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Energiebilanz ist unverzichtbar für Klimaforschung

29.03.2011 von

Quelle: himmelskratzer, flickr.com

Die globale Energiebilanz – die Betrachtung der Energieströme hin zur Erde und davon weg – ermöglicht wichtige Erkenntnisse zu unserem Klimasystem. Sie könnte zu einem unverzichtbaren Instrument der Klimaforschung werden.

Bei allen Fragen und Unsicherheiten zu unserem Klimasystem und dem Klimawandel lohnt es sich, die Erde kurz zu verlassen und von aussen die Energieströme zu betrachten, die unser Planet aufnimmt und abgibt. Die Energieerhaltung zählt zu den Grundprinzipien der Physik. Sollte sich innerhalb unseres Klimasystem etwas ändern, muss dies deshalb zwangsweise einen «Fussabdruck» in der Energiebilanz hinterlassen. Aus diesem Grund könnte die intensivierte Auseinandersetzung mit der globalen Energiebilanz ein unverzichtbares Instrument in der Klimaforschung werden — ein Gedanke, der kürzlich von den Forschern Kevin Trenberth und John Fasullo formuliert wurde¹.

Wie sieht die Energiebilanz aus?

Mit ihrer kurzwelligen Strahlung ist die Sonne der Hauptlieferant von Energie. Ihre Strahlung durchläuft in der Atmosphäre viele Prozesse und wird schliesslich von der Erde aufgenommen. Um im thermischen Gleichgewicht zu bleiben, strahlt die Erde – wie wir alle – langwellige Strahlung ab. Im Gleichgewicht (!) ist die Netto-Strahlung der Erde gleich null: Die Erde gibt gleichviel Energie ab, wie hineinkommt.

Veränderung der atmosphärischen Zusammensetzung führt zu Ungleichgewicht in Strahlungsbilanz

Da sich jedoch die Zusammensetzung der Atmosphäre in den letzten Jahren teils natürlich, jedoch grösstenteils durch anthropogene Einflüsse (v.a. durch Emissionen von Treibhausgasen und Aerosolen) geändert hat, beträgt die Netto-Strahlungsbilanz neuesten Messungen nach nicht mehr null, sondern zirka 0.9 Watt pro Quadratmeter. Das bedeutet, dass die Erde nicht mehr so viel abstrahlt, wie sie aufnimmt. Die zusätzliche Energie von jährlich 1.6×1022 Joule wird zu ungefähr 90% von den Ozeanen aufgenommen. Somit ist die Erwärmung der Ozeane direkt mit der Strahlungsbilanz verbunden.

Kürzlich zeigten John Lyman und Ko-Autoren, dass die Ozeane zwischen 1993 und 2008 durchschnittlich 0.64 Watt pro Quadratmeter aufgenommen haben². Die restlichen 10% der zusätzlichen Energie gehen in die Erwärmung der Landmassen und der Atmosphäre und in Schmelzwärme der Eismassen und Gletscher.

Geoengineering setzt Verständnis der Energiebilanz voraus

Das Klima «lebt» vom Energieaustausch zwischen verschiedenen Bestandteilen des Klimasystems, so zum Beispiel vom Energieaustausch zwischen der Meeresoberfläche und der Atmosphäre, aber auch vom Wärmeaustausch zwischen den Ozeanen und Packeis. Ebenso zentral ist die Betrachtung verschiedener Zeitskalen des Energie-/Wärmeaustauschs. So ist die Wärmeaufnahme der Ozeane ein sehr langwieriger Prozess, der das Klima auch noch in künftigen Jahrzehnten und Jahrhunderten beeinflussen wird. Die Wolkenbildungen und somit das regionale Wetter hängen hingegen von kurzfristigen Änderungen der Energieflüsse ab.

Als Beispiel für die Wichtigkeit von Energiebetrachtungen erwähnen Trenberth und Fasullo das «Geoengineering» (siehe auch Blogbeitrag «Geoengineering – ein gefährliches Spiel mit Aerosolen?» >hier). Ein solcher Eingriff in die Wirkungsweise unseres Klimas setzt ein angemessenes Verständnis der Energiebilanz voraus. Wir sehen also: Die Energiebilanz ist des Pudels Kern.

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¹Trenberth, Kevin E., John T. Fasullo, 2010: Tracking Earth‘s Energy. Science, 328 (5976), 316–317

²Lyman, John M. et al., 2010: Robust warming of the global upper ocean. Nature, 465, 334-337

Zum Autor

Markus Huber schreibt seine Doktorarbeit im Gebiet der Klimaphysik an der ETH Zürich. Persönliches Zitat und Biografie.

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Kommentare (8) >Alle Kommentare aufklappen>Alle Kommentare zuklappen

„beträgt die Netto-Strahlungsbilanz neuesten Messungen nach nicht mehr null, sondern zirka 0.9 Watt pro Quadratmeter.“

Wo wurde gemessen?

Für eine ideale Messung würde man eine Kugel um die Atmosphäre legen und auf der Innen- und Aussenfläche für lange Zeit die Leistung messen. Es ist klar warum die reale Messung sich arg von der idealen unterscheidet.
Bei angenommener mittlerer 342 W/m2 Strahlungsleistung erfordert die Messung einer Abweichung um 0.9 W/m2 eine Genauigkeit besser als 0.2%. Nach Messung, zeitlicher Statistik, räumlicher Extrapolation, etc. so ein kleiner Fehler?

Schlimm finde ich die Behauptung, die Strahlungsbilanz sei mal null gewesen. Wie bitteschön wurde die Null gemessen? Das muss ja „megagenau“ gewesen sein.

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@Markus Huber: „Die Kernaussage des obigen Beitrags liegt darin, dass Veränderungen in den strahlungsrelevanten Gasen und Partikeln (im Text werden wiederum natürliche und anthropogene Veränderungen erwähnt) einen Fussabdruck in der Energiebilanz hinterlassen.“

Und welche Fussspuren hatten dazu geführt, dass dort, wo ich jetzt lebe, vor noch nicht allzulanger (in erdgeschichtlichen Dimensionen) Zeit eine mehrere hundert Meter hohe Eisschicht lag. Welche (anderen) Fusspuren haben dann dafür gesorgt, dass dieses Eis grünen Wiesen Platz gemacht hat.

Sie zählen Fakten auf in der Annahme (oder Hoffnung), dass der geneigte Leser daraus eine Indizienkette für anthropogene Ursachen konstruiert. Dann bauen Sie ihre Thesen darauf auf. Das ist psychologisch sehr geschickt, verfängt aber nicht bei allen geneigten Lesern. Mit Klimaphysik hat das jedenfalls wenig zu tun, sorry.

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In Kommentar von Ben Palmer. 30.03.2011, 19:41 fehlt der Link zur Präsentation von Prof Vincent Courtillot:
http://joannenova.com.au/2011/03/prof-vincent-courtillot-speaks-with-clarity

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Lieber Herr Palmer

Die oben beschriebene Darstellung der Energiebilanz ist natürlich stark vereinfacht. Es werden jedoch explizit die mannigfaltigen Prozesse in der Atmosphäre und die zusätzliche Komplexität der Zeitskalen erwähnt.

Aus dem obigen Beitrag lässt sich in keinster Weise dem CO2 das Attribut „einzig und allmächtig“ zuweisen. Im Gegenteil, die beträchtliche Rolle der Aerosole in der Energiebilanz werden im Text im gleichen Atemzug mit den Treibhausgasen genannt.

Die Kernaussage des obigen Beitrags liegt darin, dass Veränderungen in den strahlungsrelevanten Gasen und Partikeln (im Text werden wiederum natürliche und anthropogene Veränderungen erwähnt) einen Fussabdruck in der Energiebilanz hinterlassen. Diese Aussage ist sowohl in dem obigen vereinfachten Energiebilanz-Modell als auch in hochkomplexen Modellen gültig.

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@ Michael Dittmar:
“Und warum hat denn in den letzten 7 Jahren die Wärme in den Ozeanen nicht zugenommen?”
Vielleicht kommt es auch darauf an wie tief man misst?
(Meeresstroemungen haben ihre Tuecken..)“

Und bei der Messung der Temperaturen an der Erdoberfläche treten solche Probleme nicht auf?
Informieren Sie sich doch einmal über das ARGOS-System.

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@Markus Huber: Ich bin erstaunt, über das simplizistische Modell, mit dem Sie das Klimasystem beschreiben. Entgegen Ihren Angaben ist das Klima mehr Parametern unterworfen als die eingehende und ausgehende Strahlung. Und auch CO2 ist nicht der allmächtige und einzige Faktor, der die Temperaturen bestimmt.

Ich hatte eigentlich erwartet, dass diese Erkenntnis inzwischen auch in der ETH angekommen ist. Scheint aber bedauerlicherweise nicht der Fall zu sein. Offenbar stützt man sich an unserer Hochschule (deren ehemaliger Student ich bin) auf die Klimamodelle ab, ohne zu hinterfragen, wie gut diese wirklich die Realität abbilden.

Es gibt auf der ganzen Welt Wissenschaftler, die genau das tun: Sie hinterfragen (und werden deshalb als Denier, Ketzer, Abtrünnige bezeichnet) und stellen neue Hypothesen auf, die sie dann aufgrund von Observationen überprüfen.

Der Vortrag von Prof Vincent Courtillot ist absolut sehenswert. In dem 32 Minuten dauernden Video legt er überzeugend dar, dass wir noch nicht einmal wissen, wie viel (oder wie wenig) wir wissen. Vielleicht sollten sich einige Institute an der ETH daran ein Beispiel daran nehmen.

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„Und warum hat denn in den letzten 7 Jahren die Wärme in den Ozeanen nicht zugenommen?“

Vielleicht kommt es auch darauf an wie tief man misst?
(Meeresstroemungen haben ihre Tuecken..)

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 0

Und warum hat denn in den letzten 7 Jahren die Wärme in den Ozeanen nicht zugenommen? Irgendwie schwierig, mit dieser Theorie in Einklang zu bringen…

http://wattsupwiththat.com/2011/03/25/argo-era-nodc-ocean-heat-content-data-0-700-meters-through-december-2010/

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