Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München, Germany Neutrino Physics & Astrophysics, 17-21 Sept 2008, Beijing, China
Neutrinos from the Sun
Die Sonne und
das Klima der Erde
Max Camenzind – Würzburg 2019
Inhalt
• Energieerzeugung der Sonne und die Solarkonstante
• Albedo und Planeten-Temperaturen.
• Einfaches Treibhausmodell für die Erdatmosphäre.
• Steuerung des Klimas durch Sonneneinstrahlung die Eiszeitzyklen
• Klimageschichte der Erde
• Frage der Globalen Erwärmung
Strahlung der Sonne
• Energie wird in der Sonne durch Fusion von Wasserstoff in Helium erzeugt (seit 1939):
• Jede Sekunde werden 564 Mio. Tonnen Wasserstoff fusioniert 560 Mio. t Helium!
• Dieser Energievorrat reicht für 11 Mrd. Jahre.
• Abstrahlung von der Oberfläche:
63 MegaWatt/m²
Einstrahlung am Rande der
Erdatmosphäre: 1361 Watt/m² (SORCE)
= Solarkonstante
auf der Erdoberfläche kommt weniger an!
4
Solare & planetare Ausstrahlung
Sonne
Erde
Empfindlichkeit Auge Wega
Rayleigh-Jeans
Wien
Stefan-Boltzmann-Gesetz:
für schwarze Körper gilt:
(ε = α = 1; Kirchhoffsches
Strahlungsgesetz)
für graue Körper gilt:
wegen ε(T) ist P nicht mehr
streng proportional zu T4
für reale Körper müssen ε und
α experimentell bestimmt werden
(ε ≠ α ≠ 1)
P … Strahlungsleistung [W]
A … Fläche
T … Temperatur
σ … Stefan-Boltzmann-Konstante
ε … Emissionsgrad
α … Absorptionsgrad
4ATP
4)( ATTP
= 5,670 x 10-8 W/m²
Grafik: G. Kopp 2016
1,4 W/m²
= 0,1 %
Durchmesser
Venus = 1/30 Sonne
Bedeckung von
0,1% SFläche
TSI = Totale
Solare
Einstrahlung
Totale Solare Einstrahlung TSI
Berechnung der
Leuchtkraft der Sonne
• Die gesamte Strahlung der Sonne durchsetzt
die Oberfläche einer Kugel um die Sonne mit
dem Radius d = 1 AE.
• Unter der Annahme einer homogenen
Strahlungsflussdichte kann die Leuchtkraft
der Sonne durch Messung der
Solarkonstanten bestimmt werden:
2 26
0 0 4 3.9 10 WL S d
Abstrahlung von Oberfläche
• Aus der Leuchtkraft der Sonne folgt ihre
mittlere Strahlungsflussdichte am
Außenrand der Photosphäre:
0photo 2
photo photo
267 2
28
fluxFlux density
area 4
3.9 10 W6.4 10 Wm .
4 6.96 10 m
L
r
Die Sonne in Zahlen
• Sonnenradius: 696.342 km
• Masse: 1,989 × 1030 kg
• Mittlere Dichte: 1,408 g/cm³
• Neigung der Rotationsachse: 7,52°
• Hauptbestandteile: Wasserstoff: 73 %
Helium: 25%
C,N,O,… 2%
• Kerntemperatur: 15,6 Mio. ° K
• Oberflächentemperatur: 5.777 ° K
• Solarkonstante: 1361 W/m²
• Leuchtkraft: 3,846 x 1026 W
• Rotationszeit: 25 - 34 Tage
• Alter: 4,5 Mrd. Jahre
Das Sonnenspektrum
Emissionsvermögen
• Emissionsvermögen oder Emissivität :
Verhältnis der tatsächlichen Ausstrahlung
eines Körpers oder Gasvolumens ER zur
Schwarzkörperstrahlung EBB gleicher
Temperatur
.4TEE
ER
BB
R
Die Temperatur der Planeten
• Die Strahlungstemperatur eines Planeten ist die Temperatur, mit der er strahlen muss, damit die Energiebilanz erfüllt wird:
absorbierte solare Strahlung emittierte planetare Strahlung.
Planetare Albedo
• Planetare Albedo (lat. „Weißheit“) ap,
Reflexionsvermögen eines Planeten: Ein Teil
der Sonnenenergie wird nicht absorbiert,
sondern zurück in den Weltraum reflektiert
und geht daher nicht in die planetare
Energiebilanz ein.
.3.0ErdederAlbedoplanetare pa
(von Satelliten aus gemessene Werte
liegen meist bei 0,30 oder 0,31)
Albedo ? Rückstrahlvermögen
Einige Albedo-Werte
Vergleich Albedo im Sonnensystem
Albedo-Effekte für Klima-Entwicklung
Wenn die Erde total durch Eis bedeckt wäre (sog. Schneeball-Erde), dann würde die Albedo etwa 0,84 betragen, d.h. sie würde die meiste Einstrahlung zurückreflektieren (84 Prozent). Wenn andererseits die Erde nur mit grünen Wäldern bedeckt wäre, würde die Albedo etwa 0,14 betragen (d.h. die meiste Sonneneinstrahlung würde absorbiert). Damit haben Veränderungen in der Wolken-bedeckung, in der Eisbedeckung, Luftverschmutzung oder Veränderungen am Farmland subtile Effekte auf die globale Albedo. Aus Satellitenmessungen seit 1970 wird die Albedo der Erde auf 0,30 geschätzt.
Albedo Satellitenmessung
Ein kugelförmiger Planet blendet aus dem Strahlungsfluss der Sonne gerade die Schattenfläche aus. Die Erde empfängt Sonnenstrahlung nur auf einer Halbkugel und so auf dem Empfänger-Querschnitt RE² einen Strahlungsfluss S0 RE².
Berechnung der Planeten-Temperatur
2
0absorbierte Sonneneinstrahlung 1 .p pS ra
4 2langwellige Austrahlung 4 .e pT r
Für die Schattenfläche eines Planeten mt Radius rp gilt:
Für die Oberfläche eines Planeten mit Radius rp gilt:
Teilen durch rp2 liefert die globale Energiebilanz:
40p1
4e
STa
Schätzung Planetare Temperaturen
04S / 4 1
.p
eTa
• Auflösen der globalen Energiebilanz führt auf
die Strahlungstemperatur eines Planeten:
Einfachstes „globales Energiebilanzmodell“
ohne Treibhauseffekt.
F.0orC-18K255
KmW1067.5
3.014/mW13674
428
2
eT
Bsp.: Strahlungstemperatur der Erde
ohne Treibhauseffekt
• Te = 255 K entspricht globalen Mittel der
Temperatur in ~5000 m Höhe oder bei
~550 hPa “Mitte der Atmosphäre”
• Großteil der Ausstrahlung erfolgt in der
Tat durch Wasserdampf und Wolken
Strahlungsstemperatur der Erde
• Te = 255 K ist viel niedriger als das beobachtete heutige globale Mittel der Oberflächentemperatur Ts von etwa 15°C.
• Treibhauseffekt muss berücksichtigt werden!
• Variable Albedo-Effekte (Eiszeiten) und unterschiedliche Treibhausgaskonzen-trationen (CO2 und Methan) führen zu unterschiedlichen Temperaturen.
Was ist Treibhauseffekt ?
Wie funktioniert ein Treibhaus ?
IR Sonne
Atmosphäre als Treibhaus
Atmosphäre - Stratosphäre
Treibhausgase absorbieren IR-Strahlung
78% absorbiert
Abstrahlung Erde - Atmosphäre
Effekt der Treibhausgase
Die oben erwähnten Spurengase besitzen im langwelligen Spektralbereich, etwa ab einer Wellenlänge von 1,5 µm (1 µm ist 1 Millionstel Meter), das Vermögen, die einfallende Strahlungsenergie aufzunehmen und in die Bewegungsenergie ihrer Moleküle umzusetzen. Sie erwärmen sich also und geben dadurch – ihrer Temperatur und Konzentration entsprechend – wieder Strahlung in die Umgebung ab. Etwa die Hälfte davon ist nach unten gerichtet und erwärmt somit tiefere Luftschichten. In der Fachsprache hat sich für diesen Vorgang der Name Treibhauseffekt eingebürgert. Bis die Menschen die Konzentrationen der Treibhausgase zu beeinflussen begannen, sprach man von einem natürlichen Treibhauseffekt, der stark vom Wasserdampf abhängt. Der anthropogene, also von Menschen verursachte Treibhauseffekt ist die Verstärkung des natürlichen.
Irreführung ?
Die Bezeichnung Treibhauseffekt ist allerdings ein bisschen unglücklich gewählt, denn der Effekt entspricht nicht vollständig demjenigen in einem Wintergarten oder Gewächshaus. Die Glasscheiben des Wintergartens lassen das Sonnenlicht durch, halten aber die langwellige Wärmestrahlung vollständig zurück. Soweit stimmt die Analogie mit der Atmosphäre noch. Außerdem aber verhindern die Glasscheiben als Trennwände die turbulente Vermischung der wärmeren Innen- mit der kälteren Außenluft. Deswegen wird es im Wintergarten sehr warm.
Entscheidend ist … Entscheidend ist die Gaskonzentration, denn sie bestimmt die Aufnahme von Strahlungsenergie (Absorption) und auch deren Abgabe (Emission). Außerdem spielt bei der Emission die Umgebungstemperatur eine entscheidende Rolle. Wenn sich nun aus irgendeinem Grund die Konzentrationen der Treibhausgase ändern, dann ändert sich der Treibhaus-effekt entsprechend. Diese bekannten Gesetzmäßigkeiten werden bei allen Berechnungen des Transports von Strahlungsenergie in der Atmosphäre berücksichtigt. Eine weitere sehr wichtige Rolle spielt dabei das Absorptions-vermögen der einzelnen Gase, das in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung sehr unterschiedlich ausfällt. Wenn die Wirkung von CO2 dem Wert 1 entspricht, dann haben die anderen Treibhausgase – bei gleicher Gasmenge pro Volumeneinheit – die folgenden Wirkungen: CH4 hat die 23fache und N2O die 140fache. Bei den FCKW unterscheidet sich die Wirkung je nach Gas, sie kann bis zum Tausendfachen der CO2-Wirkung betragen. Kürzlich wurde ein neues künstliches Gas entdeckt (NF3 – Stickstofftrifluorid) das in der Elektronikindustrie freigesetzt wird und etwa die 17.000-fache Wirkung auf den Treibhauseffekt hat. Die NF3-Konzentration hat sich während des vergangenen Jahrzehnts offenbar fast verhundertfacht.
Treibhausgase: Wasserdampf, CO2, …
Natürliche Treibhausgase
Durch-lässigkeit der Erdat-mosphäre
IR-Absorption Erdatmosphäre Lässt nur 40 W/m² durch von 398 W/m²
= Abstrahlung von Erdoberfläche (15° C)
Infrarot-Fenster
der Atmosphäre Gemini Teleskop Hawaii
15 µm
Breite CO2-Absorptionslinie
ModTran
Methan-Absorptionslinien
ModTran
Camenzind 2014
CO2-Konzentration: DT = 5,35xlx log(C/C0) W/m²
300 ppm 600 ppm
1200 ppm
Die blaue Kurve ist ein logarithmischer Fit an die HadCRUT4 Daten.
Strahlungsantrieb hängt logarithmisch von der CO2-Konzentration ab –
und nicht linear! Dies folgt aus Strahlungstransportrechnungen.
Der Strahlungsantrieb F nach IPCC
Strahlungsantrieb (engl. radiative forcing) ist ein Maß für die Energiebilanz der Erde durch die von außen einwirkende Strahlung und wird in W/m² gemessen. Der Begriff radiative forcing bzw. climate forcing wurde vom IPCC eingeführt, um im Rahmen der Klimastudien den Einfluss externer Faktoren auf die Strahlungsbilanz bzw. das Klimasystem der Erde zu beschreiben.
48 Hansen 2008 K
orr
ela
tio
n T
reib
ha
usg
ase
– T
em
pera
tur
DT
= l
F ; l
= 0
,75 °
C p
ro W
/m²
Positive Klima-Feedbacks
• Änderungen in Treibhausgasen und
Albedo sind nicht Ursache der
Klimaänderung während der Eiszeiten –
sie erscheinen um mehrere hundert
Jahre verzögert hinter der
Temperaturvariation.
• Treibhausgase und Albedo sind
positive Feedbacks der Klimaänderung.
• CO2 wird vor allem durch Ozeane bei
Erwärmung freigesetzt. 49
Energiebilanz
Die Atmosphäre als idealer schwarzer Körper: Energiefluss eines
Planeten mit einer Atmosphäre, die kurzwellige Strahlung durchlässt,
aber langwellige Strahlung vollständig absorbiert ( = 1).
Die Erde als Treibhaus, = 1
„Glasdach“ Tropopause
4 4 4 42 2s A s eT T T T
Oberflächentemperatur Atmosphärentemperature AT T
4 4 4 40 1 24
p A s s e
ST T T Ta
Energiebilanz für die Atmosphäre:
Energiebilanz für die Erdoberfläche:
Die Oberflächentemperatur (Ts ~ 303 K ~ 30°C) ist
erhöht, weil die Erdoberfläche nicht nur von der
Sonneneinstrahlung, sondern auch von der
atmosphärischen Gegenstrahlung erwärmt wird.
Einschichtiges Treibhausmodell
s. Wikipedia
78% absorbiert
Bei einem perfekten Treibhaus, bei dem keine Strahlung von der Oberfläche entweichen kann, also ε = 1 gilt: Ts = 303 K = 30° C Ta = 254 K = - 18° C Heutige Erde: Für ε = 0,78, was bedeutet, dass 1 – = 22 % der von der Oberfläche emittierten Strahlung direkt ins All entweicht, gilt: Ts = 288,3 K = 15,1° C Ta = 244,5 K = - 30,7° C Die effektive Temperatur ist die Temperatur, die die Strahldichte des ausgehenden Infrarotstrahlungsflusses F charakterisiert, unter der Annahme, dass der Strahler ein perfekter Strahler mit F = σ Te
4 wäre. Te ist damit die Lösung für Ts für den Fall von ε = 0, d.h. Te = -18° C.
Realistischere Treibhausmodelle Dieses einfache, einschichtige Atmosphärenmodell kann unmittelbar in ein mehrschichtiges Atmosphärenmodell umgewandelt werden. Hierfür müssen die Gleichungen für die Temperaturen in eine Reihe gekoppelter Gleichungen für die einzelnen Schichten umgeformt werden. Dieses einfache Modell sagt immer eine mit zunehmender Höhe abnehmende Temperatur voraus und die Temperatur aller Schichten nimmt mit steigender Treibhausgaskonzentration zu. Keine dieser Annahmen ist vollständig realistisch: In der realen Atmosphäre steigen die Temperaturen oberhalb der Tropopause an und bei Erhöhung der Treibhausgas-konzentration wird erwartet und beobachtet, dass die Temperaturen dort (in der Stratosphäre) sinken. Der Grund ist, dass die reale Atmosphäre nicht für alle optischen Wellenlängenbereiche dieselbe Transmissivität besitzt.
Fortsetzung am 3.6.2017
• Energieerzeugung der Sonne und die Solarkonstante
• Albedo bestimmt Planeten-Temperaturen.
• Einfaches Treibhausmodell für die Erdatmosphäre eklärt +15° C Erdtemperatur.
• Steuerung des Klimas durch Sonneneinstrahlung die Eiszeitzyklen
• Zur Klimageschichte der Erde
• Frage der Globalen Erwärmung seit 1860.
Breitenabhängige Einstrahlung
Solare
Ein-
strahlung
an
Tropo-
pause
Lange Tagesdauer
24 h
Solare
Ein-
strahlung
an
Tropo-
pause
-------------
Halbjahr-
mittel
Von Erde absorbierte Leistung
Sommer
Winter Jahresmittel
Klima-Variable: Temperatur
Mittlere jährliche Solarein-strahlung (kWh/m²) Quelle: LUBW
Atmosphäre ein physikalisches
System Messbar!
Spektrometer analysieren vom Weltraum aus ständig die Zusammensetzung der Atmosphäre. Dabei ermitteln Satelliten unter anderem Temperatur und den Gehalt an Spurengasen und Schwebeteilchen in der Atmosphäre. Bild: ESA/Sentinel
Temperatur seit Eiszeit
Größte
Vereisung
Beginnende
Abkühlung
Klima-Geschichte seit Dinosaurier Die letzten 3 Mio. Jahre war Nordkappe vereist
Nördlingen
Eiszeitzyklen
Die schlimmste Vereisung
? Chicxulub
Asteroiden
Chicxulub-Einschlagkrater 15 km Durchmesser Asteroid 200 km Krater
Nördlinger Ries 1,5 km Asteroid 15 Mio a
25 km Krater
El Nino subtrahieren ! Temperatur ist praktisch konstant seit 1998 !
El Nino
Atm
osp
här
isch
e Z
irku
lati
on
„N
orm
alzu
stan
d“
Als Thermokline bezeichnet man den Übergang von Wasserschichten unterschiedlicher Temperatur.
El Nino in Aktion
Temperatur im Pazifik @ El Nino
El Nino und
Wolken
Temperatur-Anomalie der Erde nach IPCC
IPCC 2018
? Projektion eindeutig falsch!!! Ein heißer Sommer macht noch kein Klima! Man warte weitere 30 Jahre ab.
CO2-Anstieg durch Menschen 2100 werden 600 ppm erreicht
Eindeutiger Anstieg seit Industrialisierung
Zentrale Frage Klimaforschung Wissenschaftler sind keine Glaubensbrüder
• Um wieviele Grad erhöht sich die mittlere
Temperatur der Erde bei Verdopplung der
CO2-Konzentration?
• d.h. wenn CO2-Konzentration von 300 ppm
auf 600 ppm steigt (heute bei 420 ppm)?
• um 1,5 - 2° C?
• um 3° C?
• um 5° C?
• Verläuft die Extrapolation linear? – Nein!
Zur Klimadebatte …
• In der Klimadebatte wird oft bezweifelt, dass der
Ausstoß von Kohlendioxid-Molekülen allein für die
Erwärmung der Erde verantwortlich sein kann. Die
Zweifel seien berechtigt, so der Einwand, da das
Erdklima auch von anderen Faktoren, wie der
Sonnenaktivität oder Landnutzungsänderungen,
beeinflusst werde. Der implizite Vorwurf der Kritiker
lautet, Klimawissenschaftler trügen ideologische
Scheuklappen, die es ihnen unmöglich machten,
Alternativen zu den von ihnen akzeptierten Theorien
in den Blick zu bekommen. Der gesellschaftliche
Druck, den Konsens zu akzeptieren, gehe auf Kosten
einer kritischen Rationalität.
… wenn wir alles verbrennen 2000 ppm CO2 10° C wärmer
… von der Menschheit verschont
… von der Menschheit verursacht
Klima-Extrapolation bis 2100 / IPCC
Welchen Anteil hat die Sonne? TSI-Variation mit Sonnenzyklus
Grafik: arXiv:1202.3554
Solares 11 a Minimum
Grafik: arXiv:1811.03464
Kleine Eiszeit Kleine
Eiszeit
Gle
tsch
er-
wac
hst
um
Korrigierte Extrapolation
Sonne und Klima
• Das Klima der Erde hat sich seit ihrer Geburt vor 4,5 Milliarden Jahren drastisch verändert:
• Zu Beginn war die Sonneneinstrahlung 30% schwächer;
• dafür bestand die Atmosphäre praktisch nur aus Kohlendioxid und Stickstoff, so dass ein gewaltiger Treibhauseffekt das Defizit der Einstrahlung wettmachte.
• Das Klima der Erde ähnelte dem der heutigen Venus – sehr warm!
• Fünf Mal wurde das Leben durch Klima-Katastrophen zurück gesetzt.
