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:
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“:
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.
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.
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:
Und wie sieht die langfristige Bilanz von all dem auf dem gesamten Globus aus? Abbildung 6 zeigt das Ergebnis:
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:
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
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Leider
Wie immer sehr informativ, wie Willis Eschenbach wichtige Klima-Zusammenhänge und Parameter nachvollziehbar darlegt und zu interessanten Schlussfolgerungen kommt – für mich jedenfalls eine Horizont-Erweiterung. Und gibt gleichzeitig eine überzeugende Antwort auf die interessante Frage:
Warum erwärmt sich die Oberfläche schneller, als es der CO2-Anstieg vermuten lässt? (zumindest, wenn man von den fragwürdigen Klimasensitivitäten des IPCC samt irrealer Wasserdampf-Verstärkung absieht). Hier gleich nochmals die Antwort:
„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.“
Jetzt müsste man „nur“ noch wissen, wie es mit der Sonneneinstrahlung weitergeht: Mehr CO2 = weniger Wolken kann es jedenfalls nicht sein. Dies wäre wieder ein positiver Regelkreis (ähnlich der ominösen „Wasserdampfverstärkung“) und wir hätten schon lange keine Wolken mehr am Himmel.
Der Autor sieht die CO2-Verdoppelungs-Sensitivität bei ca. 1 Grad C und befindet sich damit in guter Gesellschaft mit Prof. Happer und anderen. Was kein Grund ist, wegen des grünen Klima-Wahns durchzudrehen – wie die Vorreiter. Die unter allen Aspekten auf aussichtslosen Posten sind. Schon alleine, weil der große Rest der Welt nicht so dumm ist wie die Vorreiter. Die das ganze Land und möglichst die Menschheit ruinieren – in „bester“ deutscher Tradition.
Zumal das CO2 in der Atmosphäre einen für uns alle bekömmlichen Maximalwerte nicht überschreiten wird. Zumindest, wenn man die Physik und Chemie der wachsenden CO2-Aufnahme in Ozeanen und Pflanzenwelt nicht ignoriert bzw. vollkommen entstellt – wie einige Alarmforscher, offenbar aus durchsichtigen Alarmgründen…
„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.“ Um Verzögerungseffekte zu studieren muß man sich auf eine der beiden Halbkugeln, z.B. die NH-Halbkugel beschränken. Der Antrieb ist ja die absorbierte solare Einstrahlung. Als Referenz verwende ich den Ansatz y(t)= c0+c1*cos[w*(t-t0)]. (w=2*pi/365, c0,c1 und t0 sind Fit-Parameter). Verwende ich die monatlichen 1°x1° CERES-Daten 201904-201909 für die solare Einstrahlung erhalte ich eine Verzögerung von -2,7 Tagen gegenüber dem Wendepunkt 21.6.2019. Der Fit hat ein Bestimmtheitsmaß R² von 0,9998 (Diese scheinbare Voraus-Eilung wird wohl durch die Verwendung von Monats-Mittelwerten verursacht.) Eine analoge Berechnung der Verzögerungszeiten für andere Parameter ergibt folgende Verzögerung in Tagen (Spalte 2) Spalte 3 Bestimmtheitsmaß:
SolarIn; -2,7;0,9998
ASRAS; -0,8;0,9987
ASRSAS; -4,7;0,9996
LWSOutAS;34,2;0,9993
LWOutAS; 25,6;0,9531
(AS All sky,ASR absorbierte solare Einstrahlung TOA, ASRS absorbierte solare Einstrahlung Oberfläche,LWOut abgestrahlte langwellige Strahlung TOA,LWSOut dto.Oberfläche). Für die Süd-Halbkugel ergibt für 201904-201909 entsprechend:
SolarIn; -0,2;0,9998
ASRAS; -0,6;0,9996
ASRSAS; -0,9;0,9993
LWSOutAS; 46,0;0,9991
LWOutAS; -60,0;0,9494
Fazit: Die Verzögerung der Oberflächen-Abstrahlung ist auf der SH größer als auf der NH. (Ursache: größerere Ozean-Bedeckung). Der Fit der Abstrahlung TOA ist relativ schlecht. Ursache: der meridionale Wärme-Transport spielt ein große Rolle.
„Wo ist die Obergrenze der Atmosphäre?“
Eine exakte Obergrenze gibt es nicht – daher sind alle „Definitionen“ dazu etwa so schwammig, wie die Definitionen, was „Klima“ ist! Ansonsten aber ein sehr interessanter Beitrag – aber dass Bewölkung und Besonnung die erste Geige beim Klima spielen, werden unsere Alarmisten nie zugeben… .