Kosmische und anthropogene Strahlungsantriebe im Vergleich – was ein astronomischer Schulunterricht zur Klimadiskussion beitragen kann Oliver Schwarz Institut für Didaktik der Physik / Universitätssternwarte Universität Siegen

Gliederung - 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?

Der aktuelle Bericht des IPCC

Der Strahlungsantrieb … „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

Von der Solarkonstante zum Strahlungsantrieb L: Leuchtkraft der Sonne in Watt pro Quadratmeter r: Abstand Erde-Sonne

Der Strahlungsantrieb wird auf die gesamte Erdoberfläche bezogen … und die Erde rotiert recht schnell, also: S: Strahlungs-antrieb R: Erdradius Außerdem strahlt die Erde 30% der ankommenden Strahlung zurück (A: Albedo), also:

x 0,175 Der Strahlungsantrieb - eine Veränderung des Eintrages Wir verändern den natürlichen Strahlungshaushalt der Erde um ~1% (laut IPCC). 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.

Der Strahlungsantrieb und die mittlere Erdtemperatur Faustformel: oder Laut IPCC erwarten wir also aus (Linearisierungs-vorbehalt)

Kosmische Strahlungsantriebe durch Veränderung der SOLARKONSTANTE Faint young sun Milankovič-Zyklen Zyklische Änderungen der Solarkonstante (Aktivitätszyklus der Sonne)

Elementarisierung kosmischer Strahlungsantriebe am Beispiel der Milankovič-Zyklen

Präzession und Periheldrehung

Theoretisch … Der Ansatz Berechne AN Dunkle Fläche: A1 Helle Fläche: Bilde den „Durchschnitt einer Klassenarbeit“ Rechne ΔS aus: Mit A1 A2

Experimentell …

MilankoviČ-Zyklen haben Einfluss auf das Klima – aber nicht unbedingt…

Astronomische Strahlungsantriebe, ihre typischen Zeitskalen und ihre klimatischen Auswirkungen young faint sun Milankowič-Perioden Aktivitätszyklen der Sonne maximaler Strahlungsantrieb in Wm-2 70 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

Grenzen des Wachstums – Co2 -frei Die Leuchtkraft der Sonne: Unser gegenwärtiger Leistungsumsatz: Das jährliche Wachstum: 4% In x=790 Jahren erreichen wir die Leuchtkraft der Sonne!

Grenzen des Wachstums – andere Beispiele 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.

Energieströme regenerativer und deponierter Energieformen aus planetarer Sicht Kohle, Kernenergie, Erdöl … Solarenergie, Wasser, Wind, Biomasse

Deponierte Energie generiert Abwärme … Wachstumsberechnung nach bekanntem Muster: Mit ΔT=2K + M Oder bei einer Wachstumsberechnung noch 150 Jahre ! Fazit: Auch ohne CO2 bekommen wir Abwärme-Probleme !

Risiken der Nutzung regenerativer Energien - machen wir die gleichen Fehler erneut? 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 Natur Wind- und Wasserkraft pro Quadratmeter: ΔT≈10K, T=288K η=0,03 bzw. Biomassenkonstante:

Meridionaler Energietransport elementar - am Beispiel des Golfstromes

Man kann es selbst Ausprobieren

Meridionaler Energietransport

Meridionaler Energietransport Aus ΔT=2K folgt Aus folgt

Der Golfstrom und die globale Wärmediffusion 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

FaziT: 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