prognostiziert wurde. Mitten in diesem Diskurs, der die Abschaffung des IPCCs und die Fusilierung von Pachauri erörtert, taucht zu meinem masslosen Erstaunen folgender Satz auf:

“Neue Erkenntnisse könnten sie Situation weiter verschlechtern. Eine neue Studie, veröffentlicht in Science, zeigt, dass die Klimamodelle des IPCC die Rolle des Wasserdampfes, des wichtigsten Treibhausgases, vernachlässigt haben. In der Stratosphäre ging der Anteil des Wasserdampfes um 10 Prozent zurück, was den Grad des Temperaturanstiegs um 25 Prozent reduziert”

Die Klimamodelle vernachlässigen den Wasserdampf, sage Solomon? Klar, und Roger Federer vernachlässigt seine Vorhand. Und wie durch Zufall referiert Krönig auf die Entwicklung von 2000 bis 2007 mit dem Rückgang des SWDs und des entsprechenden Forcings (-0.1W/m2 siehe oben) ohne weiter zu betrachten, dass gemäss dem gleichen Solomon Paper der Gesamteffekt des SWDs von 1980 bis heute (siehe Bild 5 oben) die Treibhausgasbedingte Erwärmung noch verstärkt hat. Da hat sich aber der Krönig mächtig bei der Bewerbung zum Klimaschmock des Monats Januar ins Zeug gelegt.

Kommentare (22)

  1. #1 JV
    Februar 11, 2010

    Die Bilder sind falsch benannt. Bild 5 fehlt. 😉
    Danke. Korrigiert. Mein Gott seit ihr schnell.

  2. #2 Martin
    Februar 11, 2010

    Danke für die Erläuterungen! Sehe ich es richtig, dass Abb. 4 den Wasserdampfgehalt der unteren Stratosphäre zeigt? Wie ist es mit der höheren Stratosphäre wo die Methanoxidation hauptsächlich stattfindet. Ist dort auch eine Abnahme in den letzten Jahren zu beobachten?

    Beim Klimaschmock muss ich dir entschieden widersprechen, da stehen auf meiner Liste alle diejenigen Skeptiker, die meinten, Sir John Houghton habe 1994 “Unless we announce disasters, no one will listen” gesagt 🙂
    siehe: http://klimakrise.de/2010/02/11/unless-we-announce-disasters-no-one-will-listen/

  3. #3 Georg Hoffmann
    Februar 11, 2010

    @Martin
    Danke.
    Zumindest diese Satelliten haben wohl nicht die noetige Aufloesung. Wollen die Satelliten vertikale Aufoesung, muessen sie laengs der Erdatmosphaere schauen, dann haben sie aber keine horizontale Aufloesung mehr. Man muss da einen Kompromiss finden.
    Hier ist die Beschreibung des neuen SAGE Spektrometers
    http://www-sage3.larc.nasa.gov/about/instrument.php

    Ausserdem wird die mittlere und hoehere Stratosphaere zunehmend weniger wichtig für die Erdoeberflaeche, unter anderem weil der Temperaturgradient in der Stratosphaere invertiert ist (es also waermer mit der Hoehe wird).

    Nund, viele Worte um zu sagen: Ich weiss es nicht, kann aber mal nachfragen…

  4. #4 Martin2
    Februar 11, 2010

    @Georg
    Da hier bereits ein Martin kommentiert hat, bin ich heute mal Martin2.

    Endlich mal wieder ein Klimaartikel von Dir! Diesmal ein wenig kniffelig. Die THG sorgen mal für Erwärmung mal für Kühlung, je nachdem, wo sie sind. Ich glaube ich lese mir Morgen Deinen Artikel erneut durch, wenn ich etwas wacher bin.

    Ich wünsche Dir auf jeden Fall viel Erfolg bei Deinem Proposal.

    Bei Real Climate meint ein Pekka Kostamo, dass Radiosonden bei den tiefen Temperaturen und der geringen Feuchtigkeit der Stratosphäre nicht sehr genau messen. Wie ist hier Deine Erfahrung?

    Auch wenn die folgende Bemerkung am Thema vorbeigeht. Ich habe gelesen, dass der extrem negativer Index der Atlantischen Oszilation daran schuld ist, dass es hier seit Monaten schweinekalt ist. Vielleicht ein Thema für Primaklima?

    Gruß
    Martin2

  5. #5 Georg Hoffmann
    Februar 11, 2010

    @Martin2
    Danke. Ich dachte, alle freuen sich ueber Berichte zur sexuellen Enthaltsamkeit von Footballspielern, aber Stratosphaerentemperaturen kommen anscheinend auch ganz gut.
    Bei klassischen Hygrometern (also die Boulder Serie oben) ist die Qualitaet der Daten sicher heikel.
    Allgemein dazu etwa dieses Beitrag von Steve Sherwood
    http://www.realclimate.org/index.php/archives/2005/08/the-tropical-lapse-rate-quandary/
    und das dazugehoerige Paper:
    http://web.science.unsw.edu.au/%7Estevensherwood/1556.pdf

    Die modernen Messungen mit IR Laser Spektrometrie sind aber mit ziemlicher Sicherheit auch kleine Trends zu diskutieren.

    Die AO ist sicher ein wichtiger Faktor fuer dieses Sch..wetter. Ich bin heute im Schneesturm zur Arbeit geradelt. 8km und bergrauf.

  6. #6 Martin2
    Februar 11, 2010

    @Georg
    Zur Arbeit im Schneesturm geradelt? Hat Verdi auch bei Euch gestreikt?

    8km und bergauf? Von Deinem Foto ausgehend hätte ich Dich nicht so sportlich eingeschätzt. Mit dem dicken Mantel ähnelst Du mehr dem Michelinmännchen 😉 Vielleicht solltest Du es durch ein Bild von Dir auf einem Fahrad (mit Schneeketten) ersetzen?

  7. #7 Georg Hoffmann
    Februar 11, 2010

    @Martin2
    Na ja, 7km flach, und ein km rauf. Und das schaufft auch das Michelinmaennchen noch so eben. Aehh, und Nahverkehr gibts bei uns nicht. Hier ist die Pampa.

  8. #8 martin3
    Februar 12, 2010

    …”ein km rauf”… Ist mir neu, dass es bei Paris 1km hohe Erhebungen gibt.

  9. #9 martin3
    Februar 12, 2010

    Spass beiseite – Georg, hast Du mal überlegt, was ein minimales Modell der 1-d Atmosphäre enthalten muss, damit bei einer Zunahme der Treibhausgase sich die Stratosphäre abkühlt? Kann man dies bereits mit einem 2-Schichtenmodell (Tropo/Strato) und geeigneten IR-Transmissivitäten erreichen? Diese simple Frage eines smarten Studenten meiner Vorlesung hat anschliessend meine Abteilung zur Weissglut gebracht – ohne konkretes Ergebnis (Frag Matthias Cuntz…). Im Zusammenhang mit dem stratosphärischen Wasserdampf aktuell.

  10. #10 Georg Hoffmann
    Februar 12, 2010

    @martin3
    Au Backe, jetzt kommt mein Doktorvater hier an und stellt knifflige Fragen. Jetzt nur kein Mist erzaehlen (nervoeses Fingernaegelkauen).

    Wenn man nur ein zwei Schichtenmodell hat, muss der ganze Strahlungstransport extrem parametrisiet werden. Das sieht zB so aus
    http://www.realclimate.org/index.php/archives/2007/04/learning-from-a-simple-model/
    Nicht dass dieses Model einen Versuch darstellt die Stratosphaere darzustellen (es geht nur um den Treibhauseffekt an sich), aber worauf es mir ankommt, ist, dass der Strahlungstranport vollstaendig in Schichtemissivitaeten reinparametrisiert wird. Alles was ich oben beschrieben habe mit dem unterschiedlichen Effekten unterschiedlicher Treibhausgase auf die Stratosphaere passt da nicht rein. Meines Erachtens braucht man mindestens ein Breitband (besser sicher Line-by-Line)-Radiativ-Convective Model
    Hier zB ein asbach-uraltes Paper von Ramanathan:
    http://ams.allenpress.com/perlserv/?request=get-abstract&doi=10.1175%2F1520-0469%281976%29033%3C1330%3ARTWTET%3E2.0.CO%3B2

    Zum Selbermachen: Geh mal auf David Archers Modtran Server:
    http://geoflop.uchicago.edu/forecast/docs/Projects/modtran.orig.html
    Dann geh mal auf 15 km Hoehe und schau mit dem Sensor nach unten und spiel mit den Treibhausgasen. Das gibt schonmal eine erste Ordnung.

  11. #11 Karl Mistelberger
    Februar 12, 2010

    Mit dem dicken Mantel ähnelst Du mehr dem Michelinmännchen

    Ohne dicken Mantel 🙂

  12. #12 martin3
    Februar 12, 2010

    Georg,

    klar kriegt man den Effekt mit einem 1-d “line-by-line-radiative-convective” model hin. Aber: was sind die minimalen Ingredienzen für ein konsistentes Modell? Braucht man Ozon? Geht es mit einer “grauen” Atmosphäre? Mit nur 2 (oder 3?) Schichten?

    Ich bin auf der Suche nach dem Zen des Treibhauseffekts.

  13. #13 Ebel
    Februar 12, 2010

    @ martin3· 12.02.10 · 00:22 Uhr

    Spass beiseite – Georg, hast Du mal überlegt, was ein minimales Modell …

    Eine einheitliche Atmosphäre mit nur einer Linie – warum bildet sich eine Trennung in Stratosphäre und Troposphäre aus?

    Wenn das klar ist, ergibt sich automatisch die Druckabnahme der Tropopause und Temperaturabnahme der Stratosphäre bei Erhöhung der Treibhausgaskonzentrationen.

    MfG

  14. #14 Wolfgang Flamme
    Februar 13, 2010

    “Eine Konzentrationserhöhung dieser beiden Gase hat so gut wie keinen Effekt auf die Nettobilanz der Stratosphäre. Einerseits gibt es mehr IR aus unteren Schichten zu absorbieren, andererseits gibt es mehr Abstrahler.”

    “(…) andererseits gibt es mehr Abstrahler” – das Argument verstehe ich auch nach mehrmaligem Durchlesen nicht. Ist es nicht so, daß egal um welches strahlungsaktive Gas es sich handelt, es netto immer zu einem THG-Effekt kommen muß, weil aus einer vormals gerichteten Abstrahlung durch die THGs zumindest teilweise eine ungerichtete wird? Nach meinem (rudimentären) Verständnis können THGs der Abstrahlung gewissermaßen höchstens den Weg verlegen, sie aber nicht befördern.

  15. #15 Georg Hoffmann
    Februar 14, 2010

    @Flamme
    Ein neuer Versuch aus anderer Perspektive. Nehmen wir an e gaebe in 10 km Hoehe eine Wunderfolie, die folgendes vollbraechte:
    1) Sie erlaubte 100% Austausch sensibler Waerme, dh die Luftschicht genau ueber und unter der Folie haben die gleiche Temperatur.
    2) Sie trennt GHG von nicht GHGs, das heisst ueber der Folie sind nur O2/N2 und darunter normale Luft.
    3) Sie laesst keine IR Strahlung von unten nach oben durch

    Was passiert wenn man irgendeine GHG aus einer grossen Flasche in diese Schicht gibt? Die Molkuele wuerden sich thermlisch auf die gleiche Temperatur einstellen und anfangen in alle Richtungen abzustrahlen. Die Schicht wuerde auskuehlen und zwar bis zu einer Temperatur, bei der die Emissionen wieder im Gleichgewicht mit dem sensiblen Waermefluss durch die Folie stuende.
    Ein GHG hat also eine Luftschicht abgekuehlt.

    Jetzt kann man mal die EIgenschaften der Folie langsam Richtung realistisch veraendern. Nehmen wir an IR kommt durch, oben und unten sind normale Luft, aber die Folie trennt immer noch bzgl eines bestimmten Treibhausgases, alle anderen gehen durch. Dieses besondere GHGs absorbiert und strahlt im atmosphaerischen Fenster, dh es absorbiert direkt Strahlung von der Erdoberflaeche. Die ist als Strahler deutlich energetischer als die 10km Schicht mit dem besonderen GHGs. Seine Spektrallinien sind voellig ungesaettigt. Durch Hinzufuegen erwaermt sich die Schicht deutlich. Das waere zB der Fall bei den CFCs. Ihre Linien sind absolut nicht gesaettigt und die CFCs in der Stratosphaere sehen direkt Strahlung aus der unteren Troposphaere. CH4 und N2O sind ein bisschen so, aber weniger. Ihre Nettobilanz fuer die Stratosphaere ist nahe null, CFCs waermen sie und CO2 kuehlt.
    Besser?

  16. #16 Wolfgang Flamme
    Februar 14, 2010

    Georg, mit “GHG aus einer grossen Flasche in diese Schicht gibt” meinst Du die Schicht oberhalb der Folie, richtig?

    Nun, in diesem Fall würde ohne THG drüber eben die Oberfläche der Folienbarriere thermische Strahlung emittieren. Und wenn über der Folie noch THG zugesetzt würden, dann hätten wir doch zwischen thermisch emittierender Folie und darüberliegender THG-Schicht grundsätzlich denselben Effekt wie zwischen thermisch emittierender Erdoberfläche und darüberliegender THG-Schicht – und für die behaupten wir ja auch nicht, daß sie netto nichts bewirkt, weil diese hohe Konzentration von Emittenden die Oberfläche so schön kühlen muß?

    Und wenn wir die Folie ‘realistischer’ gestalten und sie als reine Gasaustauschbarierre auffassen, dann wird die Strahlung aus den tieferen Schichten, die ohne THG ungehindert in den Raum abgestrahlt würde, bei Anwesenheit von THG eben zT absorbiert. Das führt dort zu einer Erwärmung und somit zu einer ungerichteten Wärmestrahlung, die teilweise wieder den umgekehrten Weg nimmt.

    Naja, Strahlungsphysik der Atmosphäre ist echt nicht meine Expertise, da mache ich niemandem was vor – es mag gut sein, daß Du recht hast, nur … verstehen tue ich es auf diese Weise nicht. Vielleicht hat ja hier jemand einen anderen Erklärungsansatz, der sich mit meinem Grundlagenverständnis in Einlang bringen läßt?

  17. #17 Martin2
    Februar 17, 2010

    @Georg
    Ich hatte Deinen Link zu Eli Rabetts Artikel über Methanchemie verfolgt. Anschließend bemerkte ich, dass die gleiche Website auch einen Artikel über Wasserdampf in der Stratosphär enthielt. Der Inhalt kam mir immer bekannter vor. Ich konnte es nicht fassen. Da hattest Du doch tatsächlich einen kompletten Artikel stibitzt, ins Deutsche übersetzt und auf Deiner eigene Website kommentarlos veröffentlicht.
    Erst als ich ganz nach oben scrollte, sah ich, dass ich Dich zu unrecht verdächtigt hatte. Eli hatte einfach einen Artikel, der ihn gut gefiel, ganz legal mit Deiner Erlaubnis ins Englische übersetzt. Sehr gut übersetzt, bis auf das Wort Klimachmock, dass er vielleicht nicht kannte.

    Ich habe übrigens noch eine Frage, weil auch ich Schwierkeiten mit einigen Deiner Erläuterungen zur Stratosphäre habe.

    Warum führen die THGs in der Stratosphäre zur Abkühlung?

    Du schreibst, dass sie als Abstrahler wirken. Nur hätte ich gedacht, dass sie nur das abstrahlen, was sie vorher absorbiert haben. Dann gäbe es aber weder eine Abkühlung noch Erwärmung der Stratosphäre.
    Dann habe ich noch überlegt, dass vielleicht überhaupt keine oder nur sehr wenig Strahlung von der Tropospäre (weil dort die THGs ja abschirmen) ankommt, und dass die vorhandene thermische Energie (also Molekülbewegungen der THGs) der Stratosphäre in Form von IR Strahlung abgegeben wird.
    Stimmt das so? Falls nicht, könntest Du es erneut erklären, für Dummies?

  18. #18 Martin
    Februar 20, 2010

    @Martin2:
    Ich finde die beiden Ursachen der Abkühlung der Stratosphäre werden hier sehr gut erklärt:
    http://www.atmosphere.mpg.de/enid/2__Ozon/-_Abkuehlung_1nh.html

  19. #19 Wolfgang Flamme
    Februar 21, 2010

    @Martin

    Meine Frage bezog sich darauf, wie sich die Veränderung der THG-Konzentration (nur) in der Stratosphäre auswirken sollte – und so habe ich auch die Frage von Martin2 aufgefaßt. Georgs Behauptung war:

    “Eine Konzentrationserhöhung dieser beiden Gase hat so gut wie keinen Effekt auf die Nettobilanz der Stratosphäre. Einerseits gibt es mehr IR aus unteren Schichten zu absorbieren, andererseits gibt es mehr Abstrahler.”

    Mir erschien das aus den bereits von mir angeführten Gründen nicht logisch und dem von Dir verlinkten Dokument entnehme ich da eine Aussage, die das zu bestätigen scheint; es heißt dort: “Hinzu kommt, dass Ozon, insbesondere in der unteren Stratosphäre, noch als Treibhausgas wirkt. Nimmt diese Wirkung durch Verringerung der Ozonkonzentration ab, so wird es kühler.”

    D.h. dort wird eine Verringerung der stratosphärischen THG-Konzentration mit stratosphärischer Abkühlung (und umgekehrt eine Vergrößerung mit Erwärmung) in Verbindung gebracht – der Effekt scheint nach dieser Quelle also prinzipiell die gleiche Richtung zu nehmen wie für THG in der Troposphäre auch (was mir auch logisch erscheint).

  20. #20 Georg Hoffmann
    Februar 23, 2010

    @martin2
    Tut mir leid, dass das so lange dauert, aber ich hatte schlimmen dead line stress (gestern bis 3:00) und jetzt ist alles wieder gut.
    Eli hatte mich nach einer Uebersetztung gefragt. Es hat alles seine Ordnung.
    Zu Ihrer Frage

    Du schreibst, dass sie als Abstrahler wirken. Nur hätte ich gedacht, dass sie nur das abstrahlen, was sie vorher absorbiert haben. Dann gäbe es aber weder eine Abkühlung noch Erwärmung der Stratosphäre.
    Dann habe ich noch überlegt, dass vielleicht überhaupt keine oder nur sehr wenig Strahlung von der Tropospäre (weil dort die THGs ja abschirmen) ankommt, und dass die vorhandene thermische Energie (also Molekülbewegungen der THGs) der Stratosphäre in Form von IR Strahlung abgegeben wird.

    Der Link von Martin ist sehr gut zum mpi ist sehr gut. Ich versuchs auch fuer mich nochmal so: Nehmen wir an eine hochgelegene Luftschicht waere zur Erdoberflaeche hin von Strahlung voellig isoliert, sie selbst enthielte aber Treibhausgase. Dann wuerde sie langsam abkuehlen, da die Treibhausase fuer sie der einzige Weg waeren Energie abzugeben. Das nennt man Strahlungauskühlung (radiative cooling http://en.wikipedia.org/wiki/Radiative_cooling). Die ist in der Stratosphaere dominierend, da es dort kaum noch andere Prozesse gibt (latente Waerme, Konvektion etc) um Waerme auszutauschen. Erhoeht man die Konzentration der IR aktiven Gase, kuehlt die entsprechende Luftschicht eben schneller und effektiver aus.

    Bis dahin ist alles klar. Machen wir es etwas realistischer und fuegen das Ozon hinzu. Jetzt absorbiert die Schicht also im Sichtbaren Sonnenenergie. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, zwischen aufgenommener Strahlung (O3) und abgegebener Strahlung (GHGs). Soweit auch noch klar.

    Jetzt heben wir die Bedingung auf, dass diese Schicht keinen Strahlungaustausch mit unteren Luftschichten hat. Jetzt kommt es darauf an (und es wir kompliziert). Nehmen wir an, wie erhoehen die Konzentration der CFCs. Die sind praktisch ungesaettigt in ihren IR Banden. Sie liegen mitten im sogenannten Strahlungsfenster. DH Sie aborbieren Strahlung die einen weiten Weg durch die Atmosphaere gehen konnte, da die Absorptionsbanden ungesaettigt sind. Wenn alos in der Stratosphaere in den CFC Banden absorbiert wird, so wird eben sehr “warme”, “energiereiche” Strahlung aus der unteren Troposphaere absorbiert. Es wird natuerlich auch wieder abgestrahlt von denselben CFCs, aber bei der sehr niedrigen Temperatur der Stratosphaere. Man muss also eine Rechnung anstellen, ob der Absorbtionsgewinn ueber oder dem Emissionsverlust liegt. Bei den CFCs ist es eher ein Gewinn.
    Jetzt erhoehen wir die Konzentration des CO2. Der Transport geht gerade im 660 Wellenzahlen Bereich immer nur einige Meter weit. Der Absorptionsgewinn ist gering. Ferner geht die Abstrahlungshoehe in den CO2 Banden immer weiter hinauf. Die in der Stratosphaere ankommenden Strahlung kommt also aus effektiv noch kaelteren Schichten. In der Summe liegt der Absorptionseffekt unter dem Emissionseffekt. Bei Erhoehung des CO2 verliert die Stratosphaere netto.
    Und bei CH4 und N2O heben sich die verschiedenen Effekte eher gegeneinander weg.
    Interessanterweise hat die stratosphaerische Abkuehlung einen sehr spezifischen CO2 Aspekt (und nicht nur Treibhausgase allgemein).
    Na und richtig schlimm wird es natuerlich wenn man dann noch das Ozon und seine Chemie hinzunimmt. Und natuerlich den hier genannten Wasserdampf.
    Ist es so besser?

  21. #21 Torsten
    März 2, 2010

    Wow,

    harter Tobak. – Klasse Artikel. Ich versuche einfach mal zu folgen, bevor ich diskutiere.

    äLG

    Torsten

  22. #22 Martin2
    März 9, 2010

    @Georg
    Meine Antwort kommt ziemlich spät, weil
    a) ich im Urlaub auf Teneriffa (25°C) war und
    b) meine letzte Antwort aus irgendwelchen Gründen nicht abgespeichert wurde.
    Auf jeden Fall: Vielen Dank für die ausführliche Erklärung!
    Im Moment glaube ich es verstanden zu haben. Zum Glück wird keiner meine Freunde mich zum Thema SWD abfragen.

    @Martin
    Vielen Dank für den Link.