Eine beunruhigende Erkenntnis

geschrieben von Chris Frey | 2. Oktober 2023

Willis Eschenbach

Ich habe über das klassische Verfahren zur Messung des sehr schlecht benannten „Treibhauseffektes“ nachgedacht, der nichts mit Gewächshäusern zu tun hat. Meines Wissens wurde dieses Verfahren zur Messung des Treibhauseffekts erstmals 1989 von Raval und Ramanathan in einer Arbeit mit dem Titel „Observational determination of the greenhouse effect“ vorgeschlagen.

Dieses Verfahren, das bis heute von fast allen, mich eingeschlossen, befolgt wird, besteht darin, die von Satelliten am oberen Rand der Atmosphäre (TOA) gemessene aufsteigende (raumgebundene) langwellige Strahlung (LW) von der aufsteigenden langwelligen Oberflächenstrahlung zu subtrahieren. Oder wie sie es in der Studie beschreiben, die sich nur auf den Ozean bezieht:

„Wir erhalten G, indem wir die in den Weltraum entweichende langwellige Strahlung von den Schätzungen der von der Ozeanoberfläche emittierten Strahlung abziehen.“

Diese Messung soll die Menge der aufsteigenden Oberflächenstrahlung darstellen, die von der Atmosphäre absorbiert wird. Sie kann entweder als Watt pro Quadratmeter oder als Prozentsatz oder Bruchteil der Oberflächenstrahlung ausgedrückt werden.

Abbildung 1 zeigt diese Messung des „Treibhauseffektes“ über dem gesamten Himmel. Sie zeigt die Menge der von der Atmosphäre absorbierten Energie, ausgedrückt als Bruchteil der zugrunde liegenden Oberflächenemission:

Abbildung 1. Absorption der aufsteigenden Langwelle (LW) in der Atmosphäre als Anteil der langwelligen Oberflächenemission.

Abbildung 1a. Wie in Abbildung 1. Zeitliche Veränderungen der atmosphärischen Langwellenabsorption (LW) als Anteil der langwelligen Oberflächenemission.

Also … was gibt es da nicht zu mögen?

Als ich heute über eine ganz andere Frage nachdachte, wurde mir klar, dass die Ramanathan-Messung zwar nicht nutzlos, aber auch nicht genau ist. Ich sehe bei dieser Messung zwei Probleme.

Andere Energieeinträge in die Atmosphäre

Etwa 40 W/m² der aufsteigenden langwelligen Oberflächenstrahlung gehen direkt in den Weltraum. Der Rest der ~240 W/m² der aufsteigenden Langwelle kommt aus der Atmosphäre, nicht von der Oberfläche.

Das erste Problem bei diesem Verfahren ist, dass die Atmosphäre nur etwa zwei Drittel ihres Energieflusses aus der absorbierten aufsteigenden langwelligen Oberflächenstrahlung bezieht. Das andere Drittel des Energieflusses stammt aus zwei völlig unterschiedlichen Quellen: 1) Sonnenenergie, die von der Atmosphäre, Aerosolen und Wolken absorbiert wird, und 2) latente (Verdunstungs-) und sensible (Leitungs-) Wärmeverluste von der Oberfläche an die Atmosphäre.

Infolge dieser anderen Energieflüsse, die in die Atmosphäre eintreten und sie wieder verlassen, reflektieren die von Satelliten mit diesem Verfahren gemessenen Veränderungen der langwelligen Strahlung an der Oberseite der Atmosphäre (TOA) möglicherweise lediglich Veränderungen der Sonnenabsorption oder Veränderungen des latenten/sensiblen Wärmeverlusts. Hier ist die Summe der anderen Energie, die in die Atmosphäre gelangt:

Abbildung 2. Die Summe von zwei anderen Quellen von Energieströmen, die von der Atmosphäre absorbiert werden.

Wie man sieht, variieren diese anderen Quellen des atmosphärischen Energiestroms im Laufe der Zeit. Ein Teil dieses zusätzlichen Energiestroms wird in den Weltraum abgestrahlt, was die Ramanathan-Schätzung des Treibhauseffekts durcheinander bringt.

Aufwärts versus abwärts

Das zweite Problem ist, dass die Atmosphäre in zwei Richtungen abstrahlt, nach oben und nach unten. Das Verhältnis zwischen aufsteigender und absteigender langwelliger Strahlung (LW) ist jedoch nicht konstant. Hier ist die Variation der TOA-Langwelle, die allein auf das sich ändernde Verhältnis zwischen aufsteigender und absteigender Strahlung zurückzuführen ist:

Abbildung 3. Schwankungen der langwelligen Strahlung an der Obergrenze der Atmosphäre (TOA LW), die ausschließlich auf Schwankungen des Verhältnisses der nach oben und nach unten gerichteten atmosphärischen Energie zurückzuführen sind.

Die Schwankungen in diesen beiden anderen Energieflüssen, die sich in der Menge der in den Weltraum gelangenden Energie niederschlagen, führen zu falschen Schwankungen in der Ramanathan-Treibhausmessung.

Eine bessere Metrik?

Es sieht so aus, als ob es aufschlussreicher wäre, wenn wir die TOA-LW als einen Bruchteil der gesamten in die Atmosphäre eintretenden Energie und nicht als einen Bruchteil der aufsteigenden Oberflächen-LW betrachten würden … Moment mal, das habe ich noch nie gemacht … nun, das ist interessant:

Abbildung 4. Wie in Abb. 1a, nur dass hier die aufsteigende langwellige TOA-Strahlung, die in den Weltraum gelangt, mit dem gesamten atmosphärischen Energiefluss verglichen wird und nicht nur mit der aufsteigenden langwelligen Oberflächenstrahlung.

Ich bin nicht sicher, was ich dazu sagen soll. Es scheint, dass sich der Anteil des atmosphärischen Energieflusses, der in den Weltraum geht, in den 22 Jahren der Aufzeichnung nicht sehr verändert hat. Und er hat sicherlich nicht in dem Maße zugenommen, wie wir es aufgrund der Zunahme des CO₂-Antriebs erwarten würden …

Link: https://wattsupwiththat.com/2023/09/28/an-unsettling-insight/

Übersetzt von Christian Freuer für das EIKE

 



Sonne, Temperatur und Modelle

geschrieben von Chris Frey | 2. Oktober 2023

Willis Eschenbach

ERSTER TEIL – REALE WELT

Ich fing an, über die Beziehung zwischen der Absorption der Sonnenstrahlen an der Oberfläche und der Temperatur nachzudenken. Hier sind die CERES-Satellitendaten, die diese Beziehung zeigen:

Abbildung 1. Temperatur und Absorptionsgrad der Sonnenstrahlung an der Oberfläche. Die Strahlung wird in Watt pro Quadratmeter (W/m²) angegeben.

Wie wir aufgrund unserer täglichen Erfahrung erwarten würden, steigt die Temperatur bei mehr Sonnenschein und sinkt sie bei weniger Sonnenschein.

Es stellt sich natürlich die Frage, um wie viel die Oberflächentemperatur für jedes zusätzliche W/m² an absorbierter Strahlung an der Oberfläche steigt.

Wir können uns dieser Frage auf drei verschiedene Arten nähern. Erstens, ein Streudiagramm der in Abbildung 1 gezeigten monatlichen Werte, zusammen mit der Trendlinie:

Abbildung 2. Streudiagramm, monatliche Temperatur im Vergleich zum Anteil der Sonnenstrahlung, der an der Oberfläche absorbiert wird. Da die monatlichen Durchschnittswerte mit Unsicherheit behaftet sind, habe ich die Deming-Regression und nicht die lineare Standardregression verwendet.

Die zweite Möglichkeit, die Beziehung zwischen der Oberflächentemperatur und der absorbierten Sonneneinstrahlung zu berechnen, ist eine lineare Regression auf der Basis von Gitterzellen, gewichtet nach der Fläche der Gitterzellen. Dies ergibt die gleiche Antwort, nämlich 0,22 °C pro zusätzlichem W/m² absorbierter Sonnenstrahlung.

Die dritte Möglichkeit, die Beziehung zu untersuchen, besteht darin, die langfristigen Durchschnittswerte von Temperatur und absorbierter Sonnenstrahlung als Streudiagramm für jede einzelne Gitterzelle zu betrachten. So können wir sehen, was bei unterschiedlichen Temperaturen passiert:

Abbildung 3. Streudiagramm, Mittelwerte der Gitterzellen, Temperatur gegenüber der durchschnittlichen absorbierten Sonnenstrahlung. Die Steigung der roten Linie zeigt den Trend der Temperatur im Verhältnis zur absorbierten Sonnenstrahlung bei verschiedenen Temperaturen.

An diesem Diagramm sind mehrere Dinge interessant. Erstens ist die Beziehung zwischen der absorbierten Sonnenstrahlung und der Temperatur über den größten Teil der Erde (zentrale Region oben) ziemlich linear, mit einem durchschnittlichen Trend (Steigung der roten Linie) von 0,21 °C pro W/m².

Um dies besser zu verstehen, ist hier eine Grafik, die zeigt, wie viel Sonnenstrahlung an der Oberfläche absorbiert wird:

Abbildung 4. Von der Oberfläche absorbierte Sonnenstrahlung (abwärts gerichtete Strahlung minus reflektierte Strahlung)

Die Auswirkung der fast durchgängigen Bewölkung an der intertropischen Konvergenzzone (ITCZ) ist als gelber Streifen knapp über dem Äquator zu erkennen.

Um auf Abbildung 3 zurückzukommen: In den Gebieten mit geringer Sonneneinstrahlung steigt die Temperatur mit zunehmender Sonneneinstrahlung sehr schnell an. Die folgende Karte zeigt, wo sich diese Gebiete befinden:

Abbildung 5. Teile der Welt, in denen die absorbierte Sonnenstrahlung im Jahresdurchschnitt weniger als fünfzig Watt pro Quadratmeter beträgt.

Und am rechten Ende der Skala in Abbildung 3 erwärmt sich die Oberfläche in Gebieten, in denen die durchschnittliche absorbierte Sonnenstrahlung über 210 W/m² liegt, überraschenderweise gar nicht so sehr. Die durchschnittliche Reaktion in den unten dargestellten farbigen Gebieten beträgt 0,03 °C pro W/m². Hier sind diese Gebiete:

Abbildung 6. Teile der Welt, in denen die absorbierte Sonnenstrahlung im Jahresdurchschnitt mehr als zweihundertzehn Watt pro Quadratmeter beträgt.

Die horizontalen gepunkteten Linien über und unter dem Äquator auf der Karte in Abbildung 6 zeigen die Grenzen der Tropen. Man beachte, dass sich die meisten tropischen Ozeane nicht weiter erwärmen, wenn die absorbierte Sonnenstrahlung über 210 W/m² ansteigt.

Und am Ende haben wir drei verschiedene Schätzungen, wie stark die Temperaturen steigen, wenn die Sonneneinstrahlung zunimmt, und wie stark sie sinken, wenn die Sonneneinstrahlung abnimmt. Alle drei Schätzungen liegen in der Größenordnung einer Temperaturänderung von 0,2 °C je 1 W/m² Änderung der absorbierten Sonnenstrahlung. Und alle drei zeigen, dass die Temperatur mit der absorbierten Sonneneinstrahlung variiert, d. h. mit mehr Sonnenschein steigt sie an und mit weniger Sonnenschein sinkt sie, so wie wir es jeden Tag beobachten.

ZWEITER TEIL – MODELLWELT

Nachdem ich mir angesehen habe, was tatsächlich passiert, warf ich einen Blick darauf, was die Modelle sagen. Die Modelldaten sind auf der wunderbaren KNMI-Website verfügbar, indem man „Monthly CMIP5 scenario runs“ auswählt. Diese stammen aus dem Fifth Computer Model Intercomparison Project (CMIP5). Die Lufttemperatur an der Oberfläche wird als „TAS“ (Temperature Air Surface) bezeichnet. Die abwärts gerichtete Sonneneinstrahlung an der Oberfläche wird als „RSDS“ (radiation shortwave downwelling surface) bezeichnet, die reflektierte Sonneneinstrahlung an der Oberfläche als RSUS (radiation shortwave upwelling surface). Die absorbierte Strahlung ist die absteigende Sonnenstrahlung minus die reflektierte Sonnenstrahlung.

Ich habe mit den Temperaturdaten begonnen. Ich interessierte mich für die historischen Daten, die für die vier „Szenarien“, yclept RCP26, RCP45, RCP60 und RCP85, im Wesentlichen identisch sind. Ich verwendete die RCP26-Daten. Die historischen Daten enden im Jahr 2012. Hier die CMIP5-Rekonstruktion der mittleren globalen historischen Temperatur im Vergleich zur globalen Temperatur von Berkeley Earth:

Abbildung 7. Berkeley Earth und CMIP5-Modelltemperaturen im Vergleich.

Nun, das ist ziemlich respektabel. Die Modelle haben die wichtigsten Veränderungen der historischen Temperaturen gut nachgebildet. (Das wirft die Frage auf, wie verschiedene Modelle mit sehr unterschiedlichen Klimaempfindlichkeiten die Temperatur so gut nachbilden können, eine Frage, die ich in „Dr. Kiehl’s Paradox“ erörtert habe … aber ich schweife ab.)

Nachdem ich all das getan hatte, schaute ich mir die modellierte absorbierte Sonnenstrahlung an … und mir fielen die Augen aus dem Kopf. Hier ist das modellierte Ergebnis. Wie bei der Temperatur sind die Ergebnisse für die Sonneneinstrahlung in den vier Szenarien im Wesentlichen identisch, daher zeige ich RCP26:

Abbildung 8. CMIP5 RCP26 historische Anomalie der absorbierten Oberflächen-Sonnenstrahlung.

Huch? Die Temperaturen steigen und die absorbierte Sonneneinstrahlung sinkt? Wie bitte? Wie unglaublich ist das denn?

Aber moment da ist noch mehr! Hier sind die gleichen RCP26-Solardaten, diesmal einschließlich der Projektion der absorbierten Sonnenstrahlung an der Oberfläche bis zum Jahr 2100:

Abbildung 9. CMIP5 RCP26 historische und projizierte Anomalie der absorbierten Oberflächen-Sonnenstrahlung.

Das ist … merkwürdig. Die modellierte absorbierte Sonnenstrahlung an der Oberfläche nimmt über den gesamten historischen Zeitraum bis 2012 ab, um dann sofort wieder zu steigen.

Wahrscheinlich ist das nur ein Zufall.

Aber bedenken Sie … wenn sie irgendwie steigende historische Temperaturen bei sinkender historischer absorbierter Sonnenstrahlung erhalten, stellen Sie sich vor, wie hoch ihre zukünftigen Prognosen bei steigender absorbierter Sonnenstrahlung sein werden. Das ist eine Win-Win-Situation für die Alarmisten!

Und wie kommt es, dass ich derjenige bin, dem diese Dinge auffallen, und nicht die guten Leute, die die Modelle betreiben, oder die Leute von CMIP5?

Immer wieder neue Fragen.

Link: https://wattsupwiththat.com/2023/06/19/sun-temperatures-and-models/

Übersetzt von Christian Freuer für das EIKE

 



Das LWIR-Puzzle*: Experimente mit dem MODTRAN-Modell

geschrieben von Chris Frey | 2. Oktober 2023

Kevin Kilty

Abbildung 1. Unterschiede in der ausgehenden langwelligen Strahlung (OLR) an der Spitze einer tropischen Atmosphäre zwischen 260 ppm und 420 ppm CO₂-Konzentration. Die einzigen offensichtlichen Unterschiede liegen in der Nähe des atmosphärischen Wasserdampffensters.

Auf dieser Website wird viel Tinte über CO₂ und seine Auswirkungen auf die langwellige Infrarotstrahlung (LWIR) verschüttet, sowohl in den Artikeln selbst als auch in den nachfolgenden Threads. Da diese Seite von vielen Skeptikern des Zusammenhangs zwischen CO₂ und globaler Erwärmung besucht wird, versuchen die meisten dieser Argumente, CO₂ als Ursache für eine Klimaerwärmung zu entlasten.

Ein gemeinsames Thema ist, dass die relativ geringe Auswirkung einer CO₂-Verdoppelung auf das LWIR an der Oberseite der Atmosphäre (TOA) zu gering zu sein scheint, um die viel größere Wirkung zu erzielen, die für eine Erwärmung von 3 K an der Oberfläche erforderlich ist. In mehreren Artikeln vom letzten Sommer wurden die Behauptungen des IPCC gegenüber dem Stefan-Boltzmann-Gesetz in Frage gestellt;[1][2] und viele Kommentare spiegeln diese Meinung ebenfalls wider. Es scheint ein allgemeines Missverständnis zu geben, das von der Gemeinschaft der Klimaforscher selbst initiiert wurde und bis heute aufrechterhalten wird. Untersuchen wir das Problem des Infrarottransports in der Atmosphäre anhand einiger einfacher Modellierungen. Einige dieser Ergebnisse könnten für so Manchen überraschend sein.

[Hervorhebung im Original]

Die Essenz eines Missverständnisses

Wenn die CO₂-Konzentration von ihrem derzeitigen Wert von 400 ppm auf 800 ppm verdoppelt wird, führt dies zu einer Verringerung der ausgehenden LWIR-Strahlung um etwa 3,7 W/m² am TOA.[3] Fast jeder spricht bei diesem Rückgang von einem „Forcing“. Diese unglückliche Formulierung erweckt den Eindruck, dass sich die 3,7 W/m² an der TOA mit der Sonnenstrahlung, die auf die Oberfläche trifft, verbinden und die Oberflächentemperatur direkt nach oben treiben. Er suggeriert, wenn man so will, so etwas wie einen Wärmestromvektor, der auf die Oberfläche zeigt.

Dies ist jedoch nicht der Fall. Das Defizit von 3,7 W/m² strahlt überhaupt nicht vom TOA auf die Oberfläche. Es handelt sich um ein Defizit der ausgehenden Strahlung, das durch die höhere CO₂-Konzentration auf allen Ebenen der Atmosphäre verursacht wird, die mehr Strahlung absorbiert und effektiver in alle Richtungen abstrahlt. Der Wert von 3,7 W/m² an der TOA hängt von der angenommenen Temperatur und Zusammensetzung der Atmosphäre ab.

In der Nähe der Erdoberfläche verhält es sich ähnlich. Das LWIR wird in dieser Atmosphäre aufgrund unserer neuen CO₂-Konzentration anders absorbiert und emittiert. Da die Atmosphäre für LWIR relativ undurchlässig ist (allerdings nicht völlig undurchlässig; verschiedene Modelle gehen von 12 % bis 35 % Transparenz in der Spalte von der Oberfläche bis zum TOA aus), hat das, was am TOA geschieht, nur begrenzte Auswirkungen auf das, was an der Oberfläche geschieht. Was an der Oberfläche zählt, ist hauptsächlich die Absorption und Emission von LWIR im wärmsten und feuchtesten Teil der Atmosphäre in Bodennähe. Der Klimaantrieb ist die Störung, die CO₂ auf den lokalen LWIR-Transport ausübt; es ist nicht der Rückgang des LWIR um 3,7 W/m², den wir aufgrund dieser Störung zufällig am TOA beobachten können.

Strahlungstransport

Die Übertragung von Strahlungsenergie ist ein komplexes Problem. Häufig wird allein die Stefan-Boltzmann-Gleichung als Grundlage für Strahlungsberechnungen verwendet. Dies funktioniert nur, wenn die Strahlung zwischen Oberflächen ausgetauscht wird, zwischen denen sich kein IR-aktives Medium befindet. Mit anderen Worten: Die alleinige Verwendung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes schränkt die Probleme, die man legitimerweise angehen kann, stark ein.

Wenn eine physikalische Situation Grenzen mit fester Temperatur oder festem Strahlungsfluss und ein Medium umfasst, das durch Emission, Absorption oder Streuung an der Übertragung teilnehmen kann, wird das Problem enorm schwieriger und erfordert einen echten Lösungsansatz für den Strahlungstransport. Das einzige Tool, das mir zur Verfügung steht, ist MODTRAN, das den Transport zwischen zwei Punkten im Raum berechnen kann, solange Temperatur und Zusammensetzung angegeben sind. Es kann keine unbekannte Temperatur berechnen, weil es kein vollständiger Lösungsansatz für die Transportgleichung ist.

Das Problem des Strahlungstransports sieht folgendermaßen aus: Strahlung, die an einem beliebigen Punkt im Raum einfällt, hat den Raum auf Strahlen von anderen Punkten durchquert, an denen es zu Absorption, Emission und Streuung gekommen ist. Inzwischen entsteht an jedem Punkt aufgrund seiner Temperatur eine gewisse Menge an emittierter Strahlung, die sich in alle Richtungen ausbreitet. MODTRAN berechnet die akkumulierten Änderungen der Strahlungsintensität entlang einer bestimmten Bewegungsrichtung aus all diesen Faktoren.

Dieses Problem ist fast identisch mit dem der Berechnung des Neutronenflusses in einem Kernreaktor, der Wärme abgibt, Elemente umwandelt und dabei weitere Neutronen aussendet. Ohne eine Transportgleichung würde man nie verstehen, was in einem Reaktor vor sich geht, und dasselbe gilt für den Transport von Strahlungswärme in einer aktiven Atmosphäre.

Grenzen des MODTRAN-Modells

Die an der Universität von Chicago verfügbare Version von MODTRAN besteht aus einem in den 1980er Jahren geschriebenen FORTRAN-Programm, auf das man über einen in einer anderen Sprache geschriebenen „Wrapper“ in begrenztem Umfang zugreifen kann. Der Wrapper bietet eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) mit Eingabefeldern, in denen man die Randtemperaturen ändern, aus einer begrenzten Anzahl von Atmosphärenmodellen auswählen und den Gehalt an Treibhausgasen oder die Wolkenbedeckung einstellen kann. Das ist praktisch, verhindert aber, dass man die volle Leistung des alten FORTRAN-Codes nutzen kann.

Zum einen kann man nicht in jedem beliebigen Blickwinkel wählen. Nur vertikale Ansichten sind erlaubt. Um die Strahlungsintensität (I) entlang eines vertikalen Pfades in die tatsächliche Bestrahlungsstärke (Fluss) auf einer Oberfläche (G) umzuwandeln, geht man in der Regel von isotroper Strahlung aus, was die Umwandlung so einfach macht wie G= pI. [4] Dies ist nicht besonders wichtig, außer dass es Teil einer Liste von Problemen ist [5], die verhindern, dass die Genauigkeit von MODTRAN besser als 5-10 W/m² ist. Unterschiede zwischen Modellen, die sich nur durch ein oder zwei Parameter unterscheiden, sind jedoch wahrscheinlich genauer als dies.

Zweitens tritt bei einer infrarot-aktiven Atmosphäre eine Temperaturdiskontinuität an den Grenzflächen auf [6], wodurch ein Konzept wie die Oberflächentemperatur mehrdeutig wird. Es erschwert die Einbeziehung der konvektiven Wärmeübertragung in ein Problem.

Drittens habe ich, nachdem ich viele Modelle ausgeführt habe, einen Fehler im alten FORTRAN-Code festgestellt. Der Fehler manifestiert sich in getrennten Durchläufen mit unterschiedlichen Parametern, die zu genau denselben Lösungen führen – und ich meine genau. Das ist ein Fehler. Vor vierzig Jahren wurde ich dafür bezahlt, alte FORTRAN-Codes aus dem gleichen Jahrgang wie MODTRAN umzuschreiben, um sie zwischen Maschinen mit unterschiedlichen Wortlängen, unterschiedlichen Sprachen und unterschiedlichen Compilern zu portieren. Genau wie MODTRAN stammten diese Codes von Bundesverträgen oder Bundesbehörden. Die meisten enthielten eine gewisse Anzahl von Fehlern. Im Falle von MODTRAN scheint der Code an Stellen, an denen er doppelte Genauigkeit verwenden sollte, mit einfacher Genauigkeit zu rechnen.

Benutzer aufgepasst.

Die Auswirkungen von Änderungen der CO₂-Konzentration

MODTRAN bietet mehrere Modelle der Atmosphäre an. Nehmen wir das tropische Modell als Beispiel, und zwar aus dem einfachen Grund, dass ein großer Teil des Sonneneintrags auf die Erde in den Tropen stattfindet. Betrachten wir außerdem die Unterschiede zwischen 260 ppm (vorindustrielle) und 420 ppm (nahezu aktuelle) CO₂-Konzentration. Als Obergrenze der Atmosphäre (Top of Atmosphere, TOA) nehmen wir eine Höhe von 18 km über der Oberfläche von 1013 mbar an. Unser Referenzmodell liegt bei 260 ppm. Es gibt keine Wolken und wir vernachlässigen jegliche Auswirkungen der Konvektion. Ich konzentriere mich ausschließlich auf den Strahlungstransport.

Wie Abbildung 2 zeigt, berechnet MODTRAN die Unterschiede im Strahlungstransport, die durch den von uns gewählten CO₂-Anstieg verursacht werden, als einen Rückgang am TOA von 3 W/m². Die neue Atmosphäre absorbiert mehr LWIR. Diese Abnahme der LWIR-Strahlung würde von Satelliten gemessen werden, aber sie hat sich über 400 Jahre hinweg vollzogen und beträgt nur ein Zehntel Watt pro Quadratmeter und Jahrzehnt. Er ist mit anderen Worten nicht messbar, da er im Rahmen des Auflösungsvermögens eines jeden Instruments und des von der Erde verursachten Rauschens liegt [7].

Abbildung 2. Ergebnisse des Referenzmodells und Vergleich mit dem Modell mit höherer CO₂-Konzentration (420 ppm). Beachten Sie, dass die OLR infolge der neuen Absorption in der Atmosphäre zurückgegangen ist.

Das OLR-Diagramm (Abbildung 3) in diesem aktuellen WUWT-Aufsatz [in deutscher Übersetzung hier] zeigt, dass Klimastörungen weitaus größere Auswirkungen haben. Die beiden jüngsten El Ninos und der Pinatubo zum Beispiel zeigen in diesem Diagramm weitaus größere Auswirkungen, als es unser langsamer CO₂-Anstieg jemals könnte. Folglich beweist die Grafik nichts über den gegenwärtigen Einfluss von CO₂.

Abbildung 3. Grafik der von Satelliten gemessenen abgehenden langwelligen Strahlung. Vorübergehende Störungen des Klimas wie El Ninos und Vulkanausbrüche machen etwa 1-2 W/m² aus, während der Einfluss von CO₂ in der vorindustriellen Zeit bis heute über die gesamte Grafik hinweg nur etwa 10-20 % ausmachen würde. Diese Grafik stammt aus Dewitte und Clerbaux, 2018, Remote Sensing, 10(10), S.1539 und wurde im oben verlinkten aktuellen WUWT-Aufsatz referenziert.

In der Zwischenzeit erhöht dieser CO₂-Anstieg in der Nähe der tropischen Oberfläche den nach unten gerichteten Fluss um 1 W/m². Wenn wir davon ausgehen, dass sich die tropische Atmosphäre und die Oberfläche in unserem Referenzmodell im Energiegleichgewicht befanden, dann werden die bei 420 ppm berechneten Änderungen des LWIR-Flusses die Temperatur der Atmosphäre und der Oberfläche erhöhen, bis das ausgehende LWIR am TOA wieder den Referenzwert von 301,6 W/m² erreicht. Um herauszufinden, wie hoch der Temperaturanstieg sein muss, um das Gleichgewicht wiederherzustellen, können wir MODTRAN durch eine Reihe von Iterationen verwenden.

Mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes können wir berechnen, dass ein Anstieg der langwelligen Strahlung um 1 W/m² an der Oberfläche die Grenztemperatur an der Oberfläche nur um 0,18 K erhöhen würde. Dies ist viel zu wenig, um die Energie am TOA auszugleichen, aber selbst diese kleine Anpassung der Oberflächentemperatur erhöht nicht nur die OLR, sondern auch die abwärts gerichtete LWIR an der Oberfläche erheblich. Wiederholte MODTRAN-Berechnungen mit verfeinerten Schätzungen der Oberflächentemperatur zeigen, dass das Energiegleichgewicht am TOA mit einem Temperaturanstieg von 0,7 K wiederhergestellt ist. Abbildung 4 zeigt dies. Ein Anstieg um 0,7 K an der Oberfläche, die fast schwarz ist (e=0,97), kann jedoch nicht ohne einen Anstieg der emittierten Leistung (berechnet mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz) von 4,2 W/m² aufrechterhalten werden. Das ist ein viel größerer Wert als der, mit dem wir begonnen haben.

Abbildung 4. Eine Erhöhung der Grenztemperatur um 0,7 K stellt das Energiegleichgewicht am TOA wieder her.

Wie geschieht das? Ein geringer Anstieg der Bestrahlungsstärke an der Bodenoberfläche erhöht deren Temperatur. Dies wiederum erhöht die von der Oberfläche abgestrahlte Leistung. Die erhöhte Strahlungsleistung wird in der Atmosphäre absorbiert, vor allem in der Nähe der Oberfläche, da dies der feuchte Teil der Atmosphäre ist. Ein Teil dieser absorbierten Strahlung wird an den Boden zurückgestrahlt. Dadurch steigt die Oberflächentemperatur wieder leicht an. Der Prozess wiederholt sich ad infinitum. Es handelt sich um eine unendliche Reihe von Wiederabstrahlungen, die schließlich konvergieren, wenn das Energiegleichgewicht wiederhergestellt ist. Unendliche Reihen wie diese sind bei Problemen des Strahlungsaustauschs zwischen Oberflächen mit oder ohne dazwischenliegendem aktiven Medium üblich – der Resonanzraum eines Lasers ist ein extremes Beispiel für Ersteres.

Schlussfolgerung

Unser Experiment zeigt, dass der Strahlungstransport zu den begrenzenden Oberflächen eines IR-aktiven Mediums hauptsächlich aus dem Rückstrahlungsaustausch zwischen den Oberflächen und dem benachbarten Medium besteht. Der Austausch, der in einem Teil des Mediums stattfindet, kann einen geringen Einfluss auf andere Teile haben. Je mehr Teile des Mediums voneinander isoliert sind, desto langsamer ist die Rückkehr zum Gleichgewicht durch Rückstrahlung und Temperaturanpassungen.

In unserem Testfall manifestiert sich ein Anstieg der CO₂-Konzentration von den vorindustriellen Schätzwerten bis zum heutigen Zeitpunkt zunächst in einer Abnahme von 3 W/m² an der TOA und einer Zunahme von 1 W/m² an der Oberfläche. Die Störung durch den CO₂-Anstieg in der gesamten Atmosphäre durchläuft eine Kette von Ereignissen, die darin endet, dass das Energiegleichgewicht am TOA wiederhergestellt wird und ein Temperaturanstieg an der Oberfläche einen Anstieg von 4,2 W/m² zu erfordern scheint [8]. Das ist es aber nicht. Solche scheinbaren Ungereimtheiten treten häufig auf, wenn ein aktives Medium am Transport beteiligt ist [9].

Anmerkungen

1. Eine ernsthafte Frage. In diesem Fall wurden die 3,7 W/m² am TOA mit der Energiedichte verglichen, die erforderlich ist, um einen Anstieg der Oberflächentemperatur von nur 1 K aufrechtzuerhalten, berechnet mit der Stefan-Boltzmann-Gleichung, die 7 W/m² beträgt. Der scheinbare Widerspruch ist leicht zu erkennen.

2. Hayden wird im letzten SEPP-Newsletter zitiert.

3. Dieser Wert von 3,7 W/m² für den „Klimaantrieb“ wird an vielen Stellen zitiert, kann aber durch die Verwendung von MODTRAN mit jedem seiner atmosphärischen Sommermodelle durch Verdoppelung des CO₂ nachgewiesen werden.

4. Hauptsächlich wegen der nicht isotropen Strahlung. Ein Beispiel: Aus einer Höhe von 16 km über der Erdoberfläche werden bei einem Blick auf die untere Hemisphäre 0,28 Steradiane mit einem Hintergrund aus kaltem Raum gefüllt sein, während die restlichen 6,00 Steradiane von der warmen Erdoberfläche eingenommen werden. Dies ist aus dem Bullauge eines Flugzeugs deutlich sichtbar. Aufgrund dieser Veränderung des Hintergrunds wird der durch die Annahme von G= pI berechnete Flusswert zu stark verzerrt sein.

5. Diese lange Liste enthält hauptsächlich Probleme mit der Isotropieannahme in verschiedenen Zusammenhängen. Interessanterweise verwendet der Wrapper nicht p, sondern die Konstante 3,14. Bei keiner dieser Berechnungen gibt es eine Zeitabhängigkeit. MODTRAN-Berechnungen erfolgen augenblicklich, aber die tatsächlichen Veränderungen sind verzögert und brauchen Zeit.

6. Siehe zum Beispiel: Houghton, J.T., 1986, Physics of Atmospheres, 2nd Ed., Cambridge. P. 13. Oder, M. Necati Ozisik, 1973, Radiative Transfer, Wiley-Interscience. S. 320.

7. Man könnte fast sagen, dass die Oberflächentemperatur der Erde einen Großteil ihres eigenen Treibhauseffekts verursacht.

8. Die Rückkehr zum Gleichgewicht kann lange dauern, da sie Veränderungen an der Erdoberfläche wie das Schmelzen von Eis oder die Veränderung der Vegetation mit sich bringen kann.

9. Zu den weiteren offensichtlichen Ungereimtheiten gehört, dass eine steigende CO₂-Konzentration die Erde anscheinend eher abkühlt als erwärmt, insbesondere wenn die IR-aktiven Gase in der Atmosphäre in einer dünnen Schicht in Bodennähe konzentriert sind und die übrige Atmosphäre darüber besonders transparent ist, wie z. B. in der Antarktis oder der winterlichen Arktis oder an der Bodenoberfläche von Hochregionen.

Link: https://wattsupwiththat.com/2023/03/17/the-lwir-puzzle-experiments-with-modtran/

Übersetzt von Christian Freuer für das EIKE

 



Wo ist die Obergrenze der Atmosphäre?

geschrieben von Chris Frey | 2. Oktober 2023

Willis Eschenbach

In meinem letzten Beitrag mit dem Titel Advection habe ich das Online-Modell MODTRAN Infrared Light In The Atmosphere besprochen. Ein Kommentator wies mich darauf hin, dass ich mich in der Vergangenheit darüber gewundert hatte, warum die MODTRAN-Ergebnisse zeigten, dass eine Verdoppelung des CO2 eine Abnahme der aufsteigenden langwelligen Strahlung (LW) an der Obergrenze der Atmosphäre [Top of Atmosphere TOA] um weniger als den offiziellen Wert von 3,7 Watt pro Quadratmeter (W/m²) pro Verdoppelung des CO2 verursachte. Hier sind die Daten:

Abbildung 1. MODTRAN-Ergebnisse für mehrere CO2-Verdoppelungen, nur bei klarem Himmel, gemessen an der Obergrenze der Atmosphäre (TOA). Die Einheiten sind Watt pro Quadratmeter (W/m²).

Um herauszufinden, warum diese Werte so niedrig waren, ging ich zurück zu der Studie mit dem Wert von 3,7 W/m² von Mhyre et al. Ich erinnerte mich auch daran, dass in meinem früheren Thread Kommentatoren erwähnt hatten, dass es zwei Definitionen von „top-of-atmosphere“ gibt. Eine davon war die, die ich für Abbildung 1 verwendet hatte, mit Blick aus 70 km Höhe über der Oberfläche. Und die andere Definition des „oberen Teils der Atmosphäre“ war die Tropopause. Nach erneuter Lektüre von Mhyre und weiteren Nachforschungen konnte ich bestätigen, dass die Messungen und Modellergebnisse, die den kanonischen Wert von 3,7 W/m² pro Verdoppelung ergeben, nicht am tatsächlichen oberen Ende der Atmosphäre (TOA), sondern an der Tropopause gemessen wurden.

Die Tropopause ist die Grenze zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre. Sie ist der Ort, an dem die Temperatur der Atmosphäre mit zunehmender Höhe nicht mehr kälter wird. Die Tropopause befindet sich zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten in unterschiedlichen Höhen.

Das MODTRAN-Modell bietet eine Grafik des atmosphärischen Temperaturprofils an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Jahreszeiten. Hier ist das Profil für die so genannte „US-Standardatmosphäre“:

Abbildung 2. Profil der Temperatur in Abhängigkeit von der Höhe, US-Standardatmosphäre

Meine Berechnungen für Abbildung 1 wurden aus 70 km Höhe durchgeführt … aber wie Sie sehen können, liegt die Tropopause in Abbildung 2 an diesem Ort nur bei 11 km.

 

Also habe ich meine MODTRAN-Läufe in Abbildung 1 wiederholt und diesmal von den entsprechenden Tropopausenhöhen an jedem Ort aus gemessen. Bei der Berechnung der langwelligen Veränderungen an der Tropopause müssen zwei Messungen vorgenommen werden – eine nach oben und eine nach unten. Die endgültige Antwort ist der Saldo der beiden Änderungen.

Dies als Prolog, hier sind meine Ergebnisse. Ich habe sie mit den Ergebnissen in Tabelle 1 der Arbeit von Mhyre et al. verglichen. Meine durchschnittlichen Ergebnisse, die wie in der Arbeit von Mhyre et al. berechnet wurden, ergeben einen Anstieg der langwelligen Absorption (LW) in der Troposphäre über freiem Himmel, der sich aus einer Verdopplung des CO2 um 4,97 Watt pro Quadratmeter (W/m²) ergibt. Dies kommt dem Wert von Mhyre et al. (Tabelle 1) von 5,04 W/m² pro Verdopplung sehr nahe – es sind weniger als 0,1 W/m² Unterschied. Zusammen mit der guten Übereinstimmung mit den CERES-Zahlen, die ich in meinem letzten Beitrag erwähnt habe, geben mir diese Ergebnisse Vertrauen in das MODTRAN-Modell.

Abbildung 3. Wie in Abbildung 1, jedoch an der Tropopause und nicht in 70 km Höhe am oberen Ende der Atmosphäre (TOA) gemessen.

In Abbildung 3 sind einige überraschende Dinge zu erkennen. Erstens nimmt die Veränderung pro Verdoppelung leicht ab, wenn der absolute Wert des atmosphärischen CO2-Gehalts steigt. Unerwartet. Vermutlich spiegelt dies eine allmähliche Sättigung der Absorptionsbanden wider. Sie ist jedoch nicht groß genug, um die meisten Berechnungen zu beeinflussen.

Zweitens, und das ist noch wichtiger, habe ich einen so großen Unterschied zwischen den Messungen auf den beiden Ebenen nicht erwartet. Die TOA-Messungen sind im Durchschnitt etwa 52 % kleiner als die Tropopausenmessungen.

Dies ist wegen der Theorie interessant, warum ein CO2-Anstieg zu einer Oberflächenerwärmung führt. Die Theorie lautet wie folgt:

– Die Menge des atmosphärischen CO2 nimmt zu.

– Dadurch wird mehr aufsteigende langwellige Strahlung absorbiert, was zu einer unausgewogenen Strahlung an der Oberseite der Atmosphäre (TOA) führt. Dies ist das TOA-Gleichgewicht zwischen dem einfallenden Sonnenlicht (nachdem ein Teil des Sonnenlichts in den Weltraum zurückgeworfen wurde) und der von der Oberfläche und der Atmosphäre ausgehenden langwelligen Strahlung.

– Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, so dass die eingehende Strahlung gleich der ausgehenden Strahlung ist, muss sich die Oberfläche zwangsläufig erwärmen, bis genügend zusätzliche aufsteigende Langwellen-Strahlung vorhanden ist, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.

Ich habe auf das Problem dieser Theorie hingewiesen, nämlich dass es eine Reihe anderer Möglichkeiten gibt, das TOA-Gleichgewicht wiederherzustellen. Dazu gehören:

– Erhöhte Wolken- oder Oberflächenreflexionen können die Menge des einfallenden Sonnenlichts verringern.

– Eine verstärkte Absorption des Sonnenlichts durch atmosphärische Aerosole und Wolken kann zu einer größeren aufsteigenden Langwellen-Strahlung führen.

– Eine Zunahme der Anzahl oder Dauer von Gewittern verlagert zusätzliche Oberflächenwärme in die Troposphäre und damit über einen Teil der Treibhausgase, was zu einer erhöhten aufsteigenden TOA- Langwellen-Strahlung führt.

– Eine Zunahme der Energiemenge, die von den Tropen zu den Polen transportiert wird, erhöht die aufsteigende TOA-Langwellen-Strahlung .

– Eine Änderung des Anteils der atmosphärischen Strahlung, der nach oben und nicht nach unten gerichtet ist, kann zu einem Anstieg der aufsteigenden Strahlung führen.

Es ist also nicht erforderlich, dass die Oberflächentemperaturen als Reaktion auf eine CO2-Erhöhung steigen. Eine Erhöhung der Oberflächentemperaturen ist nur eine von mehreren Möglichkeiten, das TOA-Strahlungsgleichgewicht wiederherzustellen.

Die Erkenntnis, die sich aus dem großen Unterschied zwischen TOA- und Troposphärenmessungen für mich ergibt, ist, dass ich dachte, das Ungleichgewicht am tatsächlichen TOA bei einer CO2-Verdoppelung würde 3,7 W/m² betragen … tatsächlich ist es aber nur etwa die Hälfte davon, nämlich 1,9 W/m².

Wie ich bereits oben erwähnt habe, gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, wie die TOA-Strahlungsbilanz wiederhergestellt werden kann. Wie viel davon ist also auf die Oberflächenerwärmung zurückzuführen?

Nun, hier ist die Beziehung zwischen der Oberflächentemperatur und der aufsteigenden langwelligen TOA-Strahlung.

Abbildung 4. Streudiagramm, durchschnittliche aufsteigende TOA-Langwellen-Strahlung im Vergleich zur Oberflächentemperatur, 1° Breitengrad mal 1° Längengrad Gitterzellen.

Wie zu erwarten, nimmt die aufsteigende TOA-Langwelle in weiten Teilen der Erde mit der Erwärmung der Oberfläche zu. Das macht Sinn, denn eine wärmere Oberfläche strahlt mehr Langwelle ab, so dass man annehmen sollte, dass die aufsteigende TOA-Langwellen-Strahlung zunimmt.

Bei Temperaturen oberhalb von etwa 26 °C ändert sich die Situation jedoch rasch. Oberhalb dieser Temperatur nimmt die aufsteigende TOA-Langwellen-Strahlung mit steigender Temperatur sehr schnell ab.

Ich führe dies auf die Wirkung von tropischen Gewittern zurück. Diese bilden sich bevorzugt bei Temperaturen über ~ 26°C. Hier ist ein Blick auf den Effekt anhand zweier sehr unterschiedlicher Datensätze:

Abbildung 5. Niederschlag aus tropischen Gewittern im Vergleich zur Meeresoberflächen-Temperatur. Die roten Punkte stammen von der Tropical Rainfall Measuring Mission. Die blauen Punkte stammen von der TAO/TRITON-Anlage mit verankerten Meeresbojen.

Und wie sieht die langfristige Bilanz von all dem auf dem gesamten Globus aus? Abbildung 6 zeigt das Ergebnis:

Abbildung 6. Streudiagramm, monatliche aufsteigende Langwelle über der Atmosphäre (TOA LW) gegenüber der Oberflächentemperatur.

Unter sonst gleichen Bedingungen (was nie der Fall ist) führt den CERES-Daten zufolge ein Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um 1°C zu einem Anstieg der aufsteigenden TOA-LW um 1,9 W/m² …. Dies entspricht der Höhe des Rückgangs der aufsteigenden TOA-LW, was ein eindeutiger Zufall ist, der sich aus einer Verdopplung des CO2 ergeben würde.

In diesem Zusammenhang ist es erwähnenswert, dass sich die Dinge mit Lichtgeschwindigkeit abspielen, da wir es mit Strahlung in der Atmosphäre zu tun haben. Eine Kreuzkorrelationsanalyse zeigt, dass es keine Verzögerung zwischen monatlichen Änderungen der Oberflächentemperatur und monatlichen Änderungen der langwelligen TOA-Strahlung gibt:

Abbildung 7. Kreuzkorrelation, monatliche aufsteigende Langwelle über der Atmosphäre (TOA LW) und Oberflächentemperatur. Positive Werte zeigen eine Verzögerung der TOA-LW gegenüber der Oberflächentemperatur, negative Werte eine Verzögerung der Oberflächentemperatur gegenüber der TOA-LW. Insgesamt gibt es keine Verzögerung zwischen den beiden.

Da es hier keine Verzögerung gibt und die Oberflächentemperatur direkt mit den Änderungen der langwelligen TOA-Strahlung in Beziehung steht, scheint mir dies eine gute Schätzung für die Gleichgewichts-Klimasensitivität (ECS) von 1°C pro CO2-Verdoppelung zu sein … aber was weiß ich schon, ich bin ja gestern geboren.

Der berechnete Rückgang der TOA-Langwellen-Strahlung, der auf den CO2-Anstieg im 21-Jahres-Zeitraum zurückzuführen ist, beträgt etwa -0,3 W/m². Die Änderung der Oberflächentemperatur in diesem Zeitraum beträgt ~ 0,4°C. Dadurch hat sich die TOA-LW um ~ 0,8 W/m² erhöht, was bedeutet, dass sich die Oberfläche mehr als doppelt so schnell erwärmt, wie es zum Ausgleich des TOA-Ungleichgewichts erforderlich wäre.

Warum erwärmt sich die Oberfläche schneller, als es der CO2-Anstieg vermuten lässt? Nun, der Hauptgrund ist die Zunahme der von der Oberfläche absorbierten Sonnenlichtmenge. Diese Sonnenenergie hat in den 21 Jahren der CERES-Aufzeichnung um 1,5 W/m² zugenommen … wie ich schon sagte, sind andere Dinge nie gleich.

Link: https://wattsupwiththat.com/2022/01/07/where-is-the-top-of-the-atmosphere/

Übersetzt von Christian Freuer für das EIKE

 



Ungleichgewicht oben

geschrieben von Chris Frey | 2. Oktober 2023

Willis Eschenbach

Die „CO2 Temperatur“-Theorie geht folgendermaßen:

– Die Menge des atmosphärischen CO2 nimmt zu.

– Dadurch wird mehr aufsteigende langwellige Strahlung absorbiert, was zu einer unausgewogenen Strahlung an der Oberseite der Atmosphäre (TOA) führt. Dies ist das TOA-Gleichgewicht zwischen dem einfallenden Sonnenlicht (nachdem ein Teil davon in den Weltraum zurückgeworfen wurde) und der von der Oberfläche und der Atmosphäre ausgehenden langwelligen Strahlung.

– Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, so dass die eingehende Strahlung gleich der ausgehenden Strahlung ist, muss sich die Oberfläche zwangsläufig erwärmen, bis genügend zusätzliche aufsteigende Langwelle vorhanden ist, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.

Ich habe bereits erwähnt, dass diese Theorie nicht stimmt, weil es mehrere andere Möglichkeiten gibt, wie das TOA-Strahlungsgleichgewicht verändert oder wiederhergestellt werden kann. Dazu gehören:

– Erhöhte Wolken- oder Oberflächenreflexionen können die Menge des einfallenden Sonnenlichts verringern.

– Eine verstärkte Absorption des Sonnenlichts durch atmosphärische Aerosole und Wolken kann zu einer größeren aufsteigenden Langwellen-Strahlung führen.

– Eine Zunahme der Anzahl oder Dauer von Gewittern verlagert zusätzliche Oberflächenwärme in die Troposphäre und damit über einige der Treibhausgase, was zu einer verstärkten aufsteigenden Langwellen-Strahlung führt.

– Eine Veränderung des Anteils der atmosphärischen Strahlung, der nach oben und nicht nach unten gerichtet ist, kann zu einer erhöhten aufsteigenden Strahlung führen.

– Eine verstärkte Advektion (horizontale Bewegung) von Wärme aus den Tropen in die Polarregionen kann die Menge der aufsteigenden langwelligen Strahlung erhöhen.

Wenn man an eine Strahlungsbilanz an der Oberseite der Atmosphäre (TOA) denkt, ist es normal, sich vorzustellen, dass die TOA überall auf der Erde ziemlich ausgeglichen ist. Nichts könnte jedoch weiter von der Wahrheit entfernt sein … hier ist das TOA-Ungleichgewicht, wie es in den CERES-Satellitendaten gezeigt wird:

Abbildung 1. Durchschnittliche Strahlungsbilanz an der Obergrenze der Atmosphäre (TOA), März 2000 bis Februar 2021. Positive Werte zeigen ein Ungleichgewicht an, d. h. einen Überschuss an eingehender Sonnenstrahlung im Vergleich zur ausgehenden langwelligen (thermischen) Strahlung, und umgekehrt bei negativen Werten.

Wie Sie sehen können, ist der einzige Ort, an dem die ein- und ausgehende Strahlung gleich ist, durch die schwarz-weißen Linien dargestellt. In den Tropen ist die eintreffende Netto-Sonnenstrahlung (nach Reflexionen) viel höher als die ausgehende langwellige Strahlung. Und außerhalb dieser Region in Richtung der beiden Pole ist die abgehende langwellige Strahlung viel höher als die eingehende Sonnenstrahlung.

Dies ist das Ergebnis der oben erwähnten „Advektion“, der polwärts gerichteten horizontalen Energieübertragung durch Meeresströmungen und atmosphärische Bewegungen. Und dies ist eine gigantische Energiebewegung. Es ist ein konstanter Fluss von etwa 15 Petawatt (10↑15 Watt) über die schwarz-weißen Linien oben.

Wie viel Energie ist das? Nun, wenn man alle drei Meter entlang der schwarz-weißen Linien um die Erde bei etwa 40°N/S des Äquators ein 1-Gigawatt-Kernkraftwerk aufstellen würde … so viel Energie würden sie insgesamt erzeugen.

Oder anders ausgedrückt: Das ist mehr als das Tausendfache des derzeitigen gesamten Primärenergieverbrauchs aller Menschen auf der Erde.

Vor diesem Hintergrund möchte ich auf die Frage der TOA-Bilanz zurückkommen. Steigendes CO2 absorbiert mehr aufsteigende Langwellen-Sgtrahlung, was zu weniger abfließender Langwellen-Strahlung an der TOA führt. Dadurch wird die TOA-Bilanz positiver.

Und theoretisch sollte ein Anstieg der Oberflächentemperatur die Menge der abgehenden Langwellen-Strahlung an der TOA erhöhen. Dadurch würde die TOA-Bilanz negativer ausfallen. Kurz gesagt, wenn die Oberflächentemperatur steigt, sollte die TOA-Bilanz sinken …

[Alle Hervorhebungen im Original]

Als ich darüber nachdachte, wurde mir klar, dass ich mir diese Beziehung noch nie angeschaut hatte. Hier sind, wiederum aus dem CERES-Datensatz, die beiden fraglichen Variablen – Oberflächentemperatur und TOA-Ungleichgewicht.

Abbildung 2. Änderung der Oberflächentemperatur, März 2000 – Februar 2021

Dies steht in guter Übereinstimmung mit anderen Rekonstruktionen der globalen Oberflächentemperatur, wie Berkeley Earth und HadCRUT, obwohl sich jeder dieser globalen Temperaturdatensätze leicht von den anderen unterscheidet.

Als nächstes habe ich mir die Veränderung des TOA-Ungleichgewichts angesehen.

Abbildung 3. Veränderung des TOA-Strahlungsungleichgewichts, März 2000 – Februar 2021

Als ich das sah, sagte ich etwas, das sich sehr nach „YIKES!!“ anhörte.

Und warum?

Nun, wenn Sie sich an die obigen Ausführungen erinnern, sollte das TOA-Ungleichgewicht mit steigender Temperatur eigentlich sinken … tut es aber nicht. Das TOA-Ungleichgewicht bleibt nicht einmal auf dem gleichen Niveau. Es steigt an.

Um dies weiter zu untersuchen, habe ich ein Streudiagramm des TOA-Ungleichgewichts gegenüber der Oberflächentemperatur erstellt … und hier ist das Diagramm:

Abbildung 4. Streudiagramm, Strahlungsungleichgewicht an der Obergrenze der Atmosphäre (TOA) gegenüber der Oberflächentemperatur, März 2000 – Februar 2021

Dasselbe Problem, nur schlimmer – es gibt KEINE statistisch signifikante Beziehung zwischen der Oberflächentemperatur und dem TOA-Strahlungsungleichgewicht.

Seltsam … die Schlussfolgerung daraus muss eindeutig sein, dass die anderen Faktoren, die das TOA-Gleichgewicht beeinflussen, viel mehr Einfluss haben als die Veränderung der Oberflächentemperatur.

Für mich ist das keine Überraschung. Ich sehe das Klimasystem als eine riesige natürliche Wärmekraftmaschine, die dem von Adrian Bejan entdeckten Konstruktionsgesetz unterliegt. Diesem Konstruktionsgesetz zufolge müssen sich Strömungssysteme, die sich nicht im Gleichgewicht befinden, ständig verändern und weiterentwickeln, um weiter bestehen zu können … und das führt dazu, dass, wie in diesem Fall, die vereinfachenden Annahmen der modernen Klimawissenschaft einfach nicht aufgehen. Hier ist Abbildung 1 einer Analyse des Klimas von Bejan und Reis mit dem Titel [übersetzt] „Thermodynamische Optimierung der globalen Zirkulation und des Klimas“ …

Beachten Sie, wie sich das Klimasystem auf natürliche Weise so entwickelt, dass es ein Hochtemperaturgebiet AH und ein Niedrigtemperaturgebiet AL gibt … vergleichen Sie das mit Abbildung 1 oben in diesem Beitrag. Die Studie von Bejan/Reis ist äußerst faszinierend. Ich kann es jedem, der sich ernsthaft für das Klima interessiert, nicht genug empfehlen. Das Konstruktionsgesetz ist das erste neue Gesetz der Thermodynamik seit über einem Jahrhundert, und es gilt für eine Vielzahl von natürlichen Systemen. Weitere Informationen über das Konstruktionsgesetz finden Sie auf constructal.org, sowie einen ausgezeichneten Artikel zum Thema im Forbes-Magazin hier.

Weitere Gedanken zu diesem Thema werden gerne angenommen …

Anmerkung: Während des 21-jährigen Zeitraums hat die aufsteigende LW von der Oberfläche um ~1,5 W/m² zugenommen, wovon etwa 1 W/m² in den Weltraum gelangt, ohne von Treibhausgasen absorbiert und wieder nach unten umgeleitet zu werden. Dies sollte das TOA-Ungleichgewicht um etwa 1 W/m² verringert haben.

Und im gleichen Zeitraum hätte der Anstieg des CO2-Antriebs das TOA-Ungleichgewicht um etwa 0,6 W/m² erhöhen müssen. Das Nettoergebnis hätte eine Abnahme des TOA-Ungleichgewichts um 0,4 W/m² in diesem Zeitraum sein müssen.

Stattdessen haben wir einen Anstieg des TOA-Ungleichgewichts um 0,8 W/m² gesehen … deshalb habe ich „YIKES!“ gesagt.

Link: https://wattsupwiththat.com/2021/12/14/unbalanced-at-the-top/

Übersetzt von Christian Freuer für das EIKE