Die unglaubliche Physik des Treibhauseffektes – Teil 4

Teil 4: Der Treibhauseffekt auf molekularer Ebene – Eine spektroskopische Betrachtung

In den letzten beiden Artikel habe ich beschrieben, wie der Strahlungstransport durch eine absorbierende Atmosphäre funktionieren soll und wie sich Konvektion auf diesen Vorgang auswirkt.

Das Ziel dieses Artikels ist es die wichtigsten Grundlagen der Spektroskopie kurz und knapp zu erklären, um im nächsten Artikel die Wechselwirkung von Treibhausgasmolekülen mit Wärmestrahlung besser verstehen zu können.

Um Emission und Absorption von Wärmestrahlung zu erklären bemühen wir eine Analogie zur Funktechnik.

Elektromagnetische Strahlung kann mittels einer Dipolantenne, an die man ein elektrisches Wechselfeld anlegt, erzeugt werden. Das periodisch wechselnde Dipolmoment der Antenne induziert die magnetische Komponente der von der Antenne abgegebenen elektromagnetischen Welle (Abbildung 2).

Die Dipolantenne kann auch elektromagnetische Strahlung absorbieren, wenn die Wellenlänge der Strahlung zu den Dimensionen der Antenne passt.

Das Dipolmoment ist definiert als das Produkt der Ladungsdifferenz Q mal dem Abstand zwischen den Ladungszentren d.

P = d x Q

Feststoffe bestehen aus geladenen Teilchen. Diese Teilchen sind nicht absolut fest an ihren Positionen fixiert. Aufgrund der thermischen Bewegung schwingen sie ein wenig um ihre „Nullposition” (Abbildung 3). Die Schwingungen verändern die Abstände zwischen den geladenen Teilchen, und da das Dipolmoment das Produkt aus dem Abstand zwischen den Ladungen und der Ladungsdifferenz ist, ändern sich dabei die Dipolmomente. Ähnlich wie eine Dipol-Radioantenne sendet eine solche Anordnung schwingender Ladungen elektromagnetische Strahlung aus.

Weil sich in einem aus sehr vielen Teilchen bestehenden Festkörper die Schwingungen sehr vieler Teilchen überlagern, senden Festkörper keine scharf begrenzten Frequenzen, sondern ein Kontinuum an Frequenzen aus.

Diese Analogie zur Funktechnik macht zwar das Zustandekommen von Wärmestrahlung irgendwie verständlich, kann aber nicht die in Experimenten beobachtete Abhängigkeit der spektralen Strahlungsdichte von Wellenlänge und Temperatur (Abbildung 4) erklären.

Max Planck gelang es eine Theorie zu entwickeln, die die von einem idealisierten Festkörper (einem sogenannten „Schwarzen Strahler“) abgegebene Wärmestrahlung in guter Übereinstimmung mit der experimentellen Beobachtung beschreibt.

Um das zu erreichen, musste er die Annahme machen, dass die von Festkörpern abgegebene Wärmestrahlung nicht als kontinuierliche elektromagnetische Welle, sondern in diskreten Portionen mit dem Energieinhalt E = hν abgegeben wird (mit h: plancksches Wirkungsquantum und ν: Frequenz).

Diese gequantelte Beschreibung der Natur nennt man Quantenmechanik um sie von der alten/klassischen Physik, die die „Welt“ als Kontinuum beschreibt zu unterscheiden. In der Quantenmechanik beschreibt man elektromagnetische Strahlung nicht als kontinuierliche elektromagnetische Welle, sondern als Strom einzelner Lichtteilchen, sogenannter Photonen. Photonen sind die Träger der Strahlungsenergie. Die Energie der Photonen hängt von der Wellenlänge der Strahlung ab. Je kurzwelliger die Strahlung ist, desto höher ist der Energieinhalt ihrer Photonen.

Absorption und Emission von Strahlung durch ein Objekt werden in der Quantenmechanik als Wechselwirkung des Objektes mit Photonen der absorbierten bzw. emittierten Strahlung beschrieben.

Ein tieferes Verständnis dieser Vorgänge kann man sich anhand entsprechender Lehrbücher oder YouTube-Vorlesungen erarbeiten. Um die Argumentation der folgenden Kapitel verstehen zu können reicht es aus sich Folgendes zu merken:

• Auf Atom/Molekülebene beschreibt man elektromagnetische Strahlung als einen Strom von einzelnen Lichtteilchen (Photonen).
• Photonen sind die Träger der Energie der Strahlung.
• Die Energie der Photonen hängt von der Wellenlänge der Strahlung ab (Je kürzer die Wellenlänge der Strahlung desto höher der Energieinhalt ihrer Photonen).

Bevor wir auf die Wechselwirkungen von Treibhausgasmolekülen mit Wärmestrahlung eingehen, besprechen wir noch kurz und oberflächlich wie man diese Wechselwirkungen beobachten und messen kann.

Wie beobachtet/misst man die Wechselwirkung von IR-Strahlung mit Treibhausgasmolekülen?

Das wichtigste Instrument zur Untersuchung dieser Wechselwirkungen ist das IR-Spektrometer. Die meisten IR-Spektrometer können im Wellenzahlenbereich von 4000 cm^-1 bis 400 cm^-1 messen. IR-Spektrometer liefern ein Diagramm, in dem die Durchlässigkeit einer Probe für IR-Strahlung als Funktion der Wellenlänge der IR-Strahlung dargestellt wird. Eine solche Darstellung nennt man IR-Spektrum. In Abbildung 5 ist ein IR-Spektrum von CO₂-Gas dargestellt.

Die Durchlässigkeit einer Probe, oft auch Transmission (Formelzeichen: τ) genannt, gibt den Bruchteil der Strahlung an, der die Probe durchdringen kann.

Transmission τ = 1 heißt, die Probe ist für Licht vollständig durchlässig. Τ = 0,5 heißt, es geht die Hälfte des eingestrahlten Lichtes durch die Probe. Der Rest wird absorbiert. τ = 0 heißt die Probe ist undurchlässig.

In der IR-Spektroskopie ist es üblich statt der Wellenlänge die Wellenzahl anzugeben. Die Wellenzahl gibt an, wie viele Wellenlängen auf einen Zentimeter passen. Die Wellenzahl hat die Einheit cm^-1.

Im oben dargestellten IR-Spektrum des CO₂ kann man deutlich erkennen, dass in bestimmten Bereichen die Durchlässigkeit sehr gering ist. In diesen Wellenlängenbereichen kann das CO₂-Molekül Strahlung absorbieren. Für die Klimadiskussion interessiert uns nur die starke Absorption bei der Wellenzahl ca. 666cm^-1 (die anderen CO₂-Absorptionen werden von Absorptionen des atmosphärischen Wasserdampfes überdeckt). Wenn man diese Wellenzahl in Wellenlänge umrechnet, ergibt sich eine Wellenlänge von

λ = 0,01 m/666 = 0,000015m = 15 µm.

Mit Hilfe der Plank-Gleichung und der Wellenlänge der absorbierten Photonen können wir uns einen Eindruck davon verschaffen welche Energie bei einem solchen Absorptionsvorgang umgesetzt wird. Für den Fall der 15 µm-Absorbtion des CO₂ ergibt sich.

h = 6,626069*10^{− 34} Js Planck’sches Wirkungsquantum,

c: Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) c = 299792458 m/s ≈ 3*10⁸m/s,

λ: Wellenlänge,

ν: Frequenz

Was sind Treibhausgase?

Luft besteht hauptsächlich aus den Gasen Stickstoff und Sauerstoff (Abbildung 6). In den Molekülen dieser Gase sind die Ladungen gleichmäßig über das gesamte Molekül verteilt. Auch durch Schwingungen dieser Moleküle werden keine Dipolmomente erzeugt. Stickstoff und Sauerstoff können deshalb IR-Strahlung weder absorbieren noch emittieren.

Im Gegensatz dazu haben Treibhausgasmoleküle wie z.B. Wasser und CO₂ Dipolmomente. Sie könne deshalb mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken.

Wasser hat ein permanentes Dipolmoment. Beim CO₂ entsteht das Dipolmoment erst durch die Schwingung des Moleküls (Abbildung 7).

Am Beispiel des CO₂ besprechen wir diese Vorgänge etwas genauer.

CO₂ ist ein stabförmiges Molekül, in dem ein Kohlenstoffatom mit zwei Sauerstoffatomen verbunden ist (Abbildung 8). Als Ganzes ist es elektrisch neutral. Weil aber die Atomkerne der Sauerstoffatome im CO₂ die Bindungselektronen stärker anziehen als der Kern des Kohlenstoffatoms, trägt das Kohlenstoffatom (in der Mitte des Moleküls) eine schwache positive Ladung während die Sauerstoffatome schwache negative Ladungen tragen.

Um das Schwingungsverhalten des CO₂ zu verstehen, kann man sich die Bindungen zwischen den Atomen ähnlich wie Spiralfedern vorstellen. Die elastischen Eigenschaften der Bindungen lassen es zu, dass das Molekül Biegeschwingungen und Streckschwingungen (Valenzschwingungen) durchführt (Abbildung 9).

Bei der Biegeschwingung und bei der asymmetrischen Streck- oder Valenzschwingung verschiebt sich der Ladungsschwerpunkt des Moleküls. D.h. diese Schwingungen erzeugen ähnlich wie eine Stabantenne wechselnde elektrische Felder. Dementsprechend können diese beiden Schwingungsmodi elektromagnetische Strahlung absorbieren und aussenden.

Bei der symmetrischen Valenzschwingung ändert sich das Dipolmoment des CO₂-Moleküls nicht. Dieser Schwingungsmodus kann deshalb IR-Strahlung weder absorbieren noch emittieren.

Während eine an einer Spiralfeder schwingende Masse einen weiten Bereich an Energien aufnehmen und abgeben kann, kann jede Schwingungsart des CO₂-Moleküls nur ganz bestimmte Energiebeträge aufnehmen oder abgeben. Man spricht hier von Energiequantelung. Mehr dazu findet man in Spektroskopie Lehrbüchern wie z.B. Hesse/Meier/Zeeh.

Im IR-(Absorptions-)Spektrum des CO₂ erkennt man die Wellenlängen/Wellenzahlen, bei denen die CO₂-Moleküle Energie aus der eingestrahlten IR-Strahlung absorbieren daran, dass die Durchlässigkeit der Probe (Transmission) bei diesen Wellenlängen geringer wird.

Die asymmetrische Streckschwingung des CO₂ absorbiert bei einer Wellenzahl von 2349 cm^-1.

Die Biegeschwingung des CO₂ absorbiert bei der Wellenzahl 666cm^-1, d.h. bei einer Wellenläge von ca. λ = 15 µm (Abbildung 10). Die Absorption im Bereich von 3700 cm^-1 kommt durch Überlagerung der zuvor besprochenen Schwingungen zustande. Dazu kann man in diesem Video mehr erfahren: https://www.youtube.com/watch?v=fs-omlbSBGI&t=277s

Bandenverbreiterung

Nach dem was eben über die Energiequantelung gesagt wurde sollte man im Absorptions- und Emissionsspektrum von Treibhausgasen dünne, scharfe Absorptionslinien für die jeweiligen Energieniveaus der einzelnen Molekülschwingungen erwarten (ähnlich den bekannten Fraunhoferlinien, die man im Sonnenspektrum beobachten kann).

Stattdessen beobachtet man recht breite Absorptionsbanden. Diese Verbreiterung der Absorptionslinien hat verschiedene Ursachen.

• Aufgrund des Unschärfeprinzips sind Absorptions- und Emissionslinien von Treibhausgasmolekülen keine wirklich eindimensionalen Linien, sondern dünne Bänder. Dieser relativ geringe Verbreiterungseffekt wird als natürliche Linienverbreiterung bezeichnet
• Auch die Bewegungen der Moleküle verbreitern die Absorptions- und Emissionslinien aufgrund des Doppler-Effekts.
• Kollisionen mit anderen Gasmolekülen verursachen eine weitere Verbreiterung der Absorptions- und Emissionsbänder, die sogenannte Druckverbreiterung.

Abhängig von Druck und Temperatur beobachtet man deshalb mehr oder weniger breite Absorptions- und Emissionsbanden statt scharfer Linien (Abbildung 11).

Mit steigendem Druck und steigender Temperatur werden die IR-Emissionen und -Absorptionen von Treibhausmolekülen immer breitbandiger. Deshalb beobachtet man in der Atmosphäre, bedingt durch hohe Temperatur und hohen Druck mit abnehmender Höhe eine starke Bandenverbreiterung (Abbildung 12).

Ähnlich wie bei Festkörpern beobachtet man auch bei Gasen eine Temperaturabhängigkeit der abgestrahlten Strahlungsdichte, die der Plank-Verteilung folgt. In Abbildung 13 ist am Emissionsspektrum von Luft die Planckverteilung als Umhüllende deutlich zu erkennen. Da die die Strahlung emittierenden Treibhausgasmoleküle nicht alle Frequenzen durch ihre Molekülschwingungen erzeugen können, hat das Emissionsspektrum entsprechende Lücken.

Im hier gezeigten Emissionsspektrum sind die Emissionsbanden von Wasser und CO₂ recht scharf aufgelöst, weil es in großer Höhe bei niedrigem Druck und tiefer Temperatur in sehr trockener Luft aufgenommen wurde.

Mit steigendem Druck, Luftfeuchte und Temperatur werden die Absorptionen immer unschärfer. Auf Meereshöhe geht die Emission der Luft daher in ein Kontinuum über (Abbildung 14).

Das atmosphärische Emissionsspektrum gleicht dann einer Planck- oder Schwarzkörperstrahlungs-Kurve mit einer Lücke.

Diese Lücke tritt in dem Bereich auf, in dem Treibhausgase keine Strahlung emittieren oder absorbieren können. Da die von der Erdoberfläche auf diesen Frequenzen emittierte Schwarzkörperstrahlung die Atmosphäre weitgehend ungehindert durchdringen kann, wird sie als atmosphärisches Fenster bezeichnet (Abbildung 15). In den in Abbildung 16 dargestellten Emissionsspektren ist gut zu erkennen, wie sich bei hoher Luftfeuchte unterhalb der 700cm^-1 praktisch ein „Wasserdampfkontinuum“ ausbildet.

An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass die druckbedingte Bandenverbreiterung In den hohen Schichten der Atmosphäre die ungestörte Abstrahlung ins Weltall (Abbildung 17) erleichtert. In den tieferen Schichten erschwert/verhindert die Bandenverbreiterung die Rückstrahlung auf die Erdoberfläche. Ein Effekt, auf den John Strong schon 1950 hingewiesen hat (THE EFFECT OF PRESSURE BROADENING OF SPECTRAL LINES ON ATMOSPHERIC TEMPERATURE* John Strong and Gilbert N. Plass Johns Hopkins University Received June 24, 1950)

Der Artikel ist ein Auszug aus dem Online-Buch „Die unglaubliche Physik des Treibhauseffektes“, das unter https://markusott.substack.com/p/die-unglaubliche-physik-des-treibhauseffektes zu finden ist. In diesem Werk hat der Chemiker Dr. Markus Ott zusammen mit seinem Kollegen Tom Shula, einem Physiker aus der Halbleiterindustrie des Silicon Valley, die Ergebnisse ihrer intensiven Beschäftigung mit der Physik des atmosphärischen Treibhauseffektes dargelegt. Eine englische Version des Buches ist ebenfalls auf Substack verfügbar https://markusott.substack.com/p/the-fake-physics-of-the-greenhouse . Teile ihrer Arbeit werden auch auf dem YouTube-Kanal von Tom Nelson https://www.youtube.com/@tomnelson2080 vorgestellt.

Markus Ott arbeitet seit 1994 als Forscher und Entwickler in der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Er hat sich vor allem mit der Entwicklung photolithographischer Methoden zur Herstellung von Biochips sowie mit der Entwicklung lichthärtender Kunststoffe beschäftigt. Neben den theoretischen Grundlagen verfügt er über die notwendige praktische Erfahrung, um die Wechselwirkung von Licht mit Materie zu beurteilen. Als begeisterter Flieger beschäftigt er sich seit seiner Jugend mit den Vorgängen in unserer Atmosphäre. Das Buch „Die unglaubliche Physik des Treibhauseffektes“ bzw. die englische Version „The Fake Physics of the Greenhouse Effect“, sollen in möglichst verständlicher Form zeigen, dass das zentrale Dogma der modernen Klimawissenschaft jeder physikalischen Realität entbehrt.

Dank auch an Dieter Glatting, der mit seinem Artikel „Die Falsifizierung der Treibhaus-These“ diese Artikelserie angeregt hat und bei der Umsetzung behilflich war.