Über den Unter­schied zwischen Energie, Arbeit und Leistung – und warum das für die Klima-Prophe­zeiungen eine Rolle spielt

Eric Worrall
Wie oft haben wir schon Behauptungen hören müssen, dass ein wärmeres Klima energetischer ist – dass wir alle schlimmere Stürme, mehr Regen, mehr Sturmschäden erleiden, weil die Atmosphäre „mehr Energie aufnimmt“?
Derartige Behauptungen basieren auf einem fundamental falschen Verständnis der Natur von Energie.


Man betrachte eine Taschenlampen-Batterie. Eine Batterie enthält Energie, aber diese Energie macht gar nichts – die Batterie kann Monate im Schrank liegen, bereit zum Einschub in die Taschenlampe. Aber wenn man das dann tut, die Taschenlampe danach anknipst und nicht wieder ausschaltet, wird die Batterie innerhalb von Stunden leer sein – alle enthaltene Energie ist verbraucht.

Ähnlich ist es mit einer Batterie für einen Motor, deren Energie ebenfalls verbraucht wird.

Graphik 1: Von einer Batterie getriebener Motor.

Steckt man die Batterie in die Taschenlampe oder in einen Motor und schaltet diese an, macht sich die Energie an die Arbeit. Eventuell versagt die Batterie, nachdem all ihre gespeicherte chemische Energie in elektrische Leistung umgewandelt worden war.

In welcher Beziehung steht dieses Beispiel eines batteriebetriebenen Motors zum Klimawandel?

Rein physikalisch ist auch das Klima der Erde eine Maschine. Anstelle einer Batterie wird das Klima mit Solarenergie angetrieben – Sonnenlicht erreicht tagsüber die Erde, wird in Wärme umgewandelt und dann wieder in den Weltraum abgestrahlt. Dies bedeutet: Der Transport jener Energie von wärmeren Regionen zu kälteren Regionen, bevor sie in den Weltraum abgestrahlt wird, ist die Summe aller weltweiten Klima-Phänomene – Wind, Regen, Meeresströme sind alle Teil der globalen Klima-Maschine, welche von unserer Sonne mit Energie versorgt wird.

Graphik 2: Von der Sonne mit Energie versorgtes Erdklima

Wie wirken sich nun globale Erwärmung oder globale Abkühlung auf diese Klima-Maschine aus?

Was man im Hinterkopf behalten muss: Die Energie des Sonnenlichtes wird der Erdoberfläche mit konstanter Rate zugeführt, weil der solare Output mehr oder weniger stetig ist und sich die Größe der Erde nicht ändert. Die Leistung des Klimasystems, die Rate, mit der die Arbeit durch das Klimasystem durchgeführt werden kann, ist konstant.

Globale Erwärmung – Akkumulation von Energie in Gestalt von Wärme in der Erdatmosphäre – beeinflusst nicht die Energiemenge, die für die Energieversorgung des Erdklimas zur Verfügung steht. Falls die akkumulierte Energie das Klima beeinflussen würde mittels Beiträgen zu wilderem Wetter, würde sie aufgebraucht, genau wie die gespeicherte chemische Energie aufgebraucht wird, wenn sie eine Taschenlampe oder einen Motor betreibt.

Die Art und Weise, mit der Energie vom Klima der Erde verbraucht wird, könnte sich ändern, wenn sich die Welt erwärmt. Ein Beispiel sind die Milankovitch-Zyklen – die langsam vonstatten gehenden Änderungen der Verteilung des Sonnenlichtes durch Schwankungen des Erdorbits – haben wahrscheinlich einen tiefgreifenden Effekt auf das globale Klima; es lässt Eiszeiten aufkommen und abklingen. Aber die durch die Milankovitch-Zyklen beschriebenen orbitalen Schwankungen haben keinen Einfluss darauf, wie viel Sonnenlicht insgesamt auf die Erde trifft. Das Einzige, was dadurch beeinflusst wird, ist das Verhältnis des Gesamt-Sonnenlicht-Budgets, welches die Nord- bzw. Südhemisphäre zu verschiedenen Jahreszeiten empfangen.

Die Implikationen eines Gesamt-Erdklima-Energiebudgets sind tiefgreifend. In einer wärmeren Welt könnte es tatsächlich mehr regnen. Aber es muss einen Ausgleich geben. Die Verdunstung von Wasser zur Bildung von Regenwolken erfordert enorme Energiemengen. Falls Energie aus dem globalen Klima-Budget in die Erzeugung von mehr Regen fließt, steht weniger Energie für Wind und Meeresströme zur Verfügung.

Es gibt für geringe Änderungen Bewegungsfreiheit. Eine Menge des Sonnenlichtes, welches auf die Erde trifft, wird direkt zurück in den Weltraum geworfen, mit minimalem Einfluss auf das Klima. Falls die Albedo, also die Reflektivität der Erde substantiell zurückgehen würde, könnte mehr Sonnenlicht absorbiert werden, was mehr Energie zur Verfügung stellt für Wind, Regen und Meeresströme. Aber es gibt keine Garantie dafür, dass eine wärmere Welt eine signifikant geringere Albedo haben würde. Etwas Albedo könnte verloren gehen, falls Polareis schmilzt, aber Polareis empfängt nicht so viel Sonnenlicht verglichen mit dem in tropischen Gebieten auftreffenden Sonnenlicht. Jedweder Rückgang der Albedo infolge schmelzenden Polareises würde wahrscheinlich durch eine zunehmende Wolkenbedeckung in den Tropen mehr als kompensiert.

Während der letzten paar Jahre hat die Aufmerksamkeit in der Klima-Gemeinde für diese thermodynamische Begrenzung zugenommen. Viele Klimawissenschaftler haben ängstigende Prophezeiungen extremerer Wetterereignisse eingeschränkt, indem sie sagen, dass Stürme stärker werden, aber seltener auftreten. Aber wie ich zu Beginn erwähnt habe, geht viel zu oft die Qualifikation verloren. Viele Menschen glauben, dass das Wetter einfach ohne Hindernisse extremer wird, wenn sich die Welt erwärmt, weil sie nicht die harten Grenzen verstehen, die durch das Gesamt-Klimaenergie-Budget der Erde gesetzt werden.

Wärmere Klimabedingungen, welche mehr zur Bildung von Gewitter neigen, könnten zu häufigeren, aber schwächeren Stürmen führen, mit weniger Schäden anrichtenden Winden. Aber eine derartig langweilige Prophezeiung würde nicht zum Narrativ der Klimawissenschaft passen, dass durch die globale Erwärmung alles schlimmer wird.

Die folgende wissenschaftliche Studie erklärt die Grenzen des Energiebudgets des Erdklimas noch detaillierter:

Erzwungene Arbeitsleistung der feucht-atmosphärischen Wärmemaschine bei einem sich erwärmenden Klima:

Einfallende und ausgehende Sonnenstrahlung sorgen für den Wärmeausgleich an der Erdoberfläche, wobei Wettervorgänge angetrieben werden, die Wärme und Feuchtigkeit um die ganze Welt verteilen, was eine atmosphärische Wärmemaschine erzeugt. Hier untersuchen wir den Output der Arbeit dieser Maschine mittels thermodynamischer Diagramme, die berechnet sind aus re-analysierten Beobachtungen und aus einer Klimamodell-Simulation mit anthropogenem Antrieb. Wir zeigen, dass der Arbeits-Output immer geringer ist als der von einem äquivalenten Carnot-Zyklus [?] und dass er begrenzt wird durch die Energie, die zur Aufrechterhaltung des hydrologischen Zyklus‘ erforderlich ist. Bei der Klimasimulation verstärkt sich der hydrologische Zyklus schneller als der äquivalente Carnot-Zyklus. Wir folgern daraus, dass die Intensivierung des hydrologischen Zyklus‘ in wärmeren Klimaten die Fähigkeit der Wärmemaschine limitieren könnte, Arbeit zu erzeugen.

Mehr hier (paywalled)

Aktualisierung: Willis Eschenbach weist darauf hin, dass die Aussage „…Energie durch Sonnenlicht trifft mit konstanter Rate auf der Erdoberfläche, weil der solare Output mehr oder weniger stetig ist…“ falsch und irreführend ist. Wolken reflektieren Sonnenlicht zurück in das Weltall, bevor es die Erdoberfläche erreicht. Da Wolken eine Funktion der Temperatur sind und höhere Temperaturen mehr Wolken erzeugen, reduzieren höhere Temperaturen die Energiemenge, die in das Klimasystem eintritt.

Link: https://wattsupwiththat.com/2017/01/10/the-difference-between-energy-work-and-power-and-why-it-matters-to-climate-prediction/

Übersetzt von Chris Frey EIKE

image_pdfimage_print

Wir freuen uns über Ihren Kommentar, bitten aber folgende Regeln zu beachten:

  1. Bitte geben Sie Ihren Namen an (Benutzerprofil) - Kommentare "von anonym" werden gelöscht.
  2. Vermeiden Sie Allgemeinplätze, Beleidigungen oder Fäkal- Sprache, es sei denn, dass sie in einem notwendigen Zitat enthalten oder für die Anmerkung wichtig sind. Vermeiden Sie Schmähreden, andauernde Wiederholungen und jede Form von Mißachtung von Gegnern. Auch lange Präsentationen von Amateur-Theorien bitten wir zu vermeiden.
  3. Bleiben Sie beim Thema des zu kommentierenden Beitrags. Gehen Sie in Diskussionen mit Bloggern anderer Meinung auf deren Argumente ein und weichen Sie nicht durch Eröffnen laufend neuer Themen aus. Beschränken Sie sich auf eine zumutbare Anzahl von Kommentaren pro Zeit. Versuchte Majorisierung unseres Kommentarblogs, wie z.B. durch extrem häufiges Posten, permanente Wiederholungen etc. (Forentrolle) wird von uns mit Sperren beantwortet.
  4. Sie können anderer Meinung sein, aber vermeiden Sie persönliche Angriffe.
  5. Drohungen werden ernst genommen und ggf. an die Strafverfolgungsbehörden weitergegeben.
  6. Spam und Werbung sind im Kommentarbereich nicht erlaubt.

Diese Richtlinien sind sehr allgemein und können nicht jede mögliche Situation abdecken. Nehmen Sie deshalb bitte nicht an, dass das EIKE Management mit Ihnen übereinstimmt oder sonst Ihre Anmerkungen gutheißt. Wir behalten uns jederzeit das Recht vor, Anmerkungen zu filtern oder zu löschen oder zu bestreiten und dies ganz allein nach unserem Gutdünken. Wenn Sie finden, dass Ihre Anmerkung unpassend gefiltert wurde, schicken Sie uns bitte eine Mail über "Kontakt"

Bitte beachten Sie unsere Datenschutzerklärung

Erst Registrieren dann Kommentieren

Zum Kommentieren müssen Sie eingeloggt sein. Bitte hier auf Registrieren klicken, um ein Login zu erhalten.

Kommentar hinzufügen

Sie haben nicht das korrekte Login oder Passwort eingegeben

Sie müssen eingeloggt sein, um einen Kommentar schreiben zu können.

10 Kommentar(e)

Neueste zuerst
nach Bewertung Neueste zuerst Älteste zuerst
1

Mal was am Rande...mir kommt da ein Gedanke durch den Kopf...ist Uran und Thorium zum Schluss nicht das Endprodukt der Sonneneinstrahlungsenergie, die sich über Millionen von Jahren auf die Erde "ergießt".

Die Sonnen-Energie-Strahlung über Millionen von Jahren im Unendlichen des Kreislaufes im Uran oder Thorium als kompakter Energiespeicher für die Nutzung der Menschen bereitgestellt.

Uran/Thorium ein Produkt der Erde, ein Produkt der Sonne (Strahlung-Endlagerung) zur weiteren Wiederverwertung.....mit Vernunft und Verstand der Menschen...

 

2
Dr. Rer. Nat. Gerhard Stehlik

„Ein Treibhauseffekt hat mit alledem nichts zu tun.“

Danke für Ihre grundsätzliche Zustimmung.

Aber leider ist es bei umfassender Betrachtung der ganzen Erde und der ganzen Physikalischen Chemie der Erde nicht so.

Definiert man einen Treibhauseffekt als Zeitspanne (Phasenverschiebung) zwischen Einstrahlung zu t=0 (t = Zeitspanne in Zeiteinheiten) und Ausstrahlung zu t=x gibt es sehr wohl einen erwärmenden Treibhauseffekt proportional zu x.

Das Treibhaus-Medium par Exzellenz ist der Ozean.

Deshalb ist die globale Ozean-Temperatur im Jahrhundert-Mittel bei ca. 16°C, die Land-Temperatur nur bei ca. 9°C. Dabei berührt der Ozean die polaren Eisschilde, nicht aber die Landmasse!

Der Ozean ist das Treibhaus, vor allem auch wegen der Wasser-Anomalie!

Die Atmosphäre ist das Kühlhaus.

 

Einen größeren Betrug hat es nie gegeben!

3
Dr. Rer. Nat. Gerhard Stehlik

News und Kommentare leiden wie üblich unter dem falschen Weltbild der Thermodynamik, wenn die Energieflüsse im System Sonne – Erdoberfläche – Atmosphäre – Weltall und damit auch das energetische Verhalten von CO2 beschrieben werden soll.

Im News wird zwar die globale Abkühlung durch Strahlung ins Weltall erwähnt. Das ist ein Fortschritt, der dann aber leider nicht weiter behandelt wird, auch nicht in den Kommentaren.

Wenn man aber die irreversiblen Prozesse der Abkühlung im einzelnen betrachtet, also Verdunstung (nur unten), Thermik (nur unten) und IR-Strahlung ins Weltall (viel oben, wenig unten), wird klar, dass CO2, je höher je mehr, das Kühlmittel der Erde ist. Seine Kühlwirkung geht aber unten gegen Null, nur kleiner als Null, also erwärmend wird es im Jahresmittel nie!

Gäbe es Strahlung und Gegenstrahlung, müssten beide behandelt werden wie das Parallelogramm der Kräfte. Nur die resultierende Kraft ist die wirklich Kraft, die Teilkräfte sind reine Fiktion.

Dr. Gerhard Stehlik, Hanau (Google findet mich!)

4

"Seine Kühlwirkung geht aber unten gegen Null, nur kleiner als Null, also erwärmend wird es im Jahresmittel nie!"

Genau!

Aus diesem Grund ist es auch grottenfalsch darüber zu diskutieren wie hoch der angebliche Treibhauseffekt ist.

Es ist auch überflüssig darüber zu streiten ob es mehr oder weniger Stürme gibt.

Oder wie stark die Erwärmung der letzten Jahrzehnte war.

Ein Treibhauseffekt hat mit alledem nichts zu tun.

Es gibt ihn nicht im Sinne einer Temperaturerhöhung.

Er ist tendenziell negativ.

5
Guido Scholzen

+++ ACHTUNG +++ ACHTUNG +++

+++  SCHLAGZEILEN +++

KLIMAPAPST SCHELLNHUBER VERSUCHT ERNEUT DIE WELT ZU RETTEN....

der RBB hat ne Privataudienz beim Papst.

http://tinyurl.com/zr64kue

P.S. als ich dies sah, musste ich nur noch lachen. Wie kann man nur so einen Respekt haben, ohne Wissen über eine Sache.

6
Elmar Oberdoerffer

"Wir zeigen, dass der Arbeits-Output immer geringer ist als der von einem äquivalenten Carnot-Zyklus [?]"

Der Carnot-Zyklus ist der thermodynamische Kreisprozess, der bei gegebener Maximaltemperatut Tmax und gegebener Minimaltemperatur Tmin die maximale mechanische Arbeit aus einer gegebenen Wärmemenge gewinnt. Tmax ist bei technischen Anwendungen in der Regel durch den Festigkeitsabfall der verwendeten Werkstoffe bei steigender Temperatur begrenzt, Tmin kann nicht kleiner sein als die Temperatur der Umgebung, in der die Wärmemaschine arbeitet. Der Carnot-Zyklus beginnt mit Gas von Umgebungstemperatur und einem beliebigen Anfangsdruck, im ersten Schritt wird das Gas adiabatisch und isentrop verdichtet, bis seine Temperatur auf Tmax gestiegen ist. Dazu wird die mechanische Verdichtungsarbeit Wv = cp(Tmax - Tmin) aufgewendet. (cp ist die spezifische Wärme des Gases bei konstantem Druck).  Im zweiten Schritt wird bei Tmax die verfügbare Wärmemenge Qz bei gleichzeitiger isothermer Entspannung zugeführt, die vollständig in mechanische Arbeit umgewandelt wird bei gleichzeitiger Zunahme der Entropie um den Betrag ∆S = Q/Tmax. Im dritten Schritt wird das Gas adiabatisch und isentrop entspannt, bis seine Temperatur wieder auf den Anfangswert Tmin gefallen ist, wobei die mechanische Entspannungsarbeit We = cp(Tmax - Tmin) gewonnen wird, die exakt gleich der im ersten Schritt aufgewendeten Verdichtungsarbeit ist. Im vierten Schritt wird das Gas isothermisch unter Abfuhr der Wärmemenge Qa = ∆S*Tmin und Aufwendung der dieser Wärmemenge entsprechenden mechanischen Arbeit wieder auf seinen Anfangsdruck verdichtet, wobei seine Entropie um den Betrag ∆S abnimmt, um wieder ihren Anfangszustand anzunehmen. Die aus dem Zyklus gewonnene mechanische Arbeit ist A = Qz - Qa = ∆S(Tmax - Tmin). Der Wirkungsgrad ist eta = A/Qz = 1 - Qa/Qz = 1 - Tmin/Tmax.  Das ist der höchste bei gegebenen Temperaturen Tmax und Tmin errichbare Wirkungsgrad, die Wirkungsgrade realer technischer und in der Natur vorkommender Kreisprozesse sind deutlich bis erheblich kleiner. Der Carnot-Zyklus kann technisch nur annäherungsweise und mit sehr hohem Aufwand realisiert werden, daher werden in der Technik andere Kreisprozesse angewendet, die kleinere Wirkungsgrade haben als der Carnot-Prozess, aber einfacher und mit geringerem Aufwand zu realisieren sind. Der Carnot-Prozess wird aber gerne als Vergleich herangezogen. Das Wettergeschehen verfügt weder über Verdichter noch über Turbinen, die Winde und das gesamte Wetter werden angetrieben durch Dichteunteschiede in der Lufthülle, die durch verschieden starke Erwärmung entstehen. Daß der dabei entstehende Arbeits-Output immer kleiner, und zwar viel kleiner als der eines äquivalenten Carnot-Zyklus ist, ist eine Binsenweisheit, für die man keinen großen Studien zu machen braucht.

 

 

I

7

 

Energie wird nicht verbraucht! Das versuchen Physiklehrer verzweifelt ihren Schülern einzutrichtern. Was unsere Atmosphäre betrifft: In Erwärmungsphasen wird viel Energie auch von der Atmosphäre aufgenommen. Das Volumen vergrößert sich, Wasserdampf vermehrt sich. Während der Erwärmungsphase haben wir milderes Klima, weniger Unwetter, weniger Niederschlag. In der Abkühlungsphase kommt alles wieder runter, höhere Niederschlagsmengen, mehr Unwetter, unruhiges Klima. Das deckt sich auch mit den Erfahrungen aus der Vergangenheit. Die schlimmsten Stürme und Unwetter gab es immer in den Abkühlungsphasen, zum Beispiel im Übergang von der Römischen Wärmephase zur anschließenden Kaltphase oder vom Mittelalter zur Kleinen Eiszeit. Das ist sehr gut in den Jahrbüchern und anderen Aufzeichnungen dokumentiert. In den jeweiligen Aufwärmphasen, zum Beispiel seit 400 Jahren, seit der kältesten Phase der Kleinen Eiszeit, hatten wir gemäßigte Klimaerscheinungen. Sobald es zukünftig wieder abkühlt, werden wir ähnlich wilde Unwetter haben, wie beim Übergang des Mittelalters zur Kleinen Eiszeit. Dann, in der zukünftigen Abkühlphase, werden wir katastrophale Klimaerscheinungen haben, weil die zuvor gespeicherte Energie (nicht verbraucht, sondern) umgewandelt wird.

 

8

@mosswerner

Sie haben recht...Energie wird auch nicht verbraucht sondern nur gebraucht. Auch Wasser wird nur gebraucht und nicht verbraucht. Zum Schluss wird in unseren geschlossenen Erd-Kreislauf alles nur gebraucht aber nicht verbraucht. Und unser "kleiner" geschlossene Erd-Kreislauf ist wiederum eingebunden in den nächst höheren Kreislauf und zwar unser Sonnensystem und das wiederum in unsere Galaxie usw.

Es lässt sich alles mit dem "Kreislauf Gedanken" erklären. Kreisläufe die immer da sind aber immer unter verschiedenen Rahmenbedingungen. Wir Menschen agieren und sind auch ein Teil des Kreislauf auch Leben und weitergehend Evolution genannt. Die Kreisläufe bleiben bestehen, die Rahmenbedingung ändern sich mit dem Faktor Zeit dies wiederum bewirkt das Weiterentwickeln des Leben = Evolution und die Evolution wird unser "heutige Menschenform" in einer Millionen Jahren komplett anders erscheinen lassen.

 

9

Bei Anwendung physikalischer Gesetze bleibt halt von AGW und all den apokalyptischen Ereignissen nichts über...

10

Neben der Sonne ist das Wasser der Zentrale Bestandteil, wenn es um das Thema Klima geht.

Wasser in seinen ganzen Aggregatszuständen...von Gas, zu flüssig bis hin zu fest.

Das Element Wasser kann nicht nur Sonnenlicht Strahlung als Energie speichern sondern auch in Wärme umwandeln. Das Wasser als Eis und Schnee kann auch nicht nur die Strahlung der Sonne speichern sondern auch reflektieren/ins Weltall zurückstrahlen. Und die Wolken können alles abdecken.. vom Umwandeln der Sonnenstrahlung in Energie/Wärme bis zur Speicherung hin zur Entladung und der Reflektion. Sonnenstrahlung wird durch das Element Wasser erst zu der Energie gewandelt, gespeichert die wir als Wärme, Sturm, Gewitter wahrnehmen.

 

Sonne und Wasser ein perfektes Zusammenspiel wie Energie und Wärme von der Sonne zur Erde durch einen luftleeren Raum übertragbar wird.

Oder um es mit einer Frage zu verdeutlichen....Wie bringen Sie Wärme und Energie von einen Ort (Sonne) zum anderen Ort (Erde), wenn dazwischen einige Millionen Kilometer eines luftleeren uns schwerelosen Raum liegen?

Das geht nur mit einen schnellen Transportsystem, das keinen Sauerstoff oder andere Gas benötigt und sich am Zielpunkt in die Bestandteile Energie und Wärme wandeln lässt. Und das Element Wasser ist hierfür der "Wandler".