Oliver Schwarz

Institut für Didaktik der Physik /

Universitätssternwarte

Universität Siegen

- Der aktuelle Bericht des Weltklimarates und der Begriff des Strahlungsantriebes

- Kosmische Strahlungsantriebe im Vergleich

- Grenzen des Wachstums bei Primärenergie und

Primärleistung – eine Diskussion ganz ohne CO2

- Energieströme regenerativer und deponierter Energieformen aus planetarer Sicht

- Risiken der Nutzung regenerativer Energien - machen wir die gleichen Fehler erneut?

„Änderungen in der atmosphärischen Konzentration von Treibhausgasen und Aerosolen, der Sonneneinstrahlung und der Beschaffenheit der Landoberfläche verändern die Energiebilanz des Klimasystems. Diese Änderungen werden in Form des Strahlungsantriebs2 ausgedrückt, mit dessen Hilfe die wärmenden und kühlenden Einflüsse einer Anzahl von menschlichen und natürlichen Antrieben auf das globale Klima verglichen werden.

2Der Strahlungsantrieb ist ein Maß für den Einfluss, den ein Faktor auf die Änderung des Gleichgewichts von einfallender und abgehender Energie im System Erde-Atmosphäre hat, und ist ein Index für die Bedeutung eines Faktors als potentieller Mechanismus einer Klimaänderung. Ein positiver Antrieb führt tendenziell zur Erwärmung der Erdoberfläche während ein negativer Antrieb tendenziell zu einer Abkühlung führt.“

R. B. Alley et al.: Klimaänderung 2007, Wissenschaftliche Grundlagen, Vierter Sachstandsbericht des IPCC

24 r

Ls

L: Leuchtkraft der Sonne in Watt pro Quadratmeter

r: Abstand Erde-Sonne

… und die Erde rotiert recht schnell, also:

sR

sRS

4

1

4 2

2

S: Strahlungs-antriebR: Erdradius

Außerdem strahlt die Erde 30% der ankommenden Strahlung zurück (A: Albedo), also:

sAS )1(4

1

Der Strahlungsantrieb - eine Veränderung des Eintrages

ssAS 175,0)1(4

1

26,1 WmS21,9 Wms

Wie können wir diese Zahl verstehen/ veranschaulichen?Idee: In der Astronomie sind einige kosmische Einflüsse auf s gut erforscht und zudem sind ihre möglichen Auswirkungen auf das Klima aus der Erdgeschichte recht gut bekannt.Zusätzlicher Vorteil: Kosmische Einflüsse nicht rückgekoppelt.

21370 Wms x 0,175 2240 WmS

Wir verändern den natürlichen Strahlungshaushalt der Erde um ~1% (laut IPCC).

4)1(4

1TsA

sssds

dTT

277,0277,0

4

1 4

3

Faustformel: sT 05,0

oder ST 3,0

Laut IPCC erwarten wir also aus

26,1 WmS KT 5,0(Linearisierungs-vorbehalt)

1. Faint young sun

2. Milankovič-Zyklen

3. Zyklische Änderungen der Solarkonstante (Aktivitätszyklus der Sonne)

Der Ansatz

Berechne AN

Dunkle Fläche:

Helle Fläche:

Bilde den „Durchschnitt einer Klassenarbeit“

Rechne ΔS aus:

Mit

224321 SSSS

S

11 )1(4

1sAS N

A1

A2

)sin(2

1 221 RRF

)sin(2

1 222 RRF

21

2211

FF

AFAFAN

sin)(4,11 122 AAWmS

25,0 WmS KT 1,01,0A

young faint sun Milankowič-Perioden Aktivitätszyklen der Sonne

maximaler Strahlungsantrieb in Wm-2

70 0,5 0,5

typische Zeitskala in a 109 104-105 10-103(?)

Auswirkungen abgesehen von einigen globalen Vereisungszeiten im Durchschnitt eine relativ konstante Erdtemperatur bis in die Gegenwart – teilweise mit deutlich heißeren Klimaperioden als heute

Wechsel von Eiszeiten und Zwischeneiszeiten

geringfügige Änderungen der mittleren Erdtemperatur

Zur Erinnerung: anthropogen verursachter Strahlungsantrieb laut IPCC

26,1 Wm

Die Leuchtkraft der Sonne:

Unser gegenwärtiger Leistungsumsatz:

Das jährliche Wachstum: 4%

In x=790 Jahren erreichen wir die Leuchtkraft der Sonne!

W26108.3

W131035.1

WW x 2613 108.304.11035,1

Wann hört die Erde auf zu rotieren (Gezeitenkraftwerke)?

360 Jahre

Wann müssen wir die Erde lückenlos mit Solarzellen tapezieren?

230 Jahre

Weitere Beispiele sind – auch von Schülern – recht leicht zu finden und zu berechnen.

Kohle, Kernenergie, Erdöl … Solarenergie, Wasser, Wind, Biomasse

Wachstumsberechnung nach bekanntem Muster:

4)1(4

1TsA M

+ M

34

1

T

MT

Mit ΔT=2K 28,10 WmM

Oder bei einer Wachstumsberechnung noch 150 Jahre !Fazit: Auch ohne CO2 bekommen wir Abwärme-Probleme !

Zentrale Frage: Wie viel dürfen wir aus dem planetaren Energiestrom abzweigen, ohne dass wir den Ökosystemen zu viel wegnehmen?

Antwort (vermutlich): Nicht sehr viel… Indizien: z.B. Natürliche Wirkungsgrade in der

unbelebten und belebten NaturWind- und Wasserkraft pro Quadratmeter:

ΔT≈10K, T=288K η=0,03 bzw.

Biomassenkonstante:

T

T 27 Wm

21 Wm

)sin)(sin(2 RRAo

)cossin)cos()(sin(2 RAQ

Aus ΔT=2K folgt 233 WmS

T

DS cos2

Aus folgt 15,8

KradT

126,0 KWmD

Durch den Golfstrom transportierte Wärmeleistung:

ca. 20% der meridionalen Wärmediffusion der Nordhalbkugel

Mechanische Strömungsenergie des Golfstromes (*)

Vergleiche mit dem gegenwärtigen Leistungsbedarf der Menschheit

(*) Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg, Braunschweig, 2003

W1510

WW 1413 1010

W131035,1

Elementarisierungen durch Astronomie – astronomischer Unterricht ist bedeutender denn je (Verstehen des Strahlungsantriebes und möglicher Konsequenzen)

Klima- und Umweltdiskussion auch ohne CO2 Debatte

Chancen und Probleme regenerativer Energien

Planetare Sicht auf Energieströme ermöglicht elementare Erkenntniswege zu den Wachstumsgrenzen der irdischen Zivilisation