Es gibt wohl kein Thema, dass in den letzten Jahren/Jahrzehnten die Menschen so bewegt hat, wie das Phänomen Klimawandel und ohne große hellseherische Fähigkeiten zu haben, kann man schon jetzt sagen, das wird so bleiben. Während die Anzahl derer, die den Klimawandel negieren doch abgenommen hat, bleibt die Aussage, ob der Klimawandel antropogen (menschen gemacht) ist, in breiten Teilen der Bevölkerung umstritten.
Das dies so ist, dass ist auch nicht weiter verwunderlich, da es wirklich um sehr komplizierte und komplexe Wechselwirkungen in der Natur geht, die subsumiert werden unter Thermodynamik, Elektromagenetismus, Quantenmechanik, Geologie und Metrologie. Jedes einzelne Thema ist schon ein dickes Brett. Die entsprechende Kombination der Bretter macht sie nicht dünner. Aber neben der naturwissenschaftlichen und technischen Beurteilung trifft dieses Thema auf Widerstand, weil es eben mit den Themen Ethik, Eigenverantwortung und Schuld verbunden ist aber noch schlimmer der Klimawandel hat mit Macht zu tun und dann wird es richtig schwierig für uns Menschen. Die Macht spielt in das Thema Klimawandel herein, weil der Klimawandel in Kern nicht wirklich ein Problem mit dem Umgang von Treibhausgasen ist sondern ein Problem mit dem Umgang von Energie. Wer die Energietransfomation (ich betone Transformation nicht Erzeugung) in der Hand hat, der hat die Macht auf seiner Seite. Und was wir Menschen für die Macht tun, das wäre auch ein interessantes Thema für einen Blog ;-).
Um es vorweg zu sagen, ich glaube, dass der Klimawandel antropogen ist. Aus meiner Sicht hat die Wissenschaft sehr gute Gründe anzunehmen, dass die derzeitige Erderwärmung menschengemacht ist. Ich bin alles andere als ein Klimaforscher aber ich habe das Fach Elektro-Optik bei Professor Schiffner an der Ruhr-Universität Bochum vertieft und in diesem Segment auch beruflich gearbeitet. Der Bereich der Elektro-Optik befasst sich dabei sehr umfassend mit dem Thema, wie elektro-magnetische Energie mit Materie wechselwirkt mit dem Fokus auf die Funktionsweise eines LASERS und seinen Anwendungen. Die Maxwellschen Wellengleichungen des Elektromagnetismus aber auch das gleichzeitige Verstehen der teilchenhaften Natur elektro-magnetischer Phämome ist unabdingbar, um einen LASER zu verstehen und hilft auch, die Kern Ursache des Treibhauseffektes im Detail zu verstehen. Dazu muss man halt kein Klimaforscher sein.
Wie für alle meine Blogs gilt, dass ich hier meine persönliche Meinung vertrete. Trotz gewisser Vorkenntnisse in diesem Bereich bin ich bestenfalls eine interessierter Laie auf diesem Feld. Ich habe mich in den letzten 20 Jahren aber immer wieder mit dem Thema Klimawandel beschäftigt und will in diesem Blog mein Verständnis zum Thema Klimawandel erläutern.
Der Blog ist in folgende Kapitel aufgeteilt, um sich dem komplexen und komplizierten Thema Klimawandel zu nähern.
- Klimawandel und Artensterben, wie hängen sie zusammen?
- Der Siegeszug der fossilen Brennstoffe. Wie kam es zur industriellen Revolution?
- Asymmetrische Kipp- und Streckschwingungen des CO2 Moleküls.
- Globaler mittlerer Temperaturverlauf der letzten 22.000 Jahre.
- Verlauf der CO2 Konzentration in den letzen 400.000 Jahren.
- Wo ist die Verbindung zwischen Anstieg der CO2 Konzentration und dem Temperaturanstieg (Treibhauseffekt)?
- Psychologische Blockaden auf dem Weg zur CO2 Neutralität.
Klimawandel und Artensterben wie hängen sie zusammen?
Nun das Artensterben wurde der Öffentlichkeit noch vor dem Problem Klimawandel kund getan. Es war der Club of Rome, gegründet 1968, der etwas unerhörtes aussprach: “Die Grenzen des Wachstums“, dass musste kommunistische Propaganda sein. Im Kern sagte der Club of Rome, dass durch immer weitere Ausbeutung des Bodens aufgrund unseres Rohstoffhungers, wir die Erdkruste so maltretieren, dass wir den Lebensraum von immer mehr Arten gefährden und damit letzlich uns selbst. Als Hauptproblem wurde die Bevölkerungsexplosion der Menschen gesehen, die aufgrund von bahnbrechenden Erfolgen in der Medizin (man denke nur an Penizilin) aber natürlich auch durch den unglaublichen Fortschritt der Technik, der zu einer Mittelschicht ungeahnter Größe führte, wuchs und wuchs bis heute. Dass ein immer weiteres Vordringen des Menschen in die natürlichen (Natur (griechisch=kommt von selbst, Techne (griechisch=kommt vom Mensch)) Ökosysteme aber auch viele Nachteile für uns Menschen bringen würde, das wurde zum ersten mal in den 70zigern des 20. Jahrhunderts einer größeren Öffentlichkeit bewusst. Heute ist es in der Wissenschaft “common sense”, dass industrieleller und landwirtschaftlicher Flächenverbrauch zu einem nie da gewesenen Artensterben geführt hat und weiter führt. Das Artensterben ist also zunächst eine Krise des Bodens und der Klimawandel eine Krise der Atmosphäre. Wer auch das Artensterben bezweifelt, dem möchte ich folgende persönliche Anekdote erzählen. In meiner Kindheit den 70zigern fuhren wir fast immer mit den Auto in den Sommerurlaub. Man brauchte nur wenige Minuten auf der Autobahn zu sein und schon klatschen die Insekten auf die Frontscheibe. Besonders beliebt bei mir war das Aufklatschen der Libellen, weil das meinen Vater beim Fahren so erschreckte und ich deswegen lachen musste. Dafür ließ mein Vater mich nach einer Stunde Fahrt an der Tankstelle den Insektenfriedhof abwaschen, was schon ganz schön eckelig war. Dann lachte mein Vater. Väter können so grausam sein. Versuchen sie jetzt mal bei einer Autofahrt in den Süden Deutschlands so etwas zu erleben. Die Frontscheibe wird nahezu unberührt sein. Jetzt kann man natürlich sagen, ist das schlimm, dass wir nicht mehr im Sommer gestochen werden und die Frontscheibe sauber bleibt. Dieser Gedanke zeigt genau wieweit wir uns von unseren natürlichen Lebensgrundlagen entfernt haben. Wer es genauer wissen will, dem empfehle ich folgenden Link:
https://www.zdf.de/dokumentation/terra-x/artensterben-die-fakten-mit-dirk-steffens-100.html
Das Pandemien wie COVID-19 durch das fortwährende Eindringen des Menschen in die Naturräume eben auch wahrscheinlicher werden, liegt aus meiner Sicht auf der Hand.
Der Siegeszug der fossilen Brennstoffe. Wie kam es zur industriellen Revolution?
Um den Siegeszug der fossilen Brennstoffe besser zu verstehen, hilft ein Blick auf die britische Insel am Anfang des 18. Jahrhunderts. Die Menschen hatten sich langsam aber sicher aus dem dunklen Mittelalter befreit, die Aufklärung bahnte sich ihren Weg ans “Licht” und Größen wie Isaak Newton hatten mit Hilfe von Kopernikus, Kepler, Galilei Galeleo, Giordano Bruno, Martin Luther (muss hier aufhören die Liste nähme doch etwas viel Platz) und vielen mehr die Geozentrische Weltsicht der Kirche ins Wanken gebracht. Die Bevölkerung wuchs insbesondere in Europa aber auch global. Wenn man sich nun fragt, warum die industrielle Revolution gerade in England loslegte und zu diesem Zeitpunkt dann wird gerne auf die sozio-ökonomische Stellung Groß Britanniens verwiesen. Es gab schon dort so etwas wie eine Marktwirtschaft und Großbritannien war Dank seiner riesigen Schiffsflotte führend im Welthandel. Doch diese Gegebenheiten galten auch für die Niederlande und Frankreich. Warum fand die industrielle Revolution also in Großbritannien im 18. Jahrhundert statt? Mein Favorit in der Erklärung ist die ökologische Notlage Großbritanniens, die sich schon ab dem 13. Jahrhundert abzeichnete. In keinem europäischen Land wie Großbritannien war der Waldbestand so zurück gegangen (man geht von einer Reduktion auf 20% der Waldfläche aus im Vergleich zum frühen Mittelalter) (siehe auch: https://www.oekosystem-erde.de/html/energiegeschichte.html und https://www.oekosystem-erde.de/html/industrielle_revolution.html).
Ursache für diesen Umstand war zu einem kleineren Teil das benötigte Holz für die Schiffsflotte aber zu einem vielen größeren Teil war Holz eben der Brennstoff Nummer eins für Wärme und Licht. Eine wachsende Bevölkerung benötigte natürlich auch viel mehr davon, nicht nur um den Winter zu bestehen sondern auch zur Metallherstellung und Bearbeitung. So besann man sich auf der Insel als Erste im größeren Maßstab die Steinkohle zu nutzen, die schon Römer von der Insel “exportierten”. Die Steinkohle war unbeliebt denn sie stank beim Verbrennen und natürlich entstanden bei der Verbrennung von Steinkohle viel giftigere und dreckigere Gase als bei der Holzverbrennung. Doch dass der Brennwert bei der exothemen Oxidation des Kohlenstoffs viel größer war als beim normalen Holz, dass fanden die Briten auch schnell heraus. Die Kohle war in Großbritannien zur Zeit des 13. Jahrhunderts an der Oberfläche zu finden und daher leicht verfügbar aber das änderte sich natürlich mit der großen Nachfrage. Je tiefer man graben musste, um an die Kohle zu gelangen, um so mehr kam man in den Konflikt mit dem Grundwasser und um den zu gewinnen brauchte man starke Pumpen. 1712 war es dann soweit ein Mr. Thomas Newcomen entwickelte eine Dampfmaschine zum Abpumpen des Grubenwassers und ein Mr. James Watt verbesserte sie so gut, dass sie sich von nun wie geschnittenes Brot über den Globus verteilte. Vielleicht kann man die industrielle Revolution ganz einfach verkürzt damit zusammenfassen: Not macht erfinderisch. Wenn das mal so “einfach” beim Lösen des Klimawandels wäre.
Zur Dampfmaschine von Newcomen und Watt gesellten sich die Verbrennungsmotoren von Otto und Diesel und lösten eine weitere industrielle Revolution aus. Der Rest ist bekannt, sage ich jetzt einfach mal.
Asymmetrische Kipp- und Streckschwingungen des CO2 Moleküls
Ja das ist eine schöne Überschrift und ein harter Bruch zu den beiden ersten Kapiteln. Wir begeben uns jetzt in den Mikrokosmos. Man mag kaum glauben, dass durch die Molekülschwingungen von CO2 Molekülen ein ganzer Planet zum Kochen gebracht werden kann. Doch wer es bezweifelt, der möge sich mal mit dem Treibhauseffekt auf der Venus beschäftigen. Soweit sind wir aber auf der Erde ja nun wirklich nicht. Aber für uns Kohlenstoffeinheiten, reichen auch schon zwei, drei Grad mehr, um uns zum Kochen zu bringen. Da bei diesem Bereich die Physik und Chemie etwas länglich wird, bitte ich die Leser, die sich nicht zu sehr damit abmühen wollen, nach dem Begriff “Schnelleinstieg” zu zu suchen und die kommenden Paragraphen zu überspringen.
Für das bessere Verständnis der Schwingungen des Kohlendioxid Moleküls, möchte ich mich doch zunächst mit den Grundbausteinen der Materie beschäftigen. Schauen wir uns das einfachste Atom an: “Den Wasserstoff.”
Im Inneren ruht das elektrisch, positiv geladene Teilchen Proton, dass im Gegensatz zum negativen Elektron kein Elementarteilchen ist. Und hier fängt schon das ganze Dilemma an. Wo ist das Elektron? Da gibt es so einen kugelzentrischen hellblauen Bereich um das Proton und nochmal eine extra dunkelblau ausgezeichnete Kreisbahn um das Proton. Willkommen in der Quantenmechnik mit der Heisenbergschen Unschärferelation, Welle-Teilchen Dualismus, diese Theorien führten Erwin Schrödinger in den zwanzigern des letzten Jahrhunderts zu seiner Teilchen-Wellenfunktion Ѱ. Wahrscheinlich habe ich jetzt sehr viele verschreckt aber Quantenmechanik hat selbst einen Albert Einstein an den Rand der Verzweiflung gebracht. Bis heute bleibt da ein gewisses Mysterium um diesen Welle-Teilchen Dualismus aber dass er notwendig ist, möchte ich im folgenden erklären.
Wer Physik Leistungskurs zu meiner Zeit hatte, der blieb meistens beim Bohrschen Atommodel für Wasserstoff stecken. Bohr postulierte, dass das Elektron um das Proton in konzentrischen Kreisen umrundet ähnlich wie die Erde um die Sonne oder der Mond um die Erde.
Bohr psotulierte, dass das Elektron dabei sich nur auf diskreten Umlaufbahnen, nicht beliebigen, bewegen kann. Diese diskreten Radien der Umlaufbahnen des Elektrons brauchte er um das zu erklären:
Das diskrete Linienspektrum des Wasserstoffs, das Bohr damit erklärte, dass ein Elektron, beim “Sprung” von einer “höheren” Umlaufbahn, die einem höheren Energieniveau entspricht, auf eine niedrigere Bahn, Licht emittiert. Jede Spektrallinie wurde erzeugt über den Abfall eines Elektrons von einer höheren Bahn auf eine niedrigere. Dieses diskrete Linienspektrum war ein weiteres Indiz, dass Energie im atomaren Bereich nur in ganz speziellen Portionen=Quanten aufgenommen bzw. abgegeben wird, so wie es Max Plank bei seinen Studien zum Strahlungsverhalten eines “schwarzen” Körpers um 1900 und Albert Einstein beim fotoelektrischen Effekt 1905 herausgefunden hatte.
Die diskreten Umlaufbahnen des Elektrons um das Proton waren jedoch problematisch. Wenn das Elektron ein klassisches Teilchen wäre, das um den Kern rotiert, wie der Mond um die Erde, dann würde ein gerichteter Strom fließen, der nach Faraday und Maxwell wiederum ein Magnetfeld erzeugt, das wiederum in den Raum Energie abstrahlt. Durch den Energieverlust verlöre das Elektron aber seine Geschwindigkeit und fiele letztlich in den Kern, so dass Materie und somit auch wir gar nicht existieren könnten. Tun wir aber oder nicht?
Die klassische Elektro Dynamik würde also so etwas voraussagen:
Das Elektron als konzentrierte Punktladung würde in seiner Rotation um den Kern permanent elektromagnetische Energie abstrahlen und würde sehr schnell im Kern landen. Aber was ist das Elektron denn dann, wenn es kein konzentriertes “blaues” Kügelchen ist? So stellen wir uns doch Teilchen vor. Wenn ich das jetzt so gut erklären könnte, dann würde ich sicherlich nicht diesen Blog schreiben 😉
Die Heisenbergschen Unschärferelationen, die besagen, dass man nicht gleichzeitig Ort und Geschwindigkeit eines Elektrons bestimmen kann und ebenfalls kann man nicht genau die Energie eines Elektrons zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen und dass in den zwanziger Jahren des 20. Jahrhunderts durchgeführte Doppelspalt Experiment mit freien Elektronen, führte u.a. Erwin Schrödinger zur kühnen These, dass das Elektron sich wie eine Materien Welle verhält. Was zum Kukuk ist eine Materien Welle? Es stellt sich heraus, dass wir nur eine Wahrscheinlichkeitsaufenthaltsdichte vom Elektron bestimmen können. Wir können also nur sagen, wo wahrscheinlich das Elektron sich um den Kern zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Niemals sind wir in der Lage die genaue Position des Elektrons zu einem gewissen Zeitpunkt vorherzusagen , ähnlich z.B. wie man die Position einer Gewehrkugel, die aus einem Gewähr geschossen kommt, bis ins kleinste Detail vorher berechnen kann. Wie skurril das mit dem Elektron und anderen Elementarteilchen ist, dass zeigt dieses schöne Video auf Youtube über das Dopplespalt Experiment: https://youtu.be/7BV0Fs4eM0I (ich sage nur “spooky”).
Das gebundene Elektron des Wasserstoffs pulsiert um den Atom Kern wie eine stehende Welle. Eine stehende Welle enthält Energie, die an jedem Ort der Welle schwankt, sie transportiert sie aber nicht. So schirmt das Elektron in seiner Verteilung als stehende Welle die positive Ladung des Protons ab, ohne dass ein “Netto” Stromfluss sich ergibt und dementsprechend auch keine elektromagnetische Welle abgestrahlt wird, die zu einem Energieverlust führe. Oder anders ausgedrückt, weil das Elektron als Elementarteilchen ganz anders “verhält” als die “normalen” Teilchen, die wir kennen, deswegen ist Materie stabil und wir existent.
Wem es jetzt zu wild wird, bitte nicht verzweifeln, einfach hinnehmen. Genauer ausdrücken kann man diese Zusammenhänge nur über die Mathematik. Doch wer beherrscht diese Sprache? Das sind doch nur sehr wenige, selbst ich als Ingenieur gehöre dazu eher nicht. Ich kann nur folgenden Schwank aus meiner Studentenzeit dazu sagen. Im vierten Semester am Ende des Vorstudiums endete auch unsere Pflicht-Mathematik Vorlesungen. Im letzen Kapitel behandelten wir das Thema Funktionentheorie:
Die Funktionentheorie ist ein Teilgebiet der Mathematik. Sie befasst sich mit der Theorie differenzierbarer komplexwertiger Funktionen mit komplexen Variablen. Da insbesondere die Funktionentheorie einer komplexen Variablen reichlich Gebrauch von Methoden aus der reellen Analysis macht, nennt man das Teilgebiet auch komplexe Analysis.
(Ausschnitt aus Wikipedia)
In den letzen Stunden entwickelte unser Mathe Prof. dazu ein grandioses Tafelfeuerwerk und schaffte in 45 Minuten acht Tafel in gefühlter Font Größe Arial 8 voll zuschreiben. Etwas genervt lief ich nach der Vorlesung in meinem Stundentenwohnheim zu meinem Freund dem Mathematiker, der im 4. Semester Mathematik studierte. Aufgeregt stellte ich Fragen zu dem gerade gehörten und er beantwortete sehr präzise aber auch gelangweilt meine Fragen und endete mit der Bemerkung: “Was ihr da alles macht, das ist doch nur Kopfrechnen“. So ging ich wieder geerdet zurück in meine 11qm Stube und wusste, warum es für E-Techniker so wichtig ist, das Null Potenzial zu kennen.
Zurück zum Wasserstoff und nochmal in komprimierte Form ein Ansatz, das einfachste Atom zu erklären:
Die obige Zeichnung zeigt mit der blauen Skizzierung den Aufenthaltsbereich, in dem man das Elektron vorfinden kann aber nicht muss. Das Elektron kann ganz dicht am Kern sein (aber eher unwahrscheinlich) am ehesten findet man es an der dunkelblauen konzentrischen Schale vor, die eben genau zusammenfällt mit dem Bohrschen Postulaten. Exakt berechnet man die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons, in dem man den Hamilton Differential Operator auf die Wellenfunktion Ѱ anwendet. Nur mit Hilfe der Modellierung, dass das Elektron sich wie eine Welle durch Raum und Zeit bewegt, werden Halbleiter, die die Basis von Computerchips sind, verständlich und möglich.
Schauen wir uns nun noch das nächst größere Atom an: Das Helium Atom He
Das Helium Atom besteht aus zwei Protonen, Neutronen und zwei Elektronen, die sich wieder in einem kugel konzentrischem “Nebel” verteilen auch s-Orbital genannt (genauer 1s Orbital). Die Neutronen sind elektrisch neutral und haben in etwa die gleiche Masse wie die Protonen. Normalerweise besteht der Kern eines Atoms aus der gleichen Anzahl von Protonen und Neutronen. Variiert die Anzahl der Neutronen von der Anzahl der Protonen spricht man von Isotopen (wird später nochmal wichtig). Für die chemischen Eigenschaften spielen Neutronen aber eine untergeordnete Rolle und daher lass ich sie jetzt mal weg.
Anmerkung: Der Begriff Orbit beschreibt ein Objekt, dass definiert um ein festes Drehzentrum rotiert. Wegen der quantenmechanischer Natur des Elektrons ist der Begriff Orbital begrenzt anwendbar. In der Atomphysik/Chemie bezeichnet der Begriff die Aufenthaltswahrscheinlichkeit mit der das Elektron den Kern “umgibt” und damit die elektrische Neutralität eines Atomes garantiert. Man unterscheidet u.a. zwischen Kugel zentrischen s-Orbitalen und Keulen förmigen p-Orbitalen. Zumeist wird noch zusätzlich eine Ordnungszahl vorangestellt, z.B. 1s oder 2s. Die Ordnungszahl gibt das Energieniveau des Elektrons an. Je höher die Ordnungszahl, um so höher ist das entsprechende Energieniveau.
Doch wie war das nochmal? In der Schule hatte man doch schon einem erzählt, dass gleichnamige Ladungen sich abstoßen und je näher sie sind umso stärker. Außerdem sind die elektromagnetischen Kräfte gegenüber der Gravitation doch um das hundertfache stärker. Die Gravitation hat jedoch ein viel, viel größere Reichweite als elektromagnetische Kräfte, da sie u. a. eben nicht abschirmbar ist durch z.B. einen faradayschen Käfig.
Tja neben Gravitation und elektromagnetischer Kraft gibt es noch die starke und schwache Kernkraft. Kommen zwei Protonen dicht genug zusammen, also sehr dicht, dann schnappt die starke Kernkraft zu, die (“Achtung”), 10 hoch 36 größer ist als die elektrische Coulomb Kraft. Allerdings fällt die starke Kernkraft mir einem Abstand r in der siebten Potenz ab im Gegensatz zur Coulomb Kraft, die nur mit dem Quadrat zum Abstand zur Ladung abfällt.
Wenn sich also zwei Protonen nähern, dann wirkt zunächst die elektrische Coulomb Kraft abstoßend, erst wenn die beiden Protonen sich fast berühren, dann schnappt die große Kernkraft zu und die elektrisch abstoßende Coulomb Kraft hat keine Chance mehr. Woher kommt diese unglaublich starke Kernkraft? Dazu muss man akzeptieren, dass ein Protonen wiederum ein Set aus Elementarteilchen ist: Den Quarks. Der Zusammenhalt der Quarks zu einem Proton aber auch zwischen den Protonen untereinander liefern masselose Elementarteilchen Namens Gluonen (Eselsbrücke Glu = glew), die mit Lichtgeschwindigkeit um die Protonen, bestehend aus Quarks, rasen und sie wie eine ultra starke Feder fest zusammenhalten. Wenn die Kerne zu groß werden, dann schaffen die Gluonen es nicht mehr den Kern zusammenzuhalten und er zerfällt radioaktiv.
(siehe auch: http://www.kernfragen.com/der-atomkern)
So zwei Protonen so dicht zusammenbringen können nicht viele aber unser Kernfusionsreaktor Nummer 1, auch Sonne genannt, kann das ganz gut. Wir Menschen mühen uns damit schon 70 Jahre ab allerdings doch mit recht überschaubaren Erfolg.
Jetzt aber endlich zum “gefährlichen” CO2 Molekül. Leider sind das Kohlen- und Sauerstoffatom schon viel komplexer als Wasserstoff und Sauerstoff. Das Sauerstoffatom hat acht Protonen ergo acht Elektronen. Und wie verteilen sich diese acht Elektronen um den Kern. Nun zwei Elektronen befinden sich relativ dicht zum Kern und nehmen wieder ein 1s-Orbital an so wie beim Helium Atom. Diese sogenannten inneren Elektronen sind sehr stark durch den Kern gebunden und spielen bei einer chemischen Bindung unterschiedlicher Atome eine untergeordnete Rolle. Konzentrieren wir uns auf die sechs übrig bleibenden Außenelektronen.
Die sechs übrigen Elektronen sind auf einem sogenannten 2s und drei 2p-Orbitalen verteilt, die eher wie keulenartige Hanteln aussehen:
Man sieht innerhalb der Orbitale noch Pfeilchen nach oben und unten. Diese sollen den sogenannten Spin eines Elektrons symbolisieren. Ja die Elektronen rotieren um die eigene Achse und es ist wichtig zu wissen, dass maximal zwei Elektronen eines solches Orbital zusammen betreten können und zwar mit ungleichem Spin. Das ist wichtig mit dem ungleichen Spin, weil sonst zwei Elektronen, die sich ja eigentlich abstoßen, nicht bereit sind gemeinsam so ein Orbital miteinander zu teilen.
Wir sind aber leider immer noch nicht fertig mit der Elektronenverteilung des Sauerstoffatoms. Denn wie man sicherlich weiß, kommt ein einzelnes Sauerstoffatom ja in der Natur gar nicht vor, man spricht ja immer von O2 also einem Molekül aus zwei Sauerstoffatomen. Bei der Wechselwirkung von Atomen zu benachbarten Atomen “verformen” sich die Aufenthaltsräume der beteiligten Atome zu sogenannten Hybrid (=Zusammensetzung aus Verschiedenartigem) Orbitalen. Durch die “Verformung” der Orbitale kann die Energie der einzelnen Atome im Verbund zu einem Molekül abgesenkt werden und daher ist das Molekül stabiler als die Atome alleine. Das ist immer der Fall, wenn wir von einer exothermen chemischen Reaktion sprechen. Während der Reaktion orientieren sich die beteiligten Atome neu und gehen eine chemische Bindung ein, die zu einem energieärmeren aber stabileren Molekül führt. Die Energie, die durch die Bindung der Atome zum Molekül frei wird, nennt man chemische Bindungsenergie und sie wird eben bereitgestellt durch eine Veränderung der ursprünglichen Aufenthaltsräume der Elektronen um ihren Kern.
Was heißt das konkret für das Sauerstoff Atom? Bei der Annäherung eines Sauerstoff Atomes mit einem anderen Sauerstoffatom verändern sich das kugel symmetrische 2s Orbital und die drei hantelförmigen 2p Orbitale zu vier keulen-artigen Hybrid Orbitalen, die zusammen ein Tetraeder aufspannen.
Vornehm gesprochen nennt man diese Überlagerung sp3 Hybridisation. Von den resultierenden vier Hybrid Orbitalen sind zwei mit zwei Elektronen unterschiedlichen Spins und zwei mit jeweils nur einem Elektron gefüllt. Man ahnt es vielleicht aus energetischen Stabilitätsgründen “wünscht” sich das Sauerstoff Atom, dass die beiden Hybrid Orbitale mit nur einem Elektron mit jeweils einem Elektron entgegengesetzten Spins aufgefüllt werden. Warum dies nicht durch einer Bindung mit einem “benachbarten” freien Sauerstoffatom realisieren?
Daher finden wir das Sauerstoff Atom in “freier Natur” natürlich nie allein sondern als O2 Molekül.
Auf zum Kohlenstoff, es hat sechs Protonen und dementsprechend sechs Elektronen. Zwei innere Elektronen im 1s Orbital und vier Außenelektronen. Von diesen vier Außenelektronen verteilen sich zwei auf ein 2s Orbital und zwei weitere auf jeweils ein 2p Orbital. Diese vier Außenelektronen auf 2s und 2p Orbitale verteilt, bilden wieder vier hybride Orbitale, wie beim Sauerstoff, aber hier ist jedes Hybridorbital mit nur einem Elektron besetzt.
Die oben gezeigte sp3 Kohlenstoff Hybridisation kommt so allerdings fast nur in den kristallinen Zuständen wie Diamant vor. Bei Kohle und Öle kommen immer Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel und weitere Anteile hinzu und die Kohlenstoff Ketten sind wesentlich amorpher als im Diamant.
Aber was passiert jetzt bei der Verbrennung von z.B. Kohle mit dem Sauerstoff aus der Luft? Der Sauerstoff als Molekül dringt durch die Entzündung mit hoher kinetischer Energie in die Kohle Oberfläche ein. Die Außenelektronen vom Sauerstoff treten dabei über elektrische Felder in Wechselwirkung mit den Außenelektronen der Kohlenstoff Atome. Automatisch wird eine Elektronenkonfiguration gesucht, die stabiler=energieärmer ist als der Ausgangszustand. Dabei wird die Bindungsenergie exotherm frei und “befeuert” den Verbrennungsprozess solange genügend Sauerstoff nachgeführt wird (die Kohle glüht).
Nun wie sieht das CO2 Molekül zum Schluss aus, was für ein Gesamtkunstwerk ergibt sich?
Aus den vier sp3 Hybrid Orbitalen a sechs Elektronen beim Sauerstoff werden jetzt drei sp2 Hybrid Orbitale und jedes enthält zwei Elektronen mit umgekehrten Spin. Der Kohlenstoff hat nur noch zwei sp Hybrid Orbitale mit jeweils zwei Elektronen besetzt. Und jetzt kommt der Clou. Die sp Hybrid Orbitale des Kohlenstoffs überlagern jeweils mit einem sp2 Hybrid Orbital der Sauerstoffatome. Sauerstoff und Kohlenstoff nutzen also gemeinsam ihre Elektronen, um eine stabile Verbindung einzugehen, man spricht von einer kovalenten Bindung. Wie man leicht am obigen Gebilde erkennen kann, ist das obige Gebilde achsensymmetrisch.
So das war ein langer Weg, um den Aufbau und die Struktur des CO2 Moleküls zu erklären. Um chemische Reaktionen und Strukturen zu erklären, kann man jedoch oft viel schneller ans Ziel kommen, insbesondere wenn man Atom und Molekülstrukturen zwei Dimensional darstellen will. Hier geht es jetzt zum Schnelleinstieg für die Erklärung, warum das CO2 Kipp- und Streckschwingungen im infraroten Strahlungsbereich durchführt.
Mit Hilfe der Lewis-Formel kann man sich die wesentlichen Grundzüge der Struktur von Atomen und Molekülen klar machen. Die Lewis Formel setzt auf zwei Regeln:
- Für chemische Reaktionen sind hauptsächlich die Außenelektronen eines Atoms verantwortlich.
- Es gilt die Oktett Regel. Diese besagt, dass sich Atome so zu Molekülen verbinden, dass sich im äußerten Elektronen Aufenthaltsbereich (auch Schale genannt) insgesamt acht Elektronen befinden.
- Das Atom mit der höchsten “Bindigkeit” befindet sich im Zentrum des Moleküls.
Die Lewis Formel setzt auf ein (Zwiebel-) Schalenmodell bei dem jeweils eine Schale von maximal zwei Elektronen besetzt werden können. Die Außenelektronen Schalen, die nur einfach besetzt sind geben die Bindigkeit (Eignung zur Bindung) an. Bei Sauerstoff liegt die Bindigkeit bei zwei und bei Kohlenstoff bei vier.
https://studyflix.de/chemie/lewis-formel-1875
Wendet man obige Regel an erhält man so etwas:
Durch das Erhitzen von Sauerstoff und Kohle gehen die existierenden kovalenten (Elektronenpaarbindungen) verloren und die Außenelektronen von Kohlen- und Sauerstoff suchen eine neue stabile, d.h. energieärmere Konstellation als die obige und das finden sie durch folgendes Anbandeln:
Es bildet sich zwischen dem Kohlen- und Sauerstoff Atom ein achsensymmetrischer Kanal aus, der aus vier Elektronen gebildet wird, zwei jeweils von den Sauerstoffatomen und vier vom Kohlenstoff. In der Summe bilden acht Elektronen eine energetisch stabilere Konstellation als zuvor. Um die Stabilität zu erreichen wird viel Bindungsenergie in Form von Wärme abgegeben. Und die hat uns Menschen angefangen von den ersten dampfgetriebenen Wasserpumpen in britischen Kohlewerken über die Titanic bis hin zum Quanten Computer Geschichten ermöglicht, die 1750 sicherlich keiner für möglich gehalten hätte. Und jetzt sind wir endlich soweit die asymmetrischen Kipp- und Streck Schwingungen des CO2 Moleküls zu beschreiben, die uns so in die “Bredouille” bringen.
In einer etwas plastischeren Darstellung kann man sich das CO2 Molekül wie drei Billiardkugeln vorstellen, die durch zwei sehr elastische starke Federn miteinander gekoppelt sind.
Die zusammenhaltenden Federn werden aber durch die acht Bindungselektronen von Kohlenstoff und Sauerstoff realisiert. Symmetrie Überlegungen führen dazu, dass der Masse- wie Ladungsschwerpunkt im Zentrum des Kohlenstoffatoms sich befindet. Doch das kann sich ganz plötzlich ändern, wenn z.B. ein Stickstoffmolekül dem Kohlenstoffatom im CO2 Molekül einen Kick gibt, etwas so:
Nun was passiert? Das Kohlenstoffatom im CO2 Molekül und das Stickstoff Molekül fühlen sich an den Impulserhaltungssatz gebunden. Das Kohlenstoff Atom nimmt also den Stoß auf und zischt ab nach oben, während das Stickstoffmolekül wieder den Rückwärtsgang einlegt. Und die beiden Sauerstoffatome verharren erstmal träge und verdutzt an ihren Stellen und fragen sich, wo der Kohlenstoff geblieben ist, etwa so:
CO2 Molekül nach elastischem Stoß mit Stickstoffmolekül.
Und jetzt genau passiert es, das “Treibhaus” Moment:
Durch den Stoß befinden sich die Sauerstoffatome mit den Bindungselektronen unterhalb der Symmetrieachse, wie sie im Grundzustand des Moleküls ist. Die untere Hälfte enthält jetzt eine negativere Ladungsdichte als die obere. Der positive Kohlenstoffkern wird jetzt durch die umgebenden Elektronen nicht mehr richtig elektrisch neutralisiert. Es entsteht ein elektrischer Dipol.
Jetzt fehlt noch der letze Player in diesem Drama: Die infrarote elektromagnetische Welle, die vom Erdboden “losgeschickt” wird.
Wie der Name elektromagnetische Welle schon sagt, besteht die elektromagnetische Welle aus einem elektrischem und phasenverschobenem magnetischen Wechselfeld, das sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Um das Schwingungsverhalten des CO2 Moleküls zu verstehen, kann man sich diese Welle wie eine Wechselspannungsquelle am Kohlenstoffatom vorstellen:
Das infrarote elektrische Wechselfeld ändert die Polarität, des durch den Stoß entstandenen elektrischen Dipol und das Umpolen des Dipols führt zu einer Lageverschiebung des Kohlenstoffatoms:
Dieses vertikale Kippen des CO2 Moleküls findet allerdings nicht mit 50 Hz statt wie bei unserem Hausstrom sondern in einem Bereich von hundert GHz.
Etwas animiert sieht das dann so aus 😉 :
So ein Schwingungszustand dauert ca. 1-2 mikro Sekunden, was für den Mikrokosmos schon eine halbe Ewigkeit ist. Dann ist es dem CO2 Molekül aber zu anstrengend, was in der Physik bedeutet, dass das Molekül wieder seinen stabilen Grundzustand sucht. Um das zu erreichen, gibt es Energie ab und das natürlich als infrarote Strahlung, so wie es auch die Energie aufgenommen hat.
Diesem Molekültanz verdanken wir u.a. unsere Existenz, wie man auf dieser Spektralverteilung ablesen kann:
Die Kurven geben die spektrale Energieverteilung eines idealisierten “schwarzen” Körpers bei einer bestimmten Temperatur an. Der Begriff “schwarzer” Körper ist immer wieder sehr irritierend. Ein Körper, der im Temperaturgleichgewicht ist, gibt genauso viel Energie ab, wie er aufnimmt. Die Sonne ist z.B. ein fast idealer schwarzer Körper. Die gezackte Linie gibt wiederum die spektrale Energieverteilung unserer Atmosphäre wider, gemessen von Satelliten außerhalb der Atmosphäre. Und es fällt auf, dass im nahen infrarot Bereich Wellenlänge < 10 Mikrometer und um die 15 Mikrometer starke Einbrüche im Spektrum vorliegen zu dem. Das bedeutet, dass diese Spektralanteile in der Atmosphäre zurückgehalten werden. Die Ursache für das Zurückhalten, der Erdstrahlung in diesem Bereich, ist aber nicht nur das Schwingungsverhalten von CO2 sondern auch von Gasen wie Methan und Lachgas aber ganz wesentlich auch von Wasserdampf.
Das H2O Molekül ist im Gegensatz zum CO2 ein permanenter elektrischer Dipol. Das Sauerstoffatom “zieht” die Elektronen der beiden Wasserstoffatome zu sich hin:
Trifft infrarot Strahlung auf Wassermoleküle in der Luft, fangen diese sofort an zu schwingen, ohne dass diese über einen Stoß aus ihrem Grundzustand erst zu einem Dipol werden. Damit wird erklärlich, warum man in einer Sauna Wasser verdampfen lässt bzw. trockene Hitze zumeist leichter zu ertragen ist als schwül warmes Wetter. Alle Treibhausgase wirken wie Mikrosender in der Atmosphäre für infrarot Strahlung und senden die Wärmestrahlung, die auf dem Weg ist, den Planeten zu verlassen, erneut zurück zum Boden. Das Resultat ist eine mittlere Temperaturerhöhung der Atmosphäre des Planeten und seiner Oberfläche.
Globaler mittlerer Temperaturverlauf der letzten 22.000 Jahre.
Bevor ich zum globalen Durchschnittstemperaturverlauf der letzen 22.000 Jahre komme, möchte ich nur noch ein paar Eckdaten zum natürlichen Treibhauseffekt nennen. Über die Theorie des Strahlungsverhalten schwarzer und grauer Körper kann man berechnen, welche Durchschnittstemperatur auf der Erde existieren würde, wenn es keine Atmosphäre gäbe. Die Temperatur läge dann bei -18° Celsius. Wir sind also schon viel zuweit Weg von der Sonne, dass Leben ohne oben beschriebene infrarot Mikrosender in der Atmosphäre möglich wäre. Durch die Treibhausgase steigt die mittlere globale Temperatur um ganze 33° Celsius auf +15°. Macht das denn dann soviel aus, wenn wir Menschen dann noch 1 oder 2° Celsius hinzufügen? Ja das macht es, insbesondere dann, wenn diese Temperaturerhöhung sehr schnell passiert und in der Tendenz bei +1° bis 2° noch lange nicht Schluss ist.
Wie sich die mittlere globale Temperaturveränderung der letzten 22.000 Jahre darstellt, kann man auf folgender Grafik sehen:
Die Graphik zeigt auch noch die Änderung des Meeresspiegel an (blaue Kurve) aber ich möchte mich hier auf die rote Temperaturkurve konzentrieren. Zunächst fragt man sich ja, wie geht das, dass man die globale Temperaturänderung über 22.000 Jahre darstellen kann. 1742 entwickelte der Schwede Anders Celsius seine Messmethode und Skala. Eine globale Wetter und Temperatur Dokumentation gibt es seit ca. 200 Jahren, wie soll man also zu globalen Temperaturänderungen vor 22.000 Jahren etwas aussagen können? Nun leicht ist es sicherlich nicht obige Kurve zu erstellen aber es geht.
Die Temperaturmessung wird dabei auf eine Konzentrationsmessung der Luft zurückgeführt. Das Verhältnis zwischen den Sauerstoff Isotopen O16 zu O18 spielt dabei eine wichtige Rolle, da dieses Verhältnis sehr proportional zur Umgebungstemperatur ist. Doch wie kommt man an so alte Luft heran. Die Lösung: Man bohrt tiefe Löcher in die Antarktis. Je tiefer die Bohrkerne entnommen sind, um so älter ist das Eis. Beim Gefrieren des Eises wird immer bodennahe Luft aus der Umgebung Jahr für Jahr mit eingeschlossen. Ergo kann man durch Auftauen des alten Eises an die alte Luft heran. Mit dieser Methode kann bis zu 800.000 Jahre zurück in der Zeit gehen. Anbei ein Ausschnitt aus der ZDF Reihe Terra X aus dem Jahre 2018.
Aber über Bohrungen tief am Meeresboden kommt man noch weiter in der Zeit zurück, um das Temperaturverhalten der Erde zu bestimmen:
Man sollte sich als Messtechniker klar machen, dass der Eichprozess bei einer solch langen Messreihe natürlich extrem schwierig aber eben machbar ist.
Zurück zum Temperaturänderungsverlauf der letzen 22.000 Jahre, den ich nochmal einblende:
Vor über 22.000 Jahren war die gesamte Nordhalbkugel dick mit Eis bedeckt und Leben war nur am Äquator möglich. Doch innerhalb der darauf folgenden 10.000 Jahre stieg die mittlere Temperatur um satte 3,5 Grad. Parallel dazu stieg der Meeresspiegel erheblich. Vor ca. 11.000 Jahren stoppte die Temperaturänderung und blieb relativ konstant.
In dieser Zeit war die Sahara eine saftige grüne Savanne mit vielen Wildtieren:
Vielleicht war die Grüne Sahara auch eine Vorlage für den biblischen Garten Eden, fest steht auf jeden Fall, dass vor ca. 5.500 Jahren relativ abrupt sich diese Grüne Savanne in die Wüste verwandelte, die wir heute kennen. Retten konnte sich die Grüne Savanne nur am Niel, aus dem bekanntlich das große Reich der alten Ägypter entstand. Eine zentrale Wiege der Zivilisation. Bei dieser lokalen Klimaänderung spielt die Änderung der mittleren globalen Temperatur keine Rolle, denn die blieb global gesehen relativ konstant. Auch war sicherlich der Mensch nicht Ursache für diese drastische, lokale Klimaänderung. Ein Treiber dieser Veränderung waren wohl stärkere Abkühlungen in den hohen nördlichen Breiten, die zur Erwärmung und Niederschlagsveränderung in der Sahara führten:
https://www.awi.de/ueber-uns/service/presse/presse-detailansicht/das-ende-der-gruenen-sahara.html
Schaut man sich nochmal genauer den Zeitabschnitt des Holozäns an ca. -12.000 bis Vorindustrialisierung an, dann fällt ein abfallender Trend ab ca 3.000 Jahre vor Christus auf, der sich bis ca 1850 hielt, der sich aber nochmals ab dem 15. Jahrhundert verstärkte. Der Zeitraum 15. Jahrhundert bis Mitte 19. Jahrhundert wird auch “Kleine Eiszeit” bezeichnet. Als Ursachen werden verstärkter Vulkanismus, geringere Sonnenaktivität und Veränderungen der Erdumlaufbahn, die schon vor 6000 Jahren einsetze, genannt (siehe auch: https://de.wikipedia.org/wiki/Kleine_Eiszeit).
Doch ab 1850 geht es steil bergauf mit der mittleren globalen Temperatur. Brauchte die Erde im Mittel seit der letzen Eiszeit 2.000 Jahre, um um ein Grad zu steigen, schaffte die “Erde” es auf einmal in 200 Jahren. Das bedeutet, die jetzige Temperaturänderung findet jetzt um den Faktor 10 schneller statt. Da sollte man sich doch fragen, was ist die Ursache für einen solchen drastischen Temperaturanstieg und wie geht es weiter damit?
Verlauf der CO2 Konzentration in den letzen 400.000 Jahren
Wie hat sich die CO2 Konzentration in der Atmosphäre über die letzen Jahrtausende entwickelt?
Augenscheinlich schwankt die CO2 Konzentration schon lange auf diesem Planeten (Wechsel zwischen Eiszeit und Warmzeit) doch in den letzen 200 Jahren, da hat sich etwas vom Zyklus der Schwankungen abgekoppelt. Die CO2 Konzentration ist auf dem Weg sich zu verdoppeln gegenüber den Maxima der letzen 400.000 Jahre. Die Einheit für die CO2 Konzentration wird in ppm = “parts per million” angegeben. CO2 ist ein Spurengas mit einem Vorkommen von nur 4 Promille aber man bedenke, dass man auch nur sehr wenig vom Gift Arsen braucht, um einen Organismus ins Jenseits zu befördern. Ist der rapide Anstieg des CO2 in den letzten 200 Jahre eindeutig mit dem Menschen zu verbinden? Diese Frage kann ganz eindeutig mit “Ja” beantwortet werden. Es spielen wieder einmal Isotope bei der Beantwortung dieser Frage eine Rolle.
CO2, das durch Ausatmen und anderen Gärungsprozessen von Mensch, Tier und Pflanzen ausgeschieden wird, hat auch immer einen radioaktiven C14 Anteil. Die Halbwertzeit vom C14 Anteil liegt bei ca. 5.000 Jahren. Man stellt allerdings bei den jetzigen CO2 Messungen fest, dass der radioaktive Anteil des C14 Isotops stark rückläufig ist. Wie ist das zu erklären? Das CO2, das durch Kohle-, Öl- und Gasverbrennung entsteht, enthält kein C14 Isotop mehr, denn diese Stoffe wurden gebildet im Carboneum, das viele Millionen Jahre zurückliegt. Das bedeutet nahezu alle radioaktiven C14 Isotope aus jener Zeit sind zu C12 zerfallen.
Doch der Anstieg der mittleren, globalen Temperatur muss nicht zwingend mit dem menschen gemachtem Anstieg der CO2 Konzentration zusammenhängen. Es kann eine Korrelation sein, die nicht kausalen Ursprungs ist.
Wo ist die Verbindung zwischen Anstieg der CO2 Konzentration und dem Temperaturanstieg?
Zunächst möchte ich klar herausstellen, dass man nicht beweisen kann, dass der Anstieg der CO2 Emssionen durch den Mensch die Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur verursacht. Hierbei liegt auch oft ein falsches Verständnis zwischen definierbar und durchführbaren mathematischen Beweisen und naturwissenschaftlichen Thesen. In der Mathematik können sehr genau Definitionen, Bedingungen und Thesen miteinander in Einklang gebracht werden, die dann in einem Beweis münden. In den Naturwissenschaften können Thesen und deren Randbedingungen im Experiment unter Laborbedingungen bestenfalls bestätigt werden oder falsifiziert werden. Als einer der am besten bestätigten physikalischen Theorien inklusive der Einbeziehung von mathematischen Beweisen gilt die “Allgemeine Relativitätstheorie” von Albert Einstein. Trotzdem kann ein relevantes, überprüfbares “Gegenexperiment” die Theorie zum Einstürzen bringen. So kann man auch bis heute nicht beweisen, dass Rauchen Krebs erzeugt aber die Last der Indizien wiegt schwer.
Es kann beim derzeitigen “CO2/globalen Temperaturanstieg” Zusammenhang auch nur einen Indizienprozess geführt werden.
Zunächst stellt sich die Frage, was noch neben des Anwachsen des CO2 Spiegels, die mittlere globale Temperaturerhöhung verursacht haben könnte. Da fällt der Blick natürlich auf die eigentliche Ursache für Wärme in unserem Sonnensystem: “Die Sonne”. Die Sonne strahlt nicht immer gleich stark sondern schwankt in einem Zyklus von elf Jahren (Sonnenfleckenzyklus). Seit den 80ziger Jahren beobachtet man sogar einen längerfristigen Abwärtstrend trotzdem sieht man ein sehr starken Anstieg der globalen mittleren Temperatur. Die Sonne fällt als Erklärung also aus.
Auch die Veränderung der Umlaufbahn durch die Milankovitch Zyklen können den rapiden, globalen Temperaturanstieg nicht erklären.
Der CO2 Anstieg bleibt der Hauptverdächtige für den Temperaturanstieg. Und die Wissenschaft hat einen sehr starken Gehilfen bekommen, der ein weiteres wesentliches Indiz für diese Hypothese liefert: Die Simulation des Weltklimas in tausenden von Prozessoren von Rechner Clustern, die eine virtuelle Erde abbilden.
Bei dieser Simulation kommen die Physik, wie Erhaltungssätze (Energie, Impuls aber auch Masse) und die Infinitesimalrechnung zum tragen. Die Infinitesimalrechnung wurde von Newton und Leibnitz unabhängig voneinander eingeführt, um Differentiale und Integrale zu Lösen, wenn die “Formelsammlung” versagt. Ein Obergriff dieses Bereiches in der Informatik wird mit Numerik bezeichnet. Das Grundprinzip lässt sich einfach für das numerische Lösen von Integralen zeigen.
Das Integral einer Funktion mit einem Parameter kann geometrisch durch die Fläche angegeben werden, die der Funktionsgraph mit der Horizontalachse einschließt:
Nun ist die Fläche unter einer gekrümmten Funktionskurve gar nicht so leicht zu berechen. Kennt man doch nur die Fläche genau von Vielecken und dem Kreis, der ja ein Vieleck mit unendlich viel Ecken ist. Die Fläche ist einfach zu berechnen für ein Rechteck. Daher ist die Strategie man nähert die “wirkliche” Fläche durch eine Summe von Rechtecken an. Augenscheinlich begeht man dabei einen Fehler, doch je kleiner man das Intervall für die Rechtecke auf der x-Achse wählt, um so kleiner wird der Fehler. Lässt man die Intervalle “beliebig klein aber nicht null” werden, so nähert man sich der mathematischen Definition des Integrals an und der Fehler wird beliebig klein. Für uns Menschen ist dieser Ansatz dann aber auch beliebig aufwendig. Doch für den Kollegen Computer ist es natürlich kein Problem, obige Fläche durch 1000, 10.000 oder 100.000 Rechtecke anzunähern, so dass der Fehler für alle technischen Belange zu vernachlässigen ist. Es sollte nicht verwundern, dass für eine Struktur Wissenschaft, wie die Mathematik, der Ansatz, eine komplexe Struktur durch eine Superposition von Beherrschbarem Strukturen zu beschreiben und somit lösbar zu machen, geradezu inhärent ist.
Wie wendet man nun dieses Prinzip für die Simulation von so etwas komplexem wie das Klima der Erde an? Man zerlegt die Erde in “kleine” dreidimensionale Kugelkubenelemente, etwas so:
Eine einzelne Box kann wiederum so aussehen:
Von jedem “Grid” Element ist die geologische Beschaffenheit bekannt. Außerdem ist jedes Klima “Grid” Element über Kopplungsrandbedingungen mit seinen Nachbar “Grid” Elementen verknüpft. Verdunstet Wasser in dem einen Element und “weht” der Wind, so wird es dem einen Element entzogen und dem anderen hinzugefügt. Es ist die unglaubliche Strukturkraft der Mathematik, die Wirbelstürme, Regenfluten, Hitze aber auch sehr schönes Frühlingswetter in riesige Zahlenkolonnen pressen kann aber nur durch den Computer sind wir auch in der Lage, diese Zahlen in Echtzeit zu verändern. Theoretisch kann man das auch mit einem sehr großem Bleistift und Papier machen aber das ist schon etwas theoretisch ;-). Das überlässt man doch dann besser den Computern:
Zumal Computer die Fähigkeit haben, die von ihnen berechneten Zahlenkolonnen wieder in wunderbare Bilder und Grafiken zu verwandeln durch die wir Ihre Prognosen überhaupt erst deuten können. Es gab so Ausnahmen, z.B. einen schwer Kurzsichtigen, der aus vielen handschriftlich kleingeschriebenen Tabellen des Dänen Tycho Brahe erkannte, dass die Planeten unseres Sonnensystems sich auf Ellipsenbahnen um die Sonnen bewegen (Kepler) aber solche Menschen sind wirklich rar geworden.
Da sind dann Computer im Ergebnis anschaulicher und werfen z.B. eine solche Grafik heraus:
Die obige Temperatur Plot besagt, dass ohne Ausbeutung der fossilen Energieträger (orange Kurve) wir im Holozän geblieben wären. Das sagen übrigens alle Klimamodelle, die wissenschaftlich anerkannt sind. Keins prognostiziert einen mittleren Temperaturanstieg, es sei denn man dreht am Parameter CO2.
Hier nochmal ein netter Link über Klimamodelle und wie sie zustande kommen:
Zum Abschluss dann nochmal ein Blick in den Abgrund: das Klimaszenario RCP 8.5
https://sos.noaa.gov/datasets/climate-model-temperature-change-rcp-85-2006-2100/
Das Szenario wird auch “Business as usual” bezeichnet. Es simuliert die mittlere Temperaturentwicklung in Abhängigkeit der CO2 Konzentration unter der Annahme, dass wir so weiter machen wie bisher und der CO2 Anstieg nicht wesentlich gebremst wird vom Jahre 2006 bis 2100.
Ich greife nun vollkommen unwissenschaftlich das Jahr 2021 heraus und betrachte mir die Visualisierung der Simulationsdaten für das Jahr 2021:
Ich sehe starke Temperaturzunahme in Westen Nordarmerikas. Der Vergleich mit der Realität (Temperaturen bis zu 50° in British Columbia (West Kanada)) kann sich sehen lassen. Sehr starke Überhitzungen in der Nordpolarregion werden prognostiziert und tatsächlich im Juni dieses Jahres wurden dort die 48°Celsius erreicht. Außerdem zeigt das Modell starke Erwärmungen in Südeuropa und wo brennt es und werden Temperaturen bis 45°Celsius vermeldet? Die Simulationsprognose ist bestechend. Aber wie sieht es mit der prognostizierten CO2 Konzentration in der Atmosphäre aus. Das Modell geht von 419 ppm aus. Das ist etwas zuviel, stand jetzt sind wir bei 415 ppm.
Das macht einen relativen Fehler von (419/415-1)=0.96% also unter einem Prozent.
Psychologische Blockaden auf dem Weg zur CO2 Neutralität?
Nun während der Industrialisierung von 1750 bis heute, da ist ja noch etwas gewachsen außer dem CO2. Im Jahre 1800 knackten wir die eine Milliarde lebenden Menschen auf diesem Planeten. Das ist beachtlich für eine Lebensform unserer Größe. Wenige Jahre später haben wir heute fast acht lebende Milliarden Menschen auf diesem Planeten erreicht. Man kann es drehen und wenden wie man es will, die industrielle Revolution und die mit ihr einhergehenden Folgeprozesse sind eine nicht fassbare “Success” Story. Kann eine solche Mega Success Story so unangenehm enden?
Das mental zu begreifen, dass nach dem Rausch der jehe Absturz kommen kann, bezogen auf eine solch erfolgreich und überlegende Gattung, das fällt allerdings schwer. Ein Molekül, das unsichtbar, geruchlos und nicht mal richtig giftig ist, das soll uns schlagen?
Ein Freund und Psychologe (diese Kombination soll es geben;-)) wies mich Ende der 90ziger auf ein heute Standardwerk für Psychologen und Kognitionswissenschaftler hin:
Die Logik des Misslingens
https://www.rowohlt.de/buch/dietrich-doerner-die-logik-des-misslingens-9783644011618
Er erzählte mir außerdem von einem psychologischen Experiment. Die Versuchspersonen hatten die Aufgabe die Temperatur ein Kühlhauses über eine einfache Zweipunkt Regelung zu steuern. Es gab einen Knopf zum Erwärmen und einen zum Abkühlen. Ich glaube ich brauche nicht zu erwähnen, dass die meisten Versuchspersonen scheiterten beim Versuch das Kühlhaus auf der Soll-Temperatur zu halten. Das Kühlhaus endete in einem ungeregelten Wärmezustand. Ohne hellseherisch wirken zu wollen, mein Kommentar damals war: “So wird es kommen!”
Die meisten Testpersonen gingen davon aus, dass eine solch einfache Regelung leicht und intuitiv zu bedienen ist. Zunächst blieb die Temperatur konstant und stieg nur unmerklich langsam an. Doch nach einiger Zeit merkte die Testperson, dass die Temperatur immer schneller stieg und das Kühlung angesagt ist und so drückte sie auf den Kühlknopf. Aber es passierte nichts, die Temperatur stieg ungebremst weiter. War der Kühlknopf kaputt? Die Testperson rechnete nicht mit der Trägheit eines solchen thermodynamischen Systems. Ein Knopfdruck suggeriert uns Menschen jedoch eine sofortige Reaktion nach dem Ursache/Wirkungsprinzip. Wie ging das Versuchsdrama weiter. Plötzliche zeigte die Abkühlung aber Wirkung nun aber plötzlich und radikal, so dass die Soll Temperatur weit unterschritten wurde. Darauf folgte dann ein hektisches auf und ab der Temperatur, weil der Proband in Panik hin und her schaltete und die Regelung begann an zu schwingen und dann ist Schluss mit einem Regelkreis.
Was wäre die Lösung gewesen? Die Versuchsperson hätte sich sofort mit der Temperaturregelung vertraut machen sollen noch bevor es eigentlich nötig gewesen wäre zu regeln. Dann hätte sie erlernen können, dass eine solche Temperaturregelung zeitverzögert auftritt und hektisches hin und her Schalten aber auch zu lange halten von einer Regelstufe nicht sinnvoll ist.
Das erlernte wenden wir jetzt mal auf einen Planeten an ;-( .
Leider ist auch der Begriff CO2 Neutralität sehr missverständlich. Viele verstehen darunter, dass wir gar kein CO2 mehr emittieren und durch die Photosynthese würde es zu einem langsamen Rückgang in der Atmosphäre kommen. Das ist aber schlichtweg unmöglich, denn wir müssen ja noch atmen und neben fast 8 Milliarden Menschen sind das Tiere und Pflanzen. Pflanzen produzieren eben auch CO2, wenn sie absterben. CO2 Neutralität bedeutet, dass wir die Konzentration nicht mehr steigern aber viel zuviel CO2 ist ja schon “drin” in der Atmosphäre und wird uns das Leben schwer machen.
Und nun, Game Over?
Wir wären ja keine Menschen, wenn wir uns so leicht geschlagen gäben. Wir können uns der Rosskur des Drogenentzugs stellen. Aber wir sollten uns ehrlich klar machen, dass wir nicht von einem Zigaretten Entzug eines Gelegenheitsraucher sprechen. Wir sind auf Heroin und das schon viel zu lange. Vieles ist unwiderruflich kaputt aber Ersatzdrogen wie regenerative Energien können uns noch handlungsfähig machen, so dass wir Zeit gewinnen bessere Technologien zu entwickeln, um uns an den kommenden Klimawandel anzupassen.
Solche neuen Technologien könnten z.B. die Kernfusion sein. Sollte diese stabil funktionieren und nicht nur einen kurzen Augenblick stünden uns Energien zur Verfügung, die es erlaubten das CO2 aus der Atmosphäre wieder abzusaugen. Doch bis dahin wird es weiter ungemütlicher auf unserem Planeten.
Es ist nie zu spät etwas gutes zu tun, auch wenn die gute Wirkung sich viel später entfaltet. Diese Erkenntnis steckt tief in uns drin. Es wird Zeit sie aus unserem Innersten hervorzuholen.
Die letzen Worte in diesem Blog überlasse ich einem Politiker, den ich sehr schätze und der meine vielen Worte sehr ruhig und auf den Punkt zusammenfasst.
Lasst uns den Schalter umstellen und genau beobachten was passiert…die Evolution geht weiter.
My blog 
One thought on “Klimawandel”