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Astronomie in 365 Tagen: Tag 71 (Klimawandel)

Von / 12. März 2019 / 16 Kommentare
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Die Sonne erwärmt die Erde; die Erde gibt die Wärme wieder ins All ab. Aufgrund ihres Abstands zur Sonne sollte die Erde eine Durchschnittstemperatur von -18 Grad Celsius haben. Dass es bei uns deutlich wärmer ist, liegt an unserer Atmosphäre.
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Text Tag 71

Tag 71/365: Die Sonne erwärmt die Erde; die Erde gibt die Wärme wieder ins All ab. Aufgrund ihres Abstands zur Sonne sollte die Erde eine Durchschnittstemperatur von -18 Grad Celsius haben. Dass es bei uns deutlich wärmer ist, liegt an unserer Atmosphäre.

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Kommentare (16)

  1. #1 Stephan
    13. März 2019

    Die Erde müßte eine Temperatur von -18°C haben.

  2. #2 Florian Freistetter
    13. März 2019

    @Stephan: Steht da, ja.

  3. #3 Wizzy
    13. März 2019

    Frage: Wenn das so ist, warum hat dann der Mond mit der niedrigeren Albedo von 0,136 (er ist also schwärzer als die Erde und nimmt mehr Sonnenlicht auf) eine Durchschnittstemperatur von ca. -50°C (die englische Wikipedia sagt das sogar für den Mond-Äquator, und für höhere Breiten noch niedrigere Werte), obwohl er sogar noch etwas mehr Energie durch Erd-Schein bekommt? Der Abstand zur Sonne ist praktisch genau gleich, der Orbit um die Erde ändert nichts Wesentliches.

    Ich vermute das hängt damit zusammen, dass die obige Strahlungstemperaturberechnung für homogene Scheiben anstatt für Kugeln gemacht wird. Der Fehler kommt daher, dass die Abstrahlung sehr stark nicht linear von der örtlichen Temperatur abhängt. Damit wirkt die Atmosphäre wohl noch erwärmender als +33°C, und zwar durch Wärmetransport und Homogenisierung der Tag- und Nachtseitentemperatur und breitenabhängigen Temperatur.

  4. #4 Bullet
    13. März 2019

    @Wizzy:

    warum hat dann der Mond mit der niedrigeren Albedo von 0,136 […] eine Durchschnittstemperatur von ca. -50°C[…], obwohl er sogar noch etwas mehr Energie durch Erd-Schein bekommt?

    Hm. Die absolute Wärmekapazität eines Körpers hängt vom Volumen ab, seine Radiationsfähigkeit aber von der Oberfläche. Tiere, die in Polarnähe leben, sind deswegen größer als ihre tropischen Verwandten, weil sie durch das massiv höhere Körpervolumen geringere Wärmeverluste haben.
    Übertragen wir das auf Mond und Erde, heißt das: der Mond kann auf seiner Nachtseite im Vergleich zu einer atmosphärenlosen Erde einen viel größeren Teil seiner empfangenen Wärme wieder abstrahlen. Daher ist er im Mittel kälter.

  5. #5 Wizzy
    13. März 2019

    Nein, das Verhältnis zwischen empfangender Fläche und abstrahlender Fläche ist immer 1/4 (πr²/4πr²) bei sphärischen Körpern. Die Größe spielt für die Gleichgewichtstemperatur keine Rolle. Außer bei sehr kleinen Körpern, wenn Wärmeleitung zwischen den Breiten stattfinden kann. Ebenso wenig das Volumen bzw. innere Wärmequellen im Falle der Erde und des Mondes – deren Beitrag ist vernachlässigbar klein, nämlich bei der Erde 70 mW/m² gegenüber rund 250 W/m² durch die Sonne.

  6. #6 Wizzy
    13. März 2019

    Die 250 W/m² sind auf die Oberfläche runter gerechnet, zum Vergleich mit dem Wärmefluss der auch pro Oberflächeneinheit gemessen wird. Sowohl Erde als auch Mond empfangen insgesamt 1367 W/m² * πr² * (1-jew. Albedo) und strahlen recht genau denselben Betrag über ihre Oberfläche von 4πr² wieder ab. Im Fall der Erde strahlt diese derzeit ein klein bisschen weniger wegen der globalen Erwärmung, aber auch das macht bezüglich meiner Anmerkung keinen Unteschied.

  7. #7 Wizzy
    13. März 2019

    Noch eine Korrektur zu meinem #3. Die Strahlungstemperatur eines Körpers wird gemeinhin mit einer empfangenen Scheibe und einer abstrahlenden Kugel gerechnet. Ich vermute den Unterschied in Beobachtung und Theorie allein in der Inhomogenität der Oberflächentemperatur, weil die Abstrahlung proportional zu T^4 ist. Konkret strahlt ein Körper locker genug ab, wenn einzelne Regionen sehr heiß sind, auch wenn die Durchschnittstemperatur sehr niedrig ist. Und das ist beim Mond der Fall, denn der subsolare Punkt wird viel heißer als auf der Erde.
    Mit anderen Worten: Die Atmosphäre hebt die Durchschnittstemperatur allein durch konvektiven Ausgleich von Temperaturextremen, selbst wenn man den Treibhauseffekt zunächst außen vor lässt (dieser trägt dann zusätzlich bei).

  8. #8 Bullet
    13. März 2019

    Nein, das Verhältnis zwischen empfangender Fläche und abstrahlender Fläche ist immer 1/4 (πr²/4πr²) bei sphärischen Körpern. Die Größe spielt für die Gleichgewichtstemperatur keine Rolle.

    Oh, ich war da noch auf einem falschen Dampfer – zumindest telweise. Analog zu den Polartieren, die eine innere Energieumsetzung haben, hat nämlich die Erde einen flüssigen Kern. Die Erde gibt mehr Energie ab, als sie von der Sonne bekommt. Die kommt aus der Kontraktion, die wiederum aus dem etwas stärkeren Schwerefeld betrieben wird.

    Der Mond hat sowas nicht mehr. Weil er kleiner ist und daher das Verhältnis Volumen/Oberfläche nicht so ungünstig ist. Daher mag es zwar sein, daß die Größe für die Gleichgewichtstemperatur keine Rolle spielt – aber die Erde befindet sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht. Der Mond schon eher.

  9. #9 Alderamin
    13. März 2019

    @Wizzy

    Vielleicht spielt die Rotationsgeschwindigkeit eine Rolle. Der Mond rotiert sehr langsam und kühlt auf seiner Nachtseite sehr stark ab. Eine schneller rotierende Erde würde nachts weniger abkühlen.

    Der Effekt dürfte aber nicht symmetrisch auf der Tagseite ablaufen, da eben die Abstrahlung mit T^4 zunimmt: der Mond wird also nicht doppelt so heiß während des Mondtages, wenn er halb so schnell rotiert, sondern die Temperatur steigt nur ein wenig. Im Mittel zwischen Tag- und Nachttemperatur ergibt sich bei langsamerer Rotation ein kälterer Durchschnitt (vom Mond gegenüber der Erde).

    Meine Mutmaßung.

  10. #10 Wizzy
    13. März 2019

    @Alderamin

    Guter Hinweis, ich stimme zu, das halte ich auch für einen Teil der Erklärung.
    Allerdings trägt die Atmosphäre ganz sicher zur Temperaturverteilung bei: Beispiel Venus, die rotiert noch langsamer als der Mond, hat aber eine nahezu homogene Oberflächentemperatur aufgrund der Atmosphäre – wobei natürlich die örtliche “top-of-atmosphere” Strahlungstemperatur eigentlich das hier wichtige Maß ist. Aber auch die ist im Fall Venus bezüglich Tag- und Nachtseite ungemein homogener als beim Mond. Allgemein stolpert man immer wieder mal in Solar-System- und Exoplanet-Papern über die Temperatur-ausgleichende Wirkung jeder Atmosphäre (das gilt nicht nur für die Höhenbereiche unter einer Atmosphärenschicht, sondern auch für die oben gemessene Strahlungstemperatur, durch den grundsätzlich ausgleichend wirkenden konvektiven Wärmentransport), wobei der Effekt mit der Atmosphärendichte zunimmt.

    Ganz andere Anmerkung: Die -50°C für den Mondäquator aus der englischen Wikipedia beziehen sich auf Vasavada et al. (1999). “Near-Surface Temperatures on Mercury and the Moon and the Stability of Polar Ice Deposits”.
    Das NASA Fact Sheet nennt hingegen -20°C für den Durchschnitt der Mondtemperatur. Allerdings nennt die NASA -3°C für den Mond als homogenisierte Gleichgewichts-Strahlungstemperatur, das heißt eine zu erklärende Diskrepanz gibt es in jedem Fall.

  11. #11 Wizzy
    13. März 2019

    @Bullet
    Dein grundsätzlicher Gedankengang ist schön aus meiner Sicht, aber wahrscheinlich hast Du meinen Kommentar #5 nicht gelesen vor dem Abschicken. Der gesamte gemittelte Erdwärmestrom, der übrigens laut Literatur zu 50% – 70% aus radioaktiven Prozessen stammt, ist schlicht viel zu klein/langsam – daher auch die sich über Jahrmilliarden hinziehende Abkühlung primordialer Wärme -, um für die Oberflächentemperatur oder Abstrahlung irgendeine Rolle zu spielen. Ausnahmen sind eng lokalisiert, wenn ich direkt auf dem aktiven Vulkanschlot / Lavastrom sitze. Solche Flächen sind global gesehen aber anteilmäßig winzig.
    Der geringe Wärmestrom ist noch in einem anderen Diskussionsfeld wichtig: Erdwärmekraft im großen Stil kühlt langfristig gesehen den Untergrund ab, da Wärme nur sehr langsam nachkommt.

  12. #12 Micha
    Nürnberg
    14. März 2019

    Mich würde interessieren, welche Auswirkung auf die Temperatur eine ähnlich dichte Atmosphäre auf dem Mars hätte.

  13. #13 Wizzy
    14. März 2019

    @Micha
    Für die Oberflächentemperatur hat eine Atmosphäre immer eine stark erwärmende Wirkung. Auf dem Mars ist der Treibhauseffekt bei sehr dünner Atmosphäre (rund 1% der Erdatmosphäre je Flächeneinheit) berechnete +2°C (empirisch +1°C bis +5°C). Den Beitrag des Temperatur-ausgleichenden Atmosphäreneffektes zur Durchschnittstemperatur kann ich nicht so einfach quantifizieren.
    Allerdings wäre der Treibhauseffekt auch bei künstlich eingeführtem irdischen Atmosphärendruck + -zusammensetzung schwächer als auf der Erde, weil der Treibhauseffekt auch von der Abstrahlungsleistung der Planetenoberfläche abhängt (die auf dem Mars wegen der Sonnenferne geringer wäre). “Beheben” könnte man dies mit einem deutlich größeren CO2-, Wasserdampf-, Methan-, und/oder andere Treibhausgas-Anteile der Atmosphäre, damit könnte man dann die Erdtemperatur sogar übertreffen, das erforderte also Feintuning. Problem ist sicherlich, dass wir die Atmosphäre zwar atmen könnten, aber sowohl bei erhöhtem (sonst ungiftigem) CO2 als auch Methan gibt es vereinzelte Evidenz, dass erhöhte Werte uns Menschen beeinträchtigen (z.B. CO2 ab ca. 800 ppm schränkt möglicherweise die geistige Leistungsfähigkeit geringfügig ein, unsichere Evidenz aus einer Studie, die für weit über 1000 ppm einen noch deutlicheren Effekt bei menschlichen Testpersonen fand; wenn das zutrifft, wäre Methan nach derzeitigem Wissen sogar harmloser).

  14. #14 Micha
    Nürnberg
    14. März 2019

    @Wizzy

    Danke für die Antwort. Hatte bei der Fragestellung irgendwie den Film Total Recall im Hinterkopf. Also das Orginal, nicht das Remake. Finde die Vorstellung das sowas in ferner Zukunft möglich sein könnte schon sehr spannend. Auch wenn das beim derzeitigen Stand der Technik wohl sehr sehr weit in der Zukunft wäre.

    Fraglich wäre ja auch, ob der Mars eine solche künstliche Atmosphäre dann auch halten könnte oder ob man da nicht doch immer wieder ´”nachfüllen” müsste.

  15. #15 Moreno
    16. März 2019

    + 15 Grad mit Atmosphäre.

  16. #16 Florian Freistetter
    16. März 2019

    Hu – ich hätt schon gedacht die Klimawandelleugner lesen mein Blog nicht mehr. Aber ist ja doch noch einer aufgetaucht…

    P.S. Siehe zu dem Verwirrspiel der Klimawandelleugner und AFD-Politiker in dem Video auch hier: https://scilogs.spektrum.de/klimalounge/verwirrspiel-um-die-absolute-globale-mitteltemperatur/