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Bin ich eine alte Umweltsau?


In meiner Heizung wird Heizöl und in meinem PKW Benzin verbrannt. Sowohl das Heizöl als auch das Benzin werden aus Erdöl gewonnen. EON liefert mir Strom, der zu ca. 25% aus Kohle und Erdgas erzeugt wird.
Erdöl, Erdgas und Kohle enthalten im Wesentlichen Kohlenwasserstoffe. Beim Verbrennen dieser fossilen Energieträger entstehen Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O):

C + O2 -> CO2
2C + O2 -> 2CO und weiter 2CO + O2 -> 2CO2
2H2 + O2 -> 2H2O

Ich esse gern kurzgebratenes oder gegrilltes Fleisch vom Schwein, Rind oder Geflügel- ab und zu mal Käse. Bei der Tierproduktion werden Kohlenstoffdioxid, Methan (CH4) und Lachgas (N2O) in die Erdatmosphäre ausgestoßen. Methan entsteht unter anderem bei der Verdauung von Wiederkäuern wie Milchkühen. Bei der Lagerung und Ausbringung von Mist und Gülle wird Methan und Lachgas freigesetzt.

In meinem Haushalt fällt Müll an, der in einer Müllverbrennungsanlage verbrannt wird. Dabei gelangt CO2 in die Luft.

Die Meteorologen haben eine Erhöhung der durchschnittlichen Lufttemperatur von 1975 bis heute um ca. 1°C beobachtet. Klimatologen des Weltklimarates sprechen von einem vom Menschen verursachten Klimawandel. Die Klimatologen bezeichnen o.g. Gase als Treibhausgase, die mit der Temperaturerhöhung in Zusammenhang stehen sollen. Die kurzwellige Strahlung der Sonne soll die Erdatmosphäre weitgehend ungehindert durchdringen können. Die an der warmen Erdoberfläche und von der erwärmten Luft reflektierte langwellige Infrarotstrahlung wird durch die Treibhausgase zurückgeworfen, so das es ähnlich wie in einem Treibhaus zu einer Temperaturerhöhung kommen würde. Anhand von Rechnersimulationen sagen die Klimatologen voraus, dass es bei einer weiteren Temperaturerhöhung zu einem Abschmelzen des Eises und damit Steigen des Meeresspiegels kommen würde. Des weiteren sollen sich sich Unwetter, wie Starkregen, Stürme, Hitzewellen und Dürren, verstärken.

Weil 99 Prozent der Experten vom menschengemachten Klimawandel überzeugt sein sollen, folgte die Regierung der BRD der Warnung der Klimatologen und hat 2019 ein Klimaschutzgesetz verabschiedet. Demnach soll das Klima geschützt werden, indem der Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur durch Mindern der Treibhausgase möglichst auf 1,5 Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Niveau begrenzt wird. Ab 2020 wird eine höhere Flugsteuer eingeführt und mit einem Gesetz für einen CO2-Preis werden ab 2021 fossile Brennstoffe zum Fahren und Heizen teurer.
Trotzdem 99 Prozent der Experten vom menschengemachten Klimawandel überzeugt sein sollen, geht die Regierung der USA einen anderen Weg und ist aus dem Pariser Klimaschutzabkommen von 2015 ausgestiegen. Die USA sind die größte Volkswirtschaft und die führende Nation in Naturwissenschaft und Mathematik. Die USA sind nach China der zweitgrößte Emittent der sogenannten Treibhausgase.

Das Erdklima wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Um herauszufinden, wie sich das Klima in der Zukunft wahrscheinlich entwickelt, verwenden die Klimatologen mathematische Klimamodelle, die mit einem Rechner ausgewertet werden. Selbst wenn die Simulationssoftware offen verfügbar wäre, wäre ich nicht in der Lage, deren Funktion zu überprüfen.
Deshalb versuche ich im folgenden mit meinem Wissen aus der Schule (Mathematik, Physik, Astronomie, Chemie und Erdkunde, 1969-1971) eine Erklärung zu finden, ob das vom Menschen in die Luft gebrachte CO2 ursächlich für die beobachtete Temperaturerhöhung sein kann.

Die Sonne hat einen Durchmesser vom ca. 1.400.000 km. Die Erde hat einen Durchmesser von ca. 13.000 km. Die Erde ist 1 AE ≈ 150.000.000 km, von der Sonne entfernt. Betrachtet man die Sonne durch eine Schutzbrille, so sieht man eine leuchtende kreisförmige Scheibe. Die Sonnenstrahlung entsteht aus der Fusion von schwerem und überschwerem Wasserstoff zu Helium:

2H + 3H → 4He + n

Die Solarkonstante gibt an, wie viel Sonnenenergie pro Fläche senkrecht auf die Erdoberfläche trifft: S0 = 1361 W/m2. Je nach Bewölkungsgrad liegt die Bestrahlungsstärke in Deutschland zwischen 150 und 1000 W/m2.

Bevor die Sonnenstrahlung die Erdoberfläche erreicht, muss sie die Erdatmosphäre durchdringen. Die gasförmige Hülle der Erde enthält neben 0,4% Wasserdampf:

78% N2, 21% O2, 1% Ar und Spurengase.

Das Spurengas CO2 ist mit 0,04 Vol.-% in der Luft enthalten. CO2 ist 1,5mal schwerer als Luft und sammelt sich ggf. in Gärkellern, Gruben oder Höhlen. CO2 ist farblos. Die Gesamtmasse an CO2 in der Atmosphäre beträgt ca.3000 Gigatonnen. Die anthropogenen, das heißt vom Menschen verursachten CO2-Emissionen betragen jährlich circa 36,3 Gigatonnen. CO2 soll etwa 60 Prozent des vom Menschen verursachten zusätzlichen Treibhauseffekts ausmachen [Wikipedia].

CO2 soll einen Großteil der von der Erde ausgestrahlten Infrarotstrahlung absorbieren. Dadurch erwärmt es sich und emittiert selbst Strahlung im langwelligen Bereich. Der in Richtung der Erdoberfläche gerichtete Strahlungsanteil wird als atmosphärische Gegenstrahlung bezeichnet. Hierdurch erwärmt sich die Erdoberfläche stärker, als wenn allein die kurzwellige Strahlung der Sonne sie erwärmen würde [Wikipedia].
An der Erdoberfläche kommt vorwiegend direkte Strahlung im Wellenlängenbereich 300 nm – 2000 nm an. IR-Strahlung liegt im Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 1 mm. Dies entspricht einem Frequenzbereich von 300 GHz bis 400 THz.

Hypothese:
Alle Gase seien in der Troposphäre homogen verteilt. Man betrachte ein quadratisches Lichtdurchtrittsfenster mit einer Kantenlänge von 100 mm. Das Fenster sei senkrecht zur Einstrahlrichtung der Sonnenstrahlen ausgerichtet. Das Fenster sei in Teilfenster von je 1 Quadratmillimeter geteilt. Das ergibt 100 x 100 = 10.000 Teilfenster, welche 100 Vol.-% der Atmosphäre entsprechen sollen. Heruntergebrochen auf die Gasanteile würden 7800 Teilflächen dem Stickstoffanteil, 2100 Teilflächen dem Sauerstoffanteil, 100 Teilflächen dem Argonanteil und 4 Teilfächen dem CO2-Anteil entsprechen. Angenommen die Hälfte des CO2 sei vom Menschen in die Atmosphäre gebracht, dann würden allein 2 der 10000 Teilflächen mit CO2 dafür sorgen, dass die IR-Strahlen so zurückgeworfen werden, dass es zu einer bedrohlichen Temperaturerhöhung kommt.

Das Kohlenstoffdioxidmolekül ist linear, alle drei Atome liegen auf einer Geraden. Der Kohlenstoff ist an die beiden Sauerstoffatome mit Doppelbindungen gebunden, wobei beide Sauerstoffatome zwei freie Elektronenpaare aufweisen. CO2 hat die Strukturformel:
O = C = O.
Der Kohlenstoff-Sauerstoff-Abstand beträgt 116,32 pm. Der (Biege-)Schwingungsmode des Moleküls, bei der sich das Kohlenstoffatom senkrecht zur Achse und die Sauerstoffatome in entgegengesetzter Richtung bewegen (und umgekehrt), entspricht eine Infrarot-Wellenlänge von 15 μm. Diese 15-μm-Strahlung ist der wesentliche Anteil von Kohlenstoffdioxid zum Treibhauseffekt [Wikipedia: Kohlenstoffdioxid].

Der Autor bei Wikipedia belegt die Schwingungstheorie leider nicht mit einer Quellenangabe. Das CO2-Molekül kann im Raum eine beliebige Lage einnehmen. Ob die Schwingungsanregung tatsächlich in jeder beliebigen Lage des Moleküls stattfindet, sei dahingestellt. Obiges Modell mit dem quadratischen Fenster legt nahe, dass die Wahrscheinlichkeit gering ist, dass IR-Strahlen überhaupt auf ein CO2-Molekül treffen. Falls ein IR-Strahl doch mal ein CO2-Molekül trifft und von diesem absorbiert wird, wird IR-Strahlung in alle Richtung wieder abgegeben, d.h., nur ein Teil wird in Richtung Erde zurückgestrahlt. Bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Luft soll sich die Temperatur um etwa ein Grad Celsius erhöhen.
Ich suche nach wie vor eine mathematische Darstellung, wie viel Wärmestrahlung bei einer bestimmten CO2-Konzentration wieder zurückgestrahlt wird.
Deshalb stelle ich in Frage, ob die Temperaturerhöhung der Luft mit dem vom Menschen gemachten CO2-Eintrag einhergeht?

Schlussfolgerung:
Ich bin kein Klimaexperte. Alle Menschen beeinflussen mehr oder weniger das Klima. Ich bin aber skeptisch, ob die Modelle und Simulationen der Klimaforscher zum Einfluss des CO2 auf das Klima die Realität wiedergeben. Ich bin weiterhin skeptisch, ob die vom Bürger wegen des Klimaschutzgesetzes erbrachten Steuermehreinnahmen zweckdienlich eingesetzt werden:
deutliche Erhöhung der Militärausgaben, Berliner Schlossneubau, Diätenerhöhungen u.s.w.
Solange ich keine plausible Erklärung für die Temperaturerhöhung durch CO2 finde, lasse ich mich gern als alten Mann aber noch nicht als alte Umweltsau bezeichnen :-)

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CO2 und Klima

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