CO2-Konzentration hinkt der Temperatur hinterher ??

 

Warum hinkt die Co2-Konzentration der Temperatur hinterher?

by Editorial team · Published July 16, 2020 · Updated July 16, 2020

Während der Erdgeschichte hat sich das Klima erheblich geändert, von Eiszeiten bis hin zu warmen Perioden, in denen es selbst an den Polen kein Eis gegeben hat. Diese Klimaschwankungen hatten mehrere Auslöser, wie beispielsweise eine Veränderung der Sonnenaktivität, Milanković-Zyklen, vulkanische Aktivität und Änderungen der atmosphärischen Zusammensetzung. Mit Daten aus Eisbohrkernen, konnten Wissenschaftler die atmosphärischen Daten der letzten 400.000 Jahren rekonstruieren. Die Daten dieser Bohrkerne umfasst die jährliche atmosphärische Zusammensetzung über den Zeitraum der letzten 400.000 Jahre mit den jeweilig unterschiedlichen Konzentrationen der einzelnen Gase. Anhand der Daten konnte eine Korrelation zwischen den CO₂– und Temperaturwerten hergestellt werden (siehe Abbildung unten). Allerdings gingen einem Temperaturanstieg keine höheren CO₂-Werte voran, sondern das Gegenteil war der Fall. Die CO₂-Werte hinkten der Temperaturkurve um 200 bis 1000 Jahre hinterher. Daher hat es zunächst den Anschein, dass die Temperatur die treibende Kraft hinter der höheren CO₂-Konzentration ist, was der heutigen Ansicht, dass CO₂ die treibende Kraft hinter der Erderwärmung ist, widerspricht.

Abbildung 3: Kohlenstoffdioxid- und Temperaturdaten der Vostok Eisbohrkerne. Abbildung übernommen von skepticalscience.com.
 

Die Studie zeigt, dass die Anfangsphase der steigenden Temperaturen nach der letzten Eiszeit durch die Milanković-Zyklen ausgelöst wird. Dies initiierte eine Reaktionskette, welche die Erwärmung der Ozeane zur Folge hatte, welche wiederum CO₂ freisetzten. Mit dem stärker werdenden Treibhauseffekt stiegen die Temperaturen und die Freisetzung von CO₂ aus den Ozeanen nahm zu. Die Zeitverzögerung zwischen dem CO₂ und der Temperatur wird durch die zeitliche Verzögerung zwischen der Erwärmung der Ozeane und der konstanten Freisetzung von ozeanischem CO₂ verursacht. Durch diesen ansteigenden Effekt, wurde CO₂ zu der Hauptantriebskraft der Temperaturveränderungen während den glazial-interglazialen Erwärmungen. Die steigende CO2-Konzentration wurde zur Ursache und Treiber des weiteren Temperaturanstiegs. Der positive Rückkopplungseffekt ist notwendig um den Wechsel zwischen glazialen und interglazialen Perioden auszulösen, da die astronomischen Veränderungen alleine zu schwach sind um solch eine Erderwärmung zu verursachen.

Zusammenfassung

Die Hauptaussage von Shakun et. al. (2012) ist, dass CO₂ der Erderwärmung vorausgeht, und nicht folgt. Das tatsächliche Zusammenspiel zwischen Temperatur und CO₂ ist komplexer als in dieser Studie beschrieben. Die herangezogenen Daten für diese Studie basieren auf den Werten der atmosphärischen CO₂-Konzentration, die in den antarktischen Eisbohrkernen gemessen wurden, sowie weltweit entnommene Sedimentkerne, welche Aufzeichnungen bis zum letzten Übergang einer Glazialperiode zu einer Interglazialperiode vor 18.000 Jahren aufweisen. Von diesen Klimaproxys wurden Daten zu den Wasseroberflächentemperaturen und den Bodenlufttemperaturen gesammelt.

Anhand eines Vergleiches zwischen dem CO₂-Anstieg und den Temperaturwerten lässt sich ableiten, ob die CO₂-Konzentration dem Temperaturanstieg in unterschiedlichen geographischen Gebieten vorangegangen oder nachgezogen ist. Das Ergebnis zeigte, dass CO₂ den Temperaturveränderungen sowohl voranging als auch folgte. Die südliche Hemisphäre weist Temperaturerhöhungen vor CO₂-Konzentrationserhöhungen auf, während auf der Nordhalbkugel das Gegenteil der Fall ist (siehe Abbildung unten). Dieses Ergebnis kann durch mehrere Faktoren erklärt werden.

Abbildung 4: Verhältnis von CO2 Konzentration und Temperatur. (Abbildungen übernommen von Shakun et al. 2012). a) Die globalen Proxy Temperaturdaten (blau) als Abweichung von den mittleren Werten des frühen Holozäns (11,5 – 6,5 ka), Temperaturwerte eines atlantischer Eisbohrkerns (rot) und die atmosphärische CO2-Konzentrationen (gelbe Punkte). Das Holozän, jüngere Dryas (YD), Bølling-Allerød (B-A), ältere Dryas (OD) und das letzte Eiszeit Maximum (LGM) (Intervalle sind angegeben). Fehlerbalken, 1-sigma; ppmv. = parts per million pro Volumen. b) Die Synchronisierung der CO2-Konzentration und Temperatur für die globalen (grau), nördliche Hemisphäre (NH: blau) und südlichen Hemisphäre (SH: rot) Proxydaten, basierend auf Verzögerungskorrelationen vor 20.000 bis 10.000 Jahren in 1.000 Monte Carlo Simulationen. Der Mittelwert und die Standardabweichung des Histogramms sind gegeben. In 90% der Fälle geht die CO2-Konzentraion und in 6% der Fälle tritt sie zeitverzöert auf.

Die anfängliche Erwärmung, welche durch die Milanković-Zyklen ausgelöst wurde, ist in den höchsten Breitengraden sichtbar und begann ungefähr vor 19.000 Jahren. Durch die arktischen Erwärmungen schmolzen große Mengen an Eis, wodurch ein großes Volumen an Süßwasser in die Meere gelang. Dieser Zufluss von Süßwasser störte die sogenannte „Atlantic meridional overturning circulation“ (AMOC), was wiederum zu einem Schwanken der Wärme zwischen nördlicher und südlicher Hemisphäre führte. Die AMOC ist ein zonar eingebundener Bestandteil der Oberflächen- und Tiefenströme im Atlantischen Ozean. Es ist durch einen nordwärts gerichteten Oberflächenstrom von warmem, salzhaltigem Wasser und einem Richtung Süden fließenden, kalten Tiefenstrom gekennzeichnet. Beide Strömungen sind Teil der Thermohalinen Zirkulation. Diese Hypothese der Bipolaren Wippe beschreibt, zusammen mit den Dansgaard-Oeschger Klimazyklen und Heinrich-Ereignissen, die Gegenphasen der grönländischen und antarktischen Temperaturveränderung während der letzten Eiszeit. Plötzliche Veränderungen in der Thermohalinen Zirkulation beeinflussen das Klima an beiden Polen durch einen veränderten Süd-Nord Wärmetransport. Mit einem Süßwasserzufluss im Nordatlantik wird die thermohaline Zirkulation (AMOC) gestoppt, wodurch sich die nördliche Hemisphäre abkühlt, während sich die südliche Hemisphäre und die Tropen aufheizen, wie vor 18.000 Jahren. Sobald sich die Tiefenströmung wieder in Bewegung setzt, wird der meridionale Wärmetransport fortgesetzt und die nördliche Halbkugel erwärmt sich, während die Südhalbkugel abkühlt.

Durch die Erwärmung der südlichen Meere vor 18.000 Jahren, wurde die Löslichkeit von CO₂ in Wasser reduziert. Infolgedessen stieg die atmosphärische CO₂-Konzentration vor 17.500 Jahren, was aufgrund des Treibhauseffektes für eine globale Erderwärmung sorgte. Die Verzögerung von 500 Jahren ist die Erklärung für die verzögerte CO₂-Erhöhung in den Eisbohrkernen. Mit einer zunehmenden CO₂-Konzentration, die durch die wärmer werdenden Ozeane herbeigeführt wird, verstärkt sich auch der Treibhauseffekt. Daher ist CO₂ der Treiber hinter weiteren Temperaturveränderungen.

Quellen

https://skepticalscience.com/co2-lags-temperature.htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Atlantic_meridional_overturning_circulation

https://www.geomar.de/en/research/fb1/fb1-p-oz/research-topics/low-to-high-latitude-climate-linkages/bipolar-seesaw/

Knutti, R., Flückiger, J., Stocker, T.F. and Timmermann, A., 2004. Strong hemispheric coupling of glacial climate through freshwater discharge and ocean circulation. Nature, 430, 851-856. 

 Shakun, Jeremy D.; Clark, Peter U.; He, Feng; Marcott, Shaun A.; Mix, Alan C.; Liu, Zhengyu et al. (2012): Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation. In Nature 484 (7392), pp. 49–54. DOI: 10.1038/nature10915.

Muryshev, K. E.; Eliseev, A. V.; Denisov, S. N.; Mokhov, I. I.; Arzhanov, M. M.; Timazhev, A. V. (2019): Time lag between changes in global temperature and atmospheric CO2 content under anthropogenic emissions of CO2 and CH4 into the atmosphere. In IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 231, p. 12039. DOI: 10.1088/1755-1315/231/1/012039.

Pedro, Joel B.; Jochum, Markus; Buizert, Christo; He, Feng; Barker, Stephen; Rasmussen, Sune O. (2018): Beyond the bipolar seesaw: Toward a process understanding of interhemispheric coupling. In Quaternary Science Reviews 192, pp. 27–46. DOI: 10.1016/j.quascirev.2018.05.005.

 

Die Zukunft der Kontinente aus geologischer Sicht

Entwicklung der Kontinente 

So werden die Kontinente der Erde in 250 Millionen Jahren aussehen

Wenn der nächste Superkontinent, Pangaea Ultima, entsteht, wird nur ein Bruchteil der Planetenoberfläche für Säugetiere bewohnbar sein.

     Jonathan O'Callaghan

 

 Illustration der Geographie der zukünftigen Erde in 250 Millionen Jahren.

Es wird erwartet, dass sich Pangaea Ultima in etwa 250 Millionen Jahren bildet, wenn eine Landmasse aus Europa, Asien und Afrika mit Amerika verschmilzt. 

Quelle: Alex Farnsworth und Chirs Scotese

Bis zu 92 % der Erde könnten in 250 Millionen Jahren für Säugetiere unbewohnbar sein, prognostizieren Forscher. Es wird erwartet, dass die Landmassen des Planeten einen Superkontinent bilden, der den Vulkanismus vorantreibt und zu einem Anstieg des Kohlendioxidgehalts führt, der den größten Teil seines Landes unfruchtbar machen wird.

„Es sieht so aus, als ob das Leben in Zukunft etwas schwerer wird“, sagt Hannah Davies, Geologin am Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam. „Es ist ein bisschen deprimierend.“

Derzeit geht man davon aus, dass sich die Erde mitten in einem Superkontinent-Zyklus 1 befindet, da ihre heutigen Kontinente driften. Der letzte Superkontinent, Pangäa, brach vor etwa 200 Millionen Jahren auseinander. Die nächste, Pangaea Ultima genannte, wird voraussichtlich in etwa 250 Millionen Jahren am Äquator entstehen, wenn der Atlantische Ozean schrumpft und ein verschmolzener afro-eurasischer Kontinent auf den amerikanischen Kontinent stößt.

WÜSTE SUPERKONTINENT. Grafik zeigt extreme Temperaturen in 250 Millionen Jahren auf Pangaea Ultima.

Quelle: Ref. 2

Bei der Modellierung des Klimas des neuen Superkontinents, der am 25. September in Nature Geoscience (2) beschrieben wurde, stellten Alexander Farnsworth von der Universität Bristol (Großbritannien) und seine Kollegen fest, dass in weiten Teilen des Kontinents von Pangaea Ultima Temperaturen von mehr als 40 °C herrschen werden, was ihn für die meisten Säugetiere unbewohnbar macht. Wenn die Kontinente miteinander verschmelzen und dann zusammen driften, werden sie vulkanische Aktivitäten auslösen, die laut Farnsworth „riesige Mengen CO2 in die Atmosphäre ausstoßen“ und den Planeten aufheizen.

Regionen in der Mitte des Superkontinents, weit entfernt von den Ozeanen, würden sich in unbewohnbare Wüsten verwandeln, „außer für sehr spezialisierte Säugetiere“, sagt Farnsworth. Der Mangel an Feuchtigkeit würde auch die Menge an Kieselsäure verringern, die in die Ozeane gespült wird, wodurch der Atmosphäre normalerweise CO2 entzogen wird.

Eine erhöhte Sonneneinstrahlung wird zu einer weiteren Erwärmung führen. Es wird vorhergesagt, dass die Sonne zum Zeitpunkt der Entstehung von Pangaea Ultima um 2,5 % heller sein wird, was darauf zurückzuführen ist, dass der Stern mehr von seinem Wasserstoffbrennstoff verbrannt und seinen Kern geschrumpft hat, was seine Kernfusionsrate erhöht hat.

Im schlimmsten Fall, in dem der CO2-Gehalt 1.120 Teile pro Million erreicht, also mehr als das Doppelte der aktuellen Werte, wären nur 8 % der Erdoberfläche – Küsten- und Polarregionen – für die meisten Säugetiere bewohnbar, verglichen mit etwa 66 % heute .

Dies würde zu einem Massensterben führen, sagt Farnsworth. „Es würde nicht nur für Säugetiere gelten. Es könnte auch für Pflanzen und andere Arten von Leben gelten. Was dabei herauskommt, ist jedermanns Sache. Bei anderen Massenaussterben dominiert tendenziell eine neue Art.“

Durch menschliche Aktivitäten verursachte Kohlenstoffemissionen wurden von den Forschern nicht berücksichtigt, sondern konzentrierten sich auf langfristige Klimamodellierungen.

Überlebenshoffnungen

Davies, die zuvor die Entstehung von Pangaea Ultima (3) untersucht hat, sagt, dass es möglich ist, dass einige Säugetiere die Umweltveränderungen überleben könnten. „Ob sie alle aussterben oder nicht, ist nur ein Ergebnis, aber es ist nicht das [einzige] Ergebnis“, sagt sie. Es ist auch nicht sicher, wo Pangaea Ultima entstehen wird. Die Modellierung von Farnsworth geht davon aus, dass es in den warmen Tropen verschmelzen wird, aber andere Szenarien deuten darauf hin, dass es sich auf dem Nordpol bilden könnte, was zu kühleren Bedingungen führen könnte, in denen das Leben besser gedeihen könnte.

Es gibt Hinweise darauf, dass Pangäa und andere frühere Superkontinente große innere Wüsten hatten, sagt Davies, was die Fläche bewohnbaren Landes verringerte und zum Aussterben führte. „Ähnliche Dinge passieren beim Aussterben am Ende der Trias“ vor etwa 200 Millionen Jahren, sagt sie.

Wenn es in 250 Millionen Jahren noch Menschen gibt, mutmaßt Farnsworth, dass sie möglicherweise Wege gefunden haben, sich anzupassen, wobei die Erde dem Science-Fiction-Roman „Dune“ aus dem Jahr 1965 ähnelt. „Werden Menschen immer Spezialist für Wüstenumgebungen, werden sie nachtaktiver oder halten sie sich in Höhlen auf?“ er fragt. „Ich würde vermuten, dass es vorzuziehen wäre, wenn wir diesen Planeten verlassen und einen bewohnbareren Ort finden könnten.“

Es kann jedoch sein, dass es nicht nur Untergang und Finsternis ist. „In der Vergangenheit gab es Aussterben, und es wird auch in Zukunft Aussterben geben“, sagt Davies. „Ich denke, das Leben wird es schaffen. Es ist einfach eine düstere Zeit.“

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-03005-6
Verweise 

(1)    Mitchell, R. N. et al. Nature Rev. Earth Environ. 2, 358–374 (2021).

(2)    Farnsworth, A. et al. Naturgeowissenschaften https://doi.org/10.1038/s41561-023-01259-3 (2023).

 (3)   Davies, H. S., Mattias Green, J. A. & Duarte, J. C. Glob. Planet. Change. 169, 133–144 (2018).

 

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CMIP6: Not-so-sudden stratospheric cooling - eine nicht so plötzliche stratosphärische Abkühlung

Muss noch übersetzt werden ins Deutsche ...

21 May 2023 by Gavin 2 Comments 

As predicted in 1967 by Manabe and Wetherald, the stratosphere has been cooling.

A new paper by Ben Santer and colleagues has appeared in PNAS where they extend their previous work on the detection and attribution of anthropogenic climate change to include the upper stratosphere, using observations from the Stratospheric Sounding Units (SSUs) (and their successors, the AMSU instruments) that have flown since 1979.

So SSU me

Like MSU trends, these records reflected a weighted average of atmospheric temperatures, and the three SSU channels progressively weight higher levels in the stratosphere, roughly centered on 30km, 40km and 45km above the surface but with quite a bit of overlap. Until relatively recently, there were some discrepancies in what the climate trends were from these instruments because of the usual issues with remote sensing – instrument trends, orbital shifts, inter-satellite calibration etc. Thompson et al. (2012) described the issues as ‘mysterious’, but efforts to better correct the record for non-climatic effects soon bore fruit, and the ‘mystery’ became history (Maycock et al., 2018). We are using the NOAA-STAR version 3.0 of these products (Zou et al., 2014).

Since then, these records have been used to assess the solar contributions to stratospheric temperatures and as a standard part of the GISS Model evaluation (most recently in Casas et al., 2023) and also in the “Climate Drivers” animation. The Santer et al contribution is the first time I’ve seen these diagnostics calculated for the CMIP6 models (or at least a subset of them), and so this is a great opportunity to add the SSU trends to our catalogue of model-observation comparisons that can be maintained going forward.

A couple of things to note before we get to that analysis though. First, the internal variability of the global mean values of these records is much smaller than for the tropospheric MSU trends, and that means that the (forced) signal to noise is much higher. The dominant factors are changes in CO2 (a cooling), ozone depletion (a cooling), warming from big volcanoes, and oscillations related to the solar cycle.

But why is the stratosphere increasingly chill?

For some reason, this has been poorly communicated among otherwise knowledgeable folk, and our early efforts to explain this were not very good (this featured in the only RealClimate post we ever basically retracted – though you can find it if you care to look!). Part of the confusion related to the role of the ozone layer in the lower stratosphere, but it turns out that is just a distraction, since the cooling due to increasing CO2 is seen everywhere above the tropopause – not just in regions with lots of ozone.

The basic concept is easy to grasp though. Concentrations of CO2 are increasing throughout the atmosphere and while we might think of greenhouse gases as absorbers of infra-red radiation from the surface, they are also emitters of IR radiation, so whether they warm or cool a region of the atmosphere is due to whether the net change (increased absorption vs increased emission) is positive or negative. The upper atmosphere is different from the troposphere in that pressure is much less, and it’s very dry. That means the greenhouse substances are basically just CO2 and ozone, and they absorb in quite different parts of the spectrum. In the band of radiation where CO2 absorbs a lot (~15 $\mu$m), increasing CO2 levels in the troposphere make it ever harder for those photons to get to the stratosphere or above. The upward IR comes increasingly from the water vapour or cloud bands, which because the upper atmosphere is so dry, does not get absorbed significantly on it’s way out.

Looking down from above, our extra stratospheric CO2 molecules then see less radiation to absorb coming up, but they are totally happy emitting more – half of which goes up into space. So the net effect is less absorption and more emittence, and thus they give a cooling. The effect is larger the further up you go.

How well do the models do?

As in previous comparisons, I’ll plot the envelope of the CMIP6 ensemble, in this case there are 32 individual runs from 9 distinct models. Unlike in the MSU or SST comparisons, there is no significant variation in the trends as a function of climate sensitivity, and so there is no need to plot the screened models separately. [This might be surprising, but remember that the variation in climate sensitivity is dominated by cloud feedbacks which are not very important in the stratosphere].

CMIP6 model spread and mean compared to the NOAA-STAR observations for three SSU channels (using the historical simulations continued by SSP5-85 after 2014). The anomalies have been offset by 1.5 for SSU-2 and SSU-3 for clarity.

The two big warming events in the earlier part of the record are the impacts of the El Chichon and Mt Pinatubo eruptions (and you’ll note quite a wide spread in magnitude of the latter event) and if you squint, you can see the solar cycle (maxima around 1981, 1991, 2002, 2014). The trends are dominated by the CO2 changes (more so as you move higher), but there is also a component from ozone depletion. As mentioned above, the internal variability and structural uncertainty in the model ensemble is smaller than in the troposphere, and so mismatches between the models and the observations are likely due to small issues in the forcings (particularly ozone, but perhaps also small volcanoes). It’s possible that the quality of the stratospheric circulation and it’s sensitivity to warming may be important. However, the discrepancies in the trends are small.

Histogram of CMIP6 model trends for SSU-1, SSU-2 and SSU-3 (counting one per ensemble member). In all cases the observed trends are consistent with the spread of the model ensemble.

References

1. B.D. Santer, S. Po-Chedley, L. Zhao, C. Zou, Q. Fu, S. Solomon, D.W.J. Thompson, C. Mears, and K.E. Taylor, "Exceptional stratospheric contribution to human fingerprints on atmospheric temperature", Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 120, 2023. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2300758120
2. D.W.J. Thompson, D.J. Seidel, W.J. Randel, C. Zou, A.H. Butler, C. Mears, A. Osso, C. Long, and R. Lin, "The mystery of recent stratospheric temperature trends", Nature, vol. 491, pp. 692-697, 2012. http://dx.doi.org/10.1038/nature11579
3. A.C. Maycock, W.J. Randel, A.K. Steiner, A.Y. Karpechko, J. Christy, R. Saunders, D.W.J. Thompson, C. Zou, A. Chrysanthou, N. Luke Abraham, H. Akiyoshi, A.T. Archibald, N. Butchart, M. Chipperfield, M. Dameris, M. Deushi, S. Dhomse, G. Di Genova, P. Jöckel, D.E. Kinnison, O. Kirner, F. Ladstädter, M. Michou, O. Morgenstern, F. O'Connor, L. Oman, G. Pitari, D.A. Plummer, L.E. Revell, E. Rozanov, A. Stenke, D. Visioni, Y. Yamashita, and G. Zeng, "Revisiting the Mystery of Recent Stratospheric Temperature Trends", Geophysical Research Letters, vol. 45, pp. 9919-9933, 2018. http://dx.doi.org/10.1029/2018gl078035
4. C. Zou, H. Qian, W. Wang, L. Wang, and C. Long, "Recalibration and merging of SSU observations for stratospheric temperature trend studies", Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 119, pp. 13,180-13,205, 2014. http://dx.doi.org/10.1002/2014JD021603
5. M.C. Casas, G.A. Schmidt, R.L. Miller, C. Orbe, K. Tsigaridis, L.S. Nazarenko, S.E. Bauer, and D.T. Shindell, "Understanding Model‐Observation Discrepancies in Satellite Retrievals of Atmospheric Temperature Using GISS ModelE", Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 128, 2022. http://dx.doi.org/10.1029/2022JD037523

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About Gavin

 

Deutsche Übersetzung mit Hilfe von Google-Translate:

21. Mai 2023 von Gavin und 2 Kommentare

Wie 1967 von Manabe und Wetherald vorhergesagt, kühlt sich die Stratosphäre ab.

In PNAS ist ein neues Papier von Ben Santer und Kollegen erschienen, in dem sie ihre bisherige Arbeit zur Erkennung und Zuordnung des anthropogenen Klimawandels auf die obere Stratosphäre ausweiten und dabei Beobachtungen der Stratospheric Sounding Units (SSUs) (und ihrer Nachfolger, der AMSU) nutzen, Instrumente, die seit 1979 in Satelliten aktiv sind.

Also "SSU mich"

Wie die MSU-Trends spiegelten diese Aufzeichnungen einen gewichteten Durchschnitt der atmosphärischen Temperaturen wider, und die drei SSU-Kanäle gewichteten nach und nach höhere Werte in der Stratosphäre, bei ungefähr 30 km, 40 km und 45 km über der Oberfläche, jedoch mit erheblichen Überlappungen. Bis vor relativ kurzer Zeit gab es einige Diskrepanzen bei den Klimatrends dieser Instrumente aufgrund der üblichen Probleme bei der Fernerkundung – Instrumententrends, Orbitalverschiebungen, Intersatelliten-kalibrierung usw. Thompson et al. (2012) beschrieb die Probleme als „mysteriös“, aber Bemühungen, die Aufzeichnungen hinsichtlich nicht-klimatischer Auswirkungen besser zu korrigieren, trugen bald Früchte, und das „Rätsel“ wurde Geschichte (Maycock et al., 2018). Wir verwenden die NOAA-STAR-Version 3.0 dieser Produkte (Zou et al., 2014).

Seitdem werden diese Aufzeichnungen zur Bewertung der solaren Beiträge zu den Temperaturen in der Stratosphäre und als Standardbestandteil der GISS-Modellbewertung (zuletzt in Casas et al., 2023) sowie in der Animation „Klimatreiber“ verwendet. Der Beitrag von Santer et al. ist das erste Mal, dass ich diese Diagnosen für die CMIP6-Modelle (oder zumindest eine Teilmenge davon) berechnet sehe, und daher ist dies eine großartige Gelegenheit, die SSU-Trends in unseren Katalog von Modellbeobachtungsvergleichen aufzunehmen das kann auch in Zukunft beibehalten werden.

Bevor wir zu dieser Analyse kommen, sollten wir jedoch ein paar Dinge beachten: Erstens ist die interne Variabilität der globalen Mittelwerte dieser Aufzeichnungen viel kleiner als bei den troposphärischen MSU-Trends, und das bedeutet, dass das (erzwungene) Signal-Rausch-Verhältnis viel höher ist. Die dominierenden Faktoren sind Veränderungen des CO2 (Abkühlung), Ozonabbau (Abkühlung), Erwärmung durch große Vulkane und Schwankungen im Zusammenhang mit dem Sonnenzyklus.

Aber warum wird es in der Stratosphäre immer kälter?

Aus irgendeinem Grund wurde dies unter ansonsten sachkundigen Leuten schlecht kommuniziert, und unsere frühen Versuche, dies zu erklären, waren nicht sehr gut (dies wurde im einzigen RealClimate-Beitrag erwähnt, den wir jemals grundsätzlich zurückgezogen haben – Sie können ihn jedoch finden, wenn Sie nachsehen möchten!) . Ein Teil der Verwirrung bezog sich auf die Rolle der Ozonschicht in der unteren Stratosphäre, aber es stellt sich heraus, dass dies nur eine Ablenkung ist, da die Abkühlung aufgrund des zunehmenden CO2 überall oberhalb der Tropopause zu beobachten ist – nicht nur in Regionen mit viel Ozon.

Das Grundkonzept ist jedoch leicht zu verstehen. Die CO2-Konzentrationen nehmen in der gesamten Atmosphäre zu, und obwohl wir Treibhausgase vielleicht als Absorber der Infrarotstrahlung von der Oberfläche betrachten, sind sie auch Emitter von IR-Strahlung. Ob sie also einen Bereich der Atmosphäre erwärmen oder abkühlen, hängt davon ab, ob Die Nettoveränderung (erhöhte Absorption gegenüber erhöhter Emission) positiv oder negativ ist. Die obere Atmosphäre unterscheidet sich von der Troposphäre dadurch, dass der Druck viel geringer ist und sie sehr trocken ist. Das bedeutet, dass es sich bei den Treibhausstoffen im Grunde nur um CO2 und Ozon handelt und sie in ganz unterschiedlichen Bereichen des Spektrums absorbieren. In dem Strahlungsband, in dem CO2 viel absorbiert (~15 $\mu$m), machen es steigende CO2-Werte in der Troposphäre für diese Photonen immer schwieriger, in die Stratosphäre oder darüber zu gelangen. Die nach oben gerichtete IR kommt zunehmend von Wasserdampf oder Wolkenbändern, die auf ihrem Weg nach draußen aufgrund der Trockenheit der oberen Atmosphäre nicht wesentlich absorbiert werden.

Wenn wir von oben nach unten schauen, sehen unsere extra stratosphärischen CO2-Moleküle dann weniger Strahlung, die sie absorbieren müssen, aber sie geben völlig gerne mehr ab – die Hälfte davon geht in den Weltraum. Der Nettoeffekt ist also eine geringere Absorption und mehr Emission, was zu einer Kühlung führt. Der Effekt ist umso größer, je weiter man nach oben geht.

Wie gut schneiden die Modelle ab?

Wie in früheren Vergleichen werde ich die Hüllkurve des CMIP6-Ensembles grafisch darstellen, in diesem Fall gibt es 32 einzelne Läufe von 9 verschiedenen Modellen. Anders als bei den MSU- oder SST-Vergleichen gibt es keine signifikanten Schwankungen in den Trends als Funktion der Klimasensitivität und es besteht daher keine Notwendigkeit, die überprüften Modelle separat darzustellen. [Das mag überraschend sein, aber denken Sie daran, dass die Variation der Klimasensitivität durch Wolkenrückkopplungen dominiert wird, die in der Stratosphäre nicht sehr wichtig sind].

Zeitreihen von drei SSU-Kanälen zur besseren Übersichtlichkeit versetzt. Die Abbildung zeigt drei Linien, wobei sich die Modellverteilung von 1979 bis 2022 weitgehend überschneidet und starke negative Trends aufweist. 

Streuung und Mittelwert des CMIP6-Modells im Vergleich zu den NOAA-STAR-Beobachtungen für drei SSU-Kanäle (unter Verwendung der historischen Simulationen, die von SSP5-85 nach 2014 fortgesetzt wurden). Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die Anomalien für SSU-2 und SSU-3 um 1,5 ausgeglichen.

Die beiden großen Erwärmungsereignisse im früheren Teil der Aufzeichnung sind die Auswirkungen der Ausbrüche von El Chichon und Mt. Pinatubo (und Sie werden feststellen, dass das Ausmaß des letzteren Ereignisses recht groß ist), und wenn Sie die Augen zusammenkneifen, können Sie die Sonnezyklen erkennen (Höchstwerte um 1981, 1991, 2002, 2014). Die Trends werden von den CO2-Veränderungen dominiert (mehr, je höher man steigt), aber es gibt auch eine Komponente durch den Ozonabbau. Wie oben erwähnt, sind die interne Variabilität und die strukturelle Unsicherheit im Modellensemble geringer als in der Troposphäre, sodass Abweichungen zwischen den Modellen und den Beobachtungen wahrscheinlich auf kleine Probleme bei den Antrieben (insbesondere Ozon, aber möglicherweise auch kleine Vulkane) zurückzuführen sind. Es ist möglich, dass die Qualität der stratosphärischen Zirkulation und ihre Empfindlichkeit gegenüber Erwärmung wichtig sind. Allerdings sind die Abweichungen in den Trends gering.
Drei leicht überlappende Histogramme für jeden Kanal zusammen mit dem beobachteten Trend und der OLS-Unsicherheit der NOAA-STAR-Beobachtungsprodukte.

 

Histogram of CMIP6 model trends for SSU-1, SSU-2 and SSU-3 (counting one per ensemble member). In all cases the observed trends are consistent with the spread of the model ensemble.  

Referenzen

1. B.D. Santer, S. Po-Chedley, L. Zhao, C. Zou, Q. Fu, S. Solomon, D.W.J. Thompson, C. Mears, and K.E. Taylor, "Exceptional stratospheric contribution to human fingerprints on atmospheric temperature", Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 120, 2023. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2300758120
2. D.W.J. Thompson, D.J. Seidel, W.J. Randel, C. Zou, A.H. Butler, C. Mears, A. Osso, C. Long, and R. Lin, "The mystery of recent stratospheric temperature trends", Nature, vol. 491, pp. 692-697, 2012. http://dx.doi.org/10.1038/nature11579
3. A.C. Maycock, W.J. Randel, A.K. Steiner, A.Y. Karpechko, J. Christy, R. Saunders, D.W.J. Thompson, C. Zou, A. Chrysanthou, N. Luke Abraham, H. Akiyoshi, A.T. Archibald, N. Butchart, M. Chipperfield, M. Dameris, M. Deushi, S. Dhomse, G. Di Genova, P. Jöckel, D.E. Kinnison, O. Kirner, F. Ladstädter, M. Michou, O. Morgenstern, F. O'Connor, L. Oman, G. Pitari, D.A. Plummer, L.E. Revell, E. Rozanov, A. Stenke, D. Visioni, Y. Yamashita, and G. Zeng, "Revisiting the Mystery of Recent Stratospheric Temperature Trends", Geophysical Research Letters, vol. 45, pp. 9919-9933, 2018. http://dx.doi.org/10.1029/2018gl078035
4. C. Zou, H. Qian, W. Wang, L. Wang, and C. Long, "Recalibration and merging of SSU observations for stratospheric temperature trend studies", Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 119, pp. 13,180-13,205, 2014. http://dx.doi.org/10.1002/2014JD021603
5. M.C. Casas, G.A. Schmidt, R.L. Miller, C. Orbe, K. Tsigaridis, L.S. Nazarenko, S.E. Bauer, and D.T. Shindell, "Understanding Model‐Observation Discrepancies in Satellite Retrievals of Atmospheric Temperature Using GISS ModelE", Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 128, 2022. http://dx.doi.org/10.1029/2022JD037523

 

Gespeichert unter: Climate modelling, Climate Science, Featured Story, Greenhouse gases, Instrumental Record, Sun-earth connections

 2 Antworten zu „CMIP6: Nicht ganz so plötzliche Abkühlung der Stratosphäre“

     Nigelj sagt

     21. Mai 2023 um 19:04 Uhr

     Das Google-Konto meines Telefons hat mich vor ein paar Tagen darüber informiert: „Die obere Atmosphäre kühlt ab, was zu neuen Klimaproblemen führt.“ Eine neue Studie, die bekräftigt, dass der globale Klimawandel vom Menschen verursacht wird, ergab außerdem, dass sich die obere Atmosphäre aufgrund des steigenden CO2-Gehalts dramatisch abkühlt. Wissenschaftler sind besorgt über die Auswirkungen, die diese Abkühlung auf umlaufende Satelliten, die Ozonschicht und das Erdwetter haben könnte.“ (Yale-Klimaverbindungen)

     https://e360.yale.edu/features/climate-change-upper-atmosphere-cooling#:~:text=A%20new%20study%20reaffirming%20that,ozone%20layer%2C%20and%20Earth's%20weather.

     [Antwort: Ich weiß nicht, warum dies neue Klimabedenken hervorrufen würde? Wie ich bereits sagte, wurde dies vor mehr als 50 Jahren vorhergesagt und bereits viele Male bestätigt. Die Auswirkung auf Raumfahrzeuge in niedrigen Erdumlaufbahnen besteht darin, dass die Dichte abnimmt und somit die Reibung geringer ist, sodass davon ausgegangen werden kann, dass Satelliten länger im Orbit bleiben. – Gavin]
     Antwort

         Nick Palmer sagt

         21. Mai 2023 um 23:39 Uhr

         Der Artikel von Fred Pearce verwendet einen alten rhetorischen Trick, indem er Dinge wie „Wissenschaftler sind besorgt …“ sagt, was viele vielleicht denken, dass ALLE Wissenschaftler besorgt sind. Ben Santer selbst wird zitiert, er sei „besorgt“ über seine Ergebnisse, aber der Artikel impliziert, dass Santer aufgrund dieser Ergebnisse neue Sorgen hat, die er vorher nicht hatte. Wie Gavin sagt, wird vorhergesagt, dass diese stratosphärischen Effekte 50 Jahre lang auftreten werden

         Ich denke, der Ton von Pearces Artikel ist zumindest irreführend und grenzt an Alarmismus – oder zumindest wird er von der leugnenden Fraktion so dargestellt, aber andererseits wird er von alarmistischen Aktivisten eifrig verbreitet
         Antwort

Grüner Wasserstoff aus der Luft, selbt in Wüstengebieten ...

aus Nature https://www.nature.com/articles/s41467-022-32652-y#Sec1

Wasserstoffproduktion aus der Luft (Hydrogen production from the air)

Die Autoren sind:

• Jining Guo,
• Yuecheng Zhang,
• Ali Zavabeti,
• Kaifei Chen,
• Yalou Guo,
• Guoping Hu,
• Xiaolei Fan &
• Gang Kevin Li
  

 Zusammenfassung (Abstract)

Grüner Wasserstoff, der durch Wasserspalten unter Verwendung erneuerbarer Energien erzeugt wird, ist der vielversprechendste Energieträger der kohlenstoffarmen Wirtschaft. Das geografische Missverhältnis zwischen den Verteilung erneuerbarer Energien und der Verfügbarkeit von Süßwasser ist jedoch eine erhebliche Herausforderung für die Produktion. Hier zeigen wir eine Methode zur direkten Wasserstoffproduktion aus der Luft, nämlich in situ erfasstes Süßwasser aus der Atmosphäre unter Verwendung hygroskopischer Elektrolyte und Elektrolyse, die durch Solar oder Wind mit einer Stromdichte bis zu 574 mA / cm²  angetrieben werden. Ein solcher Prototyp wurde für 12 aufeinander folgende Tage mit einer stabilen Leistung bei einer Faraday-Effizienz von rund 95% festgelegt und betrieben. Dieses sogenannte DAE-Modul (Direct Air Electrolysis - Direktluftelektrolyse) kann unter einer knochentrockenen Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von minimal 4% funktionieren, die Probleme mit der Wasserversorgung überwinden und nachhaltig umweltfreundliche Auswirkungen auf die Umwelt erzeugen. Die DAE-Module können leicht skaliert werden, um Wasserstoff für die Fernbedienung, in semiariden und verteilten Bereichen bereitzustellen. 

 

Im folgenden wird aus diesem Artikel auszugsweise zitiert.

Abb. 1: Atlas der Überlagerung des Wasserrisikos und der erneuerbaren Energien.

a Wasserrisiko und Sonnenenergiepotential; b Wasserrisiko und Windenergiepotential (ohne Küstengebiete). Separate Karten sind in der ergänzenden Abb. 1–3 erhältlich. Quelle: World Resources Institute (WRI) Aqueduct42, abgerufen unter [04.2021], aqueduct.wri.org; World Bank Group43, abgerufen unter [04.2021], https://globalsolaratlas.info; Technische Universität Dänemark44, Zugriff unter [04.2021], https: //globalwindatlas.info - Creative Commons Attribution International 4.0 Lizenz.

 

 [---]

In dieser Studie bestätigen wir, dass Feuchtigkeit in der Luft direkt zur Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse verwendet werden kann Die Luftfeuchtigkeit befindet sich in einem dynamischen Gleichgewicht mit der Aqua-Sphäre. Zum Beispiel liegt auch in der Sahelwüste die durchschnittliche relative Luftfeuchtigkeit (R.H.) bei etwa 20%, und die durchschnittliche Tagesluftfeuchtigkeit in der Uluru (Ayers Rock) in der zentralen Wüste Australiens beträgt 21%. In Anbetracht von fließfähigen Materialien wie Kaliumhydroxid, Schwefelsäure und Propylenglycol können wir hier ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff mit hoher Reinheit vorstellen durch Elektrolysierung der in situ-hygroskopischer Elektrolyte, die der Luft ausgesetzt sind, und Wasserdampf absorbieren.

Der Elektrolysator arbeitet stetig in einem weiten Bereich der Luftfeuchte, der bis zu 4% liegen kann, und erzeugt während mehr als 12 aufeinander folgenden Tagen mit einer Faraday-Effizienz von rund 95%, ohne dass flüssiges Wasser hinzugefügt werden muss. Es wurde ein solarbetriebener Prototyp mit fünf parallelen Elektrolysatoren entwickelt, um im Freien zu arbeiten, wodurch eine durchschnittliche Wasserstofferzeugungsrate von 745 l H2 /Tag*m² an der Kathode erreicht wird. Auch wurde für die H2-Produktion ein windgetriebener Prototyp demonstriert. Diese Arbeit eröffnet einen nachhaltigen Weg zur Herstellung von grünem Wasserstoff, ohne flüssiges Wasser zu verbrauchen.

 [---]

 Der Aufbau des Elektrolyseurs ist in folgendem Bild erkennbar:

 

Abb. 2.: a Eine schematische Darstellung des DAE-Moduls mit einer Wassergewinnungseinheit aus porösem Medium, das mit der hygroskopischen ionischen Lösung getränkt ist. b Eine schematische Darstellung des Querschnitts des DAE-Moduls, die zeigt, dass die Elektroden von der Luftzufuhr isoliert sind und das absorbierte Wasser durch Kapillaren des Schwamms zur Elektrode transportiert wird. c Wasseraufnahme im Gleichgewicht von hygroskopischen Lösungen bei unterschiedlicher Luftfeuchte. d I-V-Kurven für DAE-Module mit Pt- oder Ni-Elektroden, die sandwichartig mit KOH-Elektrolyt (im Gleichgewicht mit 15 % und 60 % relativer Luftfeuchtigkeit bei 20 °C) in einem Melaminschwamm getränkt sind. e Wirkung von Schwammmaterialien auf die I-V-Leistung von DAE-Modulen unter Verwendung von H2SO4-Elektrolyt im Gleichgewicht mit 30 % relativer Luftfeuchtigkeit bei 25 °C. Der Einschub zeigt das optische Mikrobild für den Glasschaum. Quelldaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt. 

[...]

Design des "Direct Air Electrolysis" (DAE)-Moduls zur Wasserstofferzeugung

Die Wasserstofferzeugung aus der Luft wurde durch unser DAE-Modul realisiert. Wie in der Sandwichstruktur in Abb. 2a, b gezeigt, besteht dieses Modul aus einer Wassersammeleinheit in der Mitte und Elektroden auf beiden Seiten, gepaart mit Gaskollektoren. Das Modul ist mit einer Energieversorgung integriert, beispielsweise einem Solarpaneel, einer Windkraftanlage oder anderen erneuerbaren Generatoren. Wichtig ist, dass die Wassergewinnungseinheit auch als Reservoir für den Elektrolyten dient. Poröses Medium wie Melaminschwamm, gesinterter Glasschaum wird mit zerfließender ionischer Substanz getränkt, um Feuchtigkeit aus der Luft über die freiliegenden Oberflächen zu absorbieren. Das eingefangene Wasser in der flüssigen Phase wird durch Diffusion auf die Oberflächen der Elektroden übertragen und anschließend vor Ort in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, die getrennt als reines Gas gesammelt werden, da beide Elektroden von Luft isoliert sind (ergänzende Abb. 4–6). . Das Reservoir zwischen der Endplatte und dem porösen Schaum (ergänzende Abb. 5b) wirkt als Luftbarriere und als Puffer für das Volumen der ionischen Lösung bei übermäßigen Schwankungen der Luftfeuchtigkeit. Dieses Reservoir verhindert das Überlaufen des Elektrolyseurs aus dem DAE-Modul oder das Austrocknen des benetzten Schaums. Wenn Glasschaum als poröses Medium gewählt wird, wird Quarzwolle dicht zwischen den Schaum und die Elektroden gepackt, um die Konnektivität der wässrigen Phase sicherzustellen (ergänzende Abb. 7). Die porösen Medien sorgen auch für die freie Bewegung des Elektrolyten in den Kapillaren des Schaums (Ergänzende Abb. 8, Ergänzender Film 1). Der mit ionischen Lösungen gefüllte Schaum bildet eine physikalische Barriere, die Wasserstoff, Sauerstoff und Luft effektiv von jeglicher Vermischung isoliert.

[...]

Lanz und die Runde, Klimathema ab ca. 47'

 https://www.zdf.de/gesellschaft/markus-lanz/markus-lanz-vom-17-august-2022-100.html

Ab ca. 47 Minuten kommt Harald Lesch dran ...  Sehr interessant und hörenswert - Alle Dächer mit PV bestücken, wir brauchen ca. 5000 km² PV-Fläche, die Häuser könnten ca. 1500 km² beisteuern. 

Es gibt aber noch einige Probleme:

* die Module (PV-Module) fehlen
* Es fehlen sogar zeitweilig die alu-basierten Haken für die Montage der Module
* Altbauten könnten rein statische Probleme bieten

Aber es gibt aber auch Positives zu berichten:

* Im Agrarbereich könnten PV-Module ca. 4 m hoch gebaut werden, so dass Traktoren einfach Platz darunter finden, um ihrer Arbeit tun zu können. Es scheint sogar so zu sein, dass in trockenen Zeiten die Flächen unter diesen Modulen fruchtbarer sind als sonstwo.

* Ein weiteres Projekt könnten Gründungen von Energiegenossenschaften sein, die z.B. von den Kommunen gegründet werden und nur Dachflächen benötigen, private und öffentliche ... 

Also: hier werden sehr interessante Ideen ausgebreitet ...

Blog 2022-01-15 - Thoughts on climate change - is mankind guilty?

(light mod. 2022-01-26).


It's about guilt, maybe responsibility, definitely guilt.

It's about climate change. A climate change largely caused by humans. The "human cause" can be proven very clearly ...

But that's not the point at the moment. Whoever is to blame, we - the people, and only we the people - must reverse climate change. One possibility might be renunciation. Not driving, not eating meat, and much more. But it doesn't look as if people's hunger for energy will be curtailed. Renunciation is honorable, but I fear we must also renounce that honor. At least largely. I'm not saying that we shouldn't practice conserving energy.

But it is not enough to practice renunciation. We need new technologies - technologies that are free of fossil fuels: Photovoltaics to generate electricity, "machines" that produce "green" gasoline, wind energy for the electricity hunger and much more. But we also urgently need technologies that will enable us to remove CO2 from the air. Nevertheless: we also have to produce less CO2 and fewer other greenhouse gases. We can "compensate", i.e. "capture" the emitted CO2 again. But it is not that simple!

Planting trees, renaturing dry moors, all of this is a method of compensating – methods that are strongly favored at the moment, but as far as trees are concerned, they can burn and we have gained little, maybe nothing at all. The devastating forest fires worldwide and this century in different parts of the world show that it seems almost too late. A planted tree stores CO2 due to pho40 tosynthesis. One tonne of wood stores (roughly) one tonne of CO2. But only until the wood has been burned or rotted away. A zero-sum game in the long run. And there may not be enough peatlands to significantly affect the climate.

So we have to get the CO2 out of the air faster than it comes in. And we should only do that up to a certain limit. Because when there is no more CO2 in the air and no other greenhouse gases either, then the earth becomes a lump of ice, as has happened several times in the history of the earth when there was a so-called snowball earth. Quite apart from that, our plants need the CO2 to grow! The CO2 reduction limit should be around 280 ppm CO2 or CO2e (this is the actual climate gas value, which includes the other climate gases such as methane, socalled-CO2 equivalents). Possibly a bit more than that because it is rather difficult to reduce that gas at the moment. About 40 - 50 Gt of CO2 are generated annually by mankind.

There is also a fundamental problem here: If there should one day be a biologically effective method for getting the CO2 out of the air relatively quickly, such as improved photosynthesis, as discovered on a laboratory scale at the Max Planck Institute in Marburg (CETCH cycle), then do we have a chance. An internal publication of this institute spoke of a 20-fold effectiveness of this cycle compared to natural photosynthesis.

If this is successful, then care must be taken to ensure that the process is implemented fairly quickly on the one hand, and on the other hand that this process can be strictly controlled so that the 280 ppm limit is not exceeded.

The authors of this study (including Prof. Tobias Erb from the MPI for Terrestrial Microbiology) also believe that this could make it possible to create more food for a growing world population: Erb says that he and his colleagues hope to further expand their facility and modify the process in order to make other organic compounds that are even more valuable than glycolate, such as drug molecules. They also hope to convert captured CO2 more efficiently into organic compounds that plants need to grow. That would open the door to manipulating the genes for this novel photosynthetic pathway in crops to create new varieties that grow much faster than current varieties - a boon for agriculture in a world with a booming population.

Schuld oder keine Schuld - Gedanken zum Klimawandel

Gedanken zum Klimawandel 

2022-01-15 – Jörg Kampmann (www.ibk-consult.de - leicht mod. und ergänzt: 2022-02-09).

Es geht immer um Schuld, vielleicht Verantwortung, auf jeden Fall um Schuld.

Es betrifft den Klimawandel. Ein Klimawandel, der vom Menschen weitgehend verursacht wurde. Die „Ursache Mensch“ kann man sehr eindeutig nachweisen …

Aber darum geht es im Moment nicht. Wer auch immer Schuld hat, wir – die Menschen, und nur wir Menschen – müssen den Klimawandel rückgängig machen. Eine Möglichkeit könnte sein Verzicht. Verzicht aufs Autofahren, Verzicht auf "Fleisch essen", und auf vieles mehr. Aber es sieht nicht so aus, als ob der Energiehunger der Menschen einzuschränken ist. Verzicht zu üben, ist ehrenhaft, aber ich fürchte, wir müssen auf diese Ehre auch verzichten. Wenigstens weitgehend. Ich will damit nicht sagen, dass wir nicht üben sollten, Energie zu sparen.

Es reicht aber nicht, Verzicht zu üben. Wir brauchen neue Technologien – Technologien, die frei von fossilen Energieträger sind: Photovoltaik zur Stromerzeugung, „Maschinen“, die „grünes“ Benzin erzeugen, Windenergie für den Stromhunger und vieles mehr. Wir brauchen aber auch ganz dringend Technologien, wie wir jetzt das CO2 aus der Luft entfernen können. Nichtsdestoweniger: wir müssen auch weniger CO2 und weniger andere Klimagase erzeugen. Wir können zwar „kompensieren“, also das ausgestoßene CO2 wieder „einfangen“. Aber so einfach ist das nicht!

Bäume pflanzen, trockene Moore zu renaturieren, alles das ist eine Methode des Kompensierens – im Moment stark favorisierte Methoden, aber was die Bäume betrifft, sie können brennen und damit haben wir wenig, also vielleicht gar nichts gewonnen. Die verheerenden Waldbrände weltweit und diesem Jahrhundert in den verschiedensten Teilen der Welt zeigen, dass es fast zu spät zu sein scheint. Ein gepflanzter Baum speichert CO2 aufgrund der Photosynthese. Eine Tonne Holz speichert (ungefähr) eine Tonne CO2. Aber nur solange, bis das Holz verbrannt wurde oder vermodert. Ein Nullsummenspiel auf lange Sicht. Und es gibt womöglich nicht genug Moore, um das Klima wesentlich beeinflussen zu können.

Wir müssen also schneller das CO2 aus der Luft herausholen, als es rein kommt. Und wir sollten das allerdings nur bis zu einer bestimmten Grenze machen. Denn wenn kein CO2 mehr in der Luft ist und auch keine anderen Treibhausgase, dann wird die Erde zu einem Eisklumpen, so wie es schon mehrmals in der Erdgeschichte geschah, als es eine sogenannte Snowball-Earth gab. Ganz abgesehen davon brauchen unsere Pflanzen das CO2 zum Wachstum! Die Grenze der CO2-Reduktion sollte bei ca. 280 ppm CO2 bzw. CO2e (das ist der eigentliche Klimagaswert, der die anderen Klimagase wie z.B. Methan, mit einbezieht, sog. CO2-Äquivalente) liegen.

Hier liegt auch ein grundsätzliches Problem: Sollte es dereinst eine biologisch wirksame Methode geben, das CO2 relativ schnell aus der Luft zu bekommen, etwa eine verbesserte Photosynthese, wie am Max-Planck-Institut in Marburg (CETCH-Zyklus) im Labormaßstab entdeckt, dann haben wir eine Chance. In einer internen Veröffentlichung sprach man von einer 20-fachen Effektivität bestimmter Zyklen gegenüber der natürlichen Photosynthese, dies im Zusammenhang mit einer Entdeckung von Umsetzzyklen in Alphaproteobakterien.

Wenn das gelingt, dann muss daran gearbeitet werden, dass zum einen der Prozess ziemlich zügig implementiert wird und zum anderen aber auch unter Beachtung der Tatsache, dass dieser Prozess streng kontrolliert werden kann, so dass ein Unterschreiten der 280 bis 300 ppm Grenze nicht stattfindet.

Die Autoren dieser Studie (u.a. Prof. Tobias Erb vom MPI für terrestrische Mikrobiologie) meinen auch, dass es auf diese Weise gelingen könnte, mehr Nahrungsmittel für eine wachsende Weltbevölkerung zu schaffen: Erb sagt, dass er und seine Kollegen hoffen, ihre Einrichtung weiter zu modifizieren, um andere organische Verbindungen herzustellen, die noch wertvoller als Glykolat sind, wie beispielsweise Arzneimittelmoleküle. Sie hoffen auch, eingefangenes CO2 effizienter in organische Verbindungen umzuwandeln, die Pflanzen zum Wachsen benötigen. Das würde die Tür öffnen, um die Gene für diesen neuartigen Photosyntheseweg in Nutzpflanzen zu manipulieren, um neue Sorten zu schaffen, die viel schneller wachsen als aktuelle Sorten – ein Segen für die Landwirtschaft in einer Welt mit einer boomenden Bevölkerung.

In einer im Jahre 2016 veröffentlichen Schrift (Current Opinion in Chemical Biology 2016, 34:72–79) wird allerdings auch darauf hingewiesen, dass es noch eine Menge von Herausforderungen gibt, bis es möglich ist, diese Art der Photosynthese in großer Breite anzuwenden (Hervorhebung durch den Autor):

Engineering synthetic CO 2 -fixation

The most ambitious approach to improve photosynthetic yield is to completely rewire CO 2 -fixation in plants, algae and cyanobacteria. This research is inspired by the discovery that during the course of evolution nature itself has invented five alternative CO2-fixation pathways to the Calvin cycle, which operate in different bacteria and archaea [49–54]. These ‘alternative’ microbial CO2-fixation pathways are not based on RubisCO [55] and several of them show advantages in respect to energy requirement and efficiency compared to the Calvin cycle [56]. The reconstitution of natural existing CO2-fixation pathways in model organisms, however, has not proven successful so far [57], probably due to the complex interplay and interference with the host’s native carbon and energy metabolism. 

Even more progressive are synthetic biology approaches that are based on the principle of metabolic retrosynthesis as currently pursued in several labs, including ours [63]. Here, completely novel CO 2 -fixation pathways of high efficiency are supposed to be designed through the free recombination of known enzyme reactions [55,58  ]. These efforts are further fueled by the discovery [59,60] and rational engineering [61  ] of highly efficient
carboxylases, and the general progress in computational enzyme design [62]. The degree of freedom in these synthetic pathways allows tailoring the conversion of CO 2 into virtually any desired product, and their synthetic nature could be advantageous for in vivo transplantations due to a limited interference with natural metabolism. The realization of such synthetic CO 2 -fixation pathways and their integration into living organisms still poses several challenges, but will be indispensable for freeing natural photosynthetic CO 2 -fixation from its inherent disadvantages, and transforming biology from a tinkering
science into a truly synthetic discipline. Compared to all other strategies discussed here, this approach holds the most promise to substantially improve photosynthetic productivity on a long-term perspective.

und zum weiteren: die Politik - weltweite Politik

Dies scheint die schwierigste Aufgabe zu sein, der Autor hat naturgemäß keine Lösung parat. Im Moment - obwohl ziemlich verpönt - scheint es nur einenAusweg zu geben: Die Angst ... der WBGU hat das offentsichtlich auch erkannt: es gibt ein neues Video über dieses Thema, indem die Gesundheit angesprochen wird (https://www.wbgu.de/de/veranstaltungen/veranstaltung/2022-02-02-ip-webinar). Ob das hilft, ich weiß es nicht, aber vielleicht ja, wenn es starke Argumente gibt.

Insgesamt kann man hier von einem Dreiklang an Maßnahmen sprechen: 

1. indivituelles Verhalten, z.B. Verzicht
2. neue Technologien
3. Politische Unternehmungen

Man wird sehen, ob das klappt. Die Zeit ist knapp!

La Edad del Universo y el Big Bang (Hipótesis del Big Bang)

Esta entrada de blog proviene de varios blogs en inglés,
por ejemplo, https://nineplanets.org/questions/how-old-is-the-universe/
http://spiff.rit.edu/classes/phys240/lectures/bb/bb.html
El artículo consta de dos secciones:
1ra sección en alemán (https://ibk-klima.blogspot.com/2022/01/die-zu-beobachtenden-grundlagen-des-big.html)
2da sección en Español (esta seccion)

General

Si uno pudiera calcular la edad de todas las personas que alguna vez han vivido en la tierra, ni siquiera se acercaría a la edad del universo. Uno de los temas más discutidos en astronomía es la edad del universo, y cada vez que nos acercamos a un número estimado surge un nuevo descubrimiento que lo supera.

Pero, ¿cuántos años tiene el universo? ¿O al menos en general? Muchos creen que la edad de nuestro universo es de 13.800 millones de años. Algunos creen que es aún más antiguo, mientras que otros piensan que es más joven.

Sin embargo, la mayoría de los astrónomos están de acuerdo en que nuestro universo tiene al menos 13.800 millones de años. Sin embargo, no espere que este número dure mucho, ya que todavía tenemos mucho más que aprender.

¿Cómo sabemos que el universo tiene 13.800 millones de años?

 
No lo sabemos, o al menos es solo un número pasajero. Los astrónomos calculan la edad del universo de varias maneras. Una de las formas más populares de calcular la edad de nuestro universo es encontrar las estrellas o galaxias más antiguas, tal vez incluso planetas.

Por ejemplo, el planeta más antiguo jamás descubierto es Matusalén, que tiene alrededor de 14.500 millones de años, u 800 millones de años. Esto es una paradoja ya que sería más antiguo que nuestro universo. Su estrella es claramente incluso más antigua que este planeta, ya que las estrellas se forman primero y los planetas después.

Una de las galaxias más antiguas jamás descubiertas es GN-z11, que se encuentra a 32 000 millones de años luz de distancia y se estima que tiene al menos 13 400 millones de años.

Se cree que se formó poco después del Big Bang. Los astrónomos calculan la edad del universo analizando las distancias y velocidades radiales de otras galaxias. También se tiene en cuenta el fondo cósmico de microondas, ya que es una reliquia de la radiación del Big Bang.

Todo se calcula en base a eventos rebobinados hasta el Big Bang. Sin embargo, una cosa es segura: nada es seguro acerca de nuestro universo. Sabrás a lo que me refiero si sigues leyendo.

¿Puede el universo tener más de 14 mil millones de años?

El universo bien podría tener más de 14 mil millones de años, y deberíamos dejar de limitarlo cada vez que se descubre algo nuevo. Tome la Gran Muralla de Hércules-Corona Borealis, por ejemplo.

Esta es una de las estructuras más grandes descubiertas en nuestro universo. Tiene más de 10 mil millones de años luz de longitud y está a más de 9 mil millones de años luz de nosotros.

El universo observable tiene 93 mil millones de años luz de diámetro. La existencia de la Gran Muralla de Hércules-Corona Borealis, su tamaño, es bastante controvertida. 

Esto se debe a que es demasiado grande para haberse formado en el momento en que su luz nos alcanzó, y un día bien puede haber evidencia de que el universo es incluso más antiguo de lo que pensamos.

Esta gran estructura seguirá siendo un misterio para los científicos durante mucho tiempo. Algunos incluso dudan de su existencia debido a su naturaleza paradójica.

Pero incluso si descartamos la existencia de la Gran Muralla, muchos científicos están de acuerdo en que nuestro universo no debería tener más de 14.500 millones de años. Este es el límite de la edad del universo, pero aún está por verse.

¿Qué es más antiguo que el universo?

En teoría, la estrella HD 140283 o Matusalén parece más antigua que nuestro universo, pero eso sería imposible. Es un error de cálculo o un error en la edad estimada de nuestro universo.

No importa cómo lo mires, nada debería ser más antiguo que nuestro universo, excepto tal vez algo que sucedió antes del Big Bang. No sabemos exactamente qué fue antes del Big Bang, pero sea lo que sea, al menos en teoría podríamos pensar que era un poco más antiguo que nuestro universo.

El Big Bang, el evento que creó nuestro universo, fue desencadenado por la existencia de una singularidad inicial que, en sí misma, podría considerarse más antigua que nuestro universo.

Otra cosa que podría ser más antigua que nuestro universo sería la existencia de otro universo. Si alguna vez descubrimos que existen otros universos fuera del nuestro, podría ser más joven o más viejo que nuestro universo.

Esto se debe a que es demasiado grande para formarse en el momento en que su luz nos alcanzó, y un día bien puede haber evidencia de que el universo es incluso más antiguo de lo que pensamos.

Esta gran estructura seguirá siendo un misterio para los científicos durante mucho tiempo. Algunos incluso dudan de su existencia debido a su naturaleza paradójica.

Pero incluso si descartamos la existencia de la Gran Muralla, muchos científicos están de acuerdo en que nuestro universo no debería tener más de 14.500 millones de años. Este es el límite de la edad del universo, pero aún está por verso.

Pregunta secundaria: ¿Qué edad tiene la tierra en comparación con el universo?

Nuestra tierra ni siquiera es el planeta más antiguo de nuestro sistema solar, ese sería Júpiter. La edad de la tierra se estima en 4540 millones de años, por lo que el universo en sí tiene en promedio unas tres veces la edad de nuestra tierra, pero solo si el universo tiene en realidad 13800 millones de años.

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, podría ser una mejor comparación ya que tiene 13.510 millones de años. Se estima que uno de los agujeros negros más antiguos jamás descubiertos tiene 13.800 millones de años. Se originó alrededor de 690 millones de años después del Big Bang.

Bases observadas

Las siguientes observaciones o mediciones de propiedades astronómicas sugieren un origen puntual del universo observado (modelo del big bang):

1. Cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido se mueve (medido por el corrimiento al rojo de las líneas espectrales

2. Una observación química: el universo en su totalidad se compone principalmente de átomos de H y He, todos los demás elementos son insignificantemente pequeños. Los átomos de H son mayoritarios...

3. El fondo cósmico de microondas: No importa dónde miremos en el universo, vemos ondas de radio que se parecen a las emitidas por un cuerpo negro a unos 2,7 grados sobre el cero absoluto. Hay variaciones minúsculas (parte en 10.000) en el brillo de esta radiación en una escala de un grado.

Fundamentos del modelo del big bang

El Big Bang se basa en tres principios fundamentales:

1. El universo solía estar muy caliente
2. El universo solía ser muy denso
3. el universo se expande (por eso ya no es tan caliente ni tan denso)

Debes saber que este modelo básico del Big Bang no dice NADA sobre las siguientes preguntas:

•      Se colapsará el universo de nuevo o se expandirá para siempre?
•      La habitación es curva o plana?
•      cuantos años tiene el universo
•      Cuál es la densidad de la materia en el universo?
•      Qué pasa con la materia oscura?
•      Existe una misteriosa fuerza "repulsiva" a gran escala?
•      Cómo surgieron las galaxias?

El universo se está expandiendo, o viceversa: hace unos 13.770 millones de años tenía casi forma de punto (https://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe).
Nuestra comprensión de las leyes de la naturaleza nos permite rastrear el estado físico del universo hasta un punto en el que la densidad y la temperatura eran REALMENTE altas. Además, no sabemos exactamente cómo se comportan la materia y la radiación. Llamemos a este momento el punto de partida. No significa que el universo "comenzó" en ese momento, solo significa que no sabemos qué sucedió antes de ese momento.

Nucleosíntesis del Big Bang

Uno de los mayores éxitos de la teoría del Big Bang es su explicación de la composición química del universo. Recuerda que el universo se compone principalmente de hidrógeno y helio, con cantidades muy pequeñas de elementos pesados. ¿Qué tiene esto que ver con el Big Bang?

Bueno, hace mucho tiempo el universo era caliente y denso. Cuando la temperatura es lo suficientemente alta (unos pocos miles de grados), los átomos pierden todos sus electrones; llamamos a este estado de la materia, una mezcla de núcleos y electrones, un plasma completamente ionizado. Si la temperatura es aún más alta (millones de grados), entonces los núcleos se desintegran en partículas elementales y se obtiene una "sopa" de partículas elementales:

•      protones
•      neutrones
•      electrones

Cuando la "sopa" es muy densa, estas partículas suelen chocar entre sí. Ocasionalmente, grupos de protones y neutrones se unen para formar núcleos más fácilmente elementos... pero bajo presiones y temperaturas extremadamente altas, los núcleos se rompen por colisiones posteriores. La teoría del Big Bang postula que el universo entero alguna vez estuvo tan caliente que estaba lleno de esta sopa de protones, neutrones y electrones.

Pero la teoría del Big Bang dice que a medida que el universo se expandía, tanto la densidad como la temperatura disminuían. A medida que la temperatura y la densidad disminuyeron, las colisiones entre partículas se volvieron menos violentas e infrecuentes. Hubo una breve "ventana de oportunidad" en la que los protones y los neutrones podrían chocar lo suficientemente fuerte como para unirse y formar núcleos ligeros, pero no sufrir tantas colisiones consecutivas como para destruir los núcleos. Esta "ventana" apareció unos tres minutos después del punto de inicio y tomó un poco menos de un minuto.

¿Qué núcleos se formarían en estas condiciones? Los experimentos con aceleradores de partículas nos han demostrado que la mayoría de los núcleos posibles son inestables (unstable), es decir, se abren solos, o son frágiles (fragile), lo que significa que se rompen fácilmente en colisiones. 

El helio (la variedad común de 2 protones y 2 neutrones) es, con mucho, el núcleo compuesto más estable y robusto. El deuterio (un protón y un neutrón) se destruye fácilmente, al igual que el helio-3 (2 protones, un neutrón).

Entonces parece que esta fase de plasma caliente y denso generaría mucho helio. ¿Podría producir también otros elementos más pesados?

Resulta que ninguno de los núcleos más pesados, formados fácilmente por la colisión de partículas individuales con núcleos de helio o núcleos de helio, es estable o robusto. Es probable que casi todos los núcleos más pesados ​​que el helio sean destruidos por colisiones posteriores. El único núcleo más pesado que podría sobrevivir es el litio-7 (3 protones y 4 neutrones), pero requiere un núcleo de helio para colisionar con otras 2 o 3 partículas al mismo tiempo, lo cual no es muy probable.
 
Los modelos detallados de la nucleosíntesis del Big Bang predicen que la breve "ventana de oportunidad" duró solo uno o dos minutos. Después de eso, unos tres minutos y medio después del punto de partida, la temperatura y la densidad cayeron tan bruscamente que las colisiones entre partículas fueron raras y de tan baja energía que las fuerzas eléctricas de repulsión entre los núcleos cargados positivamente impidieron la fusión. El resultado es

•     mucho hidrogeno
•     algo de helio (helio-4 normal)
•     pequeños trozos de deuterio
•     pedacitos de litio

de lo contrario no mucho.

Las cantidades relativas de hidrógeno, helio, deuterio y litio dependen muy sensiblemente de la densidad exacta de la materia en el universo durante esta ventana de oportunidad.

Hablaremos de esto más tarde.

El fondo cósmico de microondas

Durante los primeros minutos después del punto de partida, el universo estaba lo suficientemente caliente como para fusionar partículas en núcleos de helio. El resultado fue una proporción de aproximadamente 12 núcleos de hidrógeno por 1 núcleo de helio; esto corresponde a la afirmación de que las tres cuartas partes de la masa del universo eran núcleos de hidrógeno y una cuarta parte de la masa eran núcleos de helio.

Pero estos núcleos estaban completamente ionizados: carecían de la colección normal de electrones que los rodeaba. Los electrones podrían volar de forma independiente a través del espacio. Los electrones libres son muy eficientes en la dispersión de fotones. Cualquier rayo de luz, ondas de radio o rayos X en este plasma ionizado se dispersaron antes de que pudieran viajar lejos. El universo era opaco.

Después de algunos miles de años, mientras el universo continuaba expandiéndose y enfriándose, la temperatura alcanzó un punto crítico. Unos 100.000 años después del punto de partida, la temperatura descendió a unos 3.000 Kelvin.

En este momento, los núcleos de hidrógeno (protones) pudieron atrapar electrones y evitar colisiones. Llamamos a este proceso de captura de electrones recombinación (aunque en realidad fue la primera "combinación", no una re-"combinación").

El universo se volvió en gran parte neutral, con electrones unidos a átomos de hidrógeno y helio. Los átomos neutros son casi transparentes a los rayos de luz y las ondas de radio. De repente, el universo se volvió transparente.

Das Alter des Universums und der Big Bang (Urknall Hypothese)

Dieser Blogeintrag stammt aus mehreren englischsprachigen Blogs, z.B. https://nineplanets.org/questions/how-old-is-the-universe/

http://spiff.rit.edu/classes/phys240/lectures/bb/bb.html

Der Artikel besteht aus zwei Abschnitten:
1. Abschnitt in Deutsch

2. Abschnitt in Español

Allgemeines

Wenn man das Alter aller Menschen, die jemals auf der Erde gelebt haben, berechnen könnte, würde es nicht einmal annähernd das Alter des Universums erreichen. Eines der am meisten diskutierten Themen in der Astronomie ist das Alter des Universums, und jedes Mal, wenn wir uns einer geschätzten Zahl nähern, kommt eine neue Entdeckung heraus und bläst diese weg.

Aber wie alt ist das Universum? Oder zumindest allgemein? Viele meinen, dass das Alter unseres Universums 13,8 Milliarden Jahre beträgt. Einige glauben, dass es noch älter ist, während andere es für jünger halten.

Die meisten Astronomen sind sich jedoch einig, dass unser Universum mindestens 13,8 Milliarden Jahre alt ist. Erwarten Sie jedoch nicht, dass diese Zahl lange anhält, da wir noch viel mehr zu lernen haben.

Woher wissen wir, dass das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt ist?
 

Wir wissen es nicht, oder zumindest ist dies nur eine vorübergehende Zahl. Astronomen berechnen das Alter des Universums auf verschiedene Weise. Eine der beliebtesten Methoden, das Alter unseres Universums zu berechnen, besteht darin, die ältesten Sterne oder Galaxien, vielleicht sogar Planeten, zu finden.

Der älteste jemals entdeckte Planet ist beispielsweise Methusalem, der etwa 14,5 Milliarden Jahre alt ist, oder 800 Millionen Jahre. Dies ist ein Paradox, da es älter wäre als unser Universum. Sein Stern ist eindeutig noch älter als dieser Planet, da zuerst Sterne und später Planeten entstehen.

Eine der ältesten jemals entdeckten Galaxien ist GN-z11, die 32 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist und auf ein Alter von mindestens 13,4 Milliarden Jahren geschätzt wird. 

Es wird vermutet, dass sie sich kurz nach dem Urknall gebildet hat. Astronomen berechnen das Alter des Universums, indem sie die Entfernungen und Radialgeschwindigkeiten anderer Galaxien analysieren. Dabei wird auch der kosmische Mikrowellenhintergrund berücksichtigt, da er ein Relikt der Strahlung des Urknalls ist.

Alles wird basierend auf dem Zurückspulen von Ereignissen bis zum Urknall berechnet. Eines ist jedoch sicher: über unser Universum ist nichts sicher. Sie werden wissen, was ich meine, wenn Sie weiterlesen.

Kann das Universum älter als 14 Milliarden Jahre sein?

Das Universum könnte durchaus älter als 14 Milliarden Jahre sein, und wir sollten aufhören, ihm jedes Mal Grenzen zu setzen, wenn etwas Neues entdeckt wird. Nehmen Sie zum Beispiel die Große Mauer von Hercules-Corona Borealis.

Dies ist eine der größten in unserem Universum entdeckten Strukturen. Es hat eine Länge von über 10 Milliarden Lichtjahren und befindet sich weit über 9 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.

Das beobachtbare Universum hat einen Durchmesser von 93 Milliarden Lichtjahren. Die Existenz der Großen Mauer von Hercules-Corona Borealis, ihre Größe, ist ziemlich umstritten.

Dies liegt daran, dass es zu groß ist, um sich in der Zeit, in der sein Licht uns erreicht hat, gebildet zu haben, und es könnte eines Tages durchaus noch ein Beweis auftreten, dass das Universum noch älter ist, als wir denken.

Diese große Struktur wird Wissenschaftlern für längere Zeit ein Rätsel bleiben. Einige bezweifeln sogar seine Existenz aufgrund seiner paradoxen Natur.

Aber selbst wenn wir die Existenz der Großen Mauer ausschließen, sind sich viele Wissenschaftler einig, dass unser Universum maximal 14,5 Milliarden Jahre alt sein sollte. Dies ist die Grenze für das Alter des Universums, aber es bleibt abzuwarten.

Was ist älter als das Universum?

Theoretisch scheint der Stern HD 140283 oder der Methusalem-Stern älter zu sein als unser Universum, aber das wäre unmöglich. Es ist entweder ein Rechenfehler oder ein Fehler des geschätzten Alters unseres Universums.

Egal wie man es betrachtet, nichts sollte älter sein als unser Universum, außer vielleicht etwas, das vor dem Urknall geschah. Wir wissen nicht genau, was vor dem Urknall war, aber was auch immer es war, wir könnten es zumindest theoretisch für etwas älter halten als unser Universum.

Der Urknall, das Ereignis, das unser Universum erschuf, wurde durch die Existenz einer anfänglichen Singularität ausgelöst, die an sich als älter als unser Universum angesehen werden könnte.

Eine andere Sache, die älter sein könnte als unser Universum, wäre die Existenz eines anderen Universums. Wenn wir jemals herausfinden, dass andere Universen außerhalb unseres eigenen existieren, könnten sie oder es jünger oder älter sein als unser Universum.

Nebenfrage: Wie alt ist die Erde im Vergleich zum Universum?

Unsere Erde ist nicht einmal der älteste Planet unseres Sonnensystems, das wäre Jupiter. Das Alter der Erde wird auf 4,54 Milliarden Jahre geschätzt, das Universum selbst ist also im Durchschnitt etwa dreimal so alt wie unsere Erde, aber nur, wenn das Universum tatsächlich 13,8 Milliarden Jahre alt ist.

Unsere Galaxie, die Milchstraße, könnte ein besserer Vergleich sein, da sie 13,51 Milliarden Jahre alt ist. Eines der ältesten jemals entdeckten Schwarzen Löcher wird auf 13,8 Milliarden Jahre geschätzt. Es entstand etwa 690 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Beobachtete Grundlagen

Folgende Beobachtungen bzw. Messungen von astronomischen Eigenschaften lassen auf einen punktförmigen Ursprung des zu beobachteten Universums schließen (Urknallmodell):

1. Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, umso schneller bewegt sie sich (gemessen an der Rotverschiebung der Spektrallinien

2. Eine chemische Beobachtung: Das Universum besteht in seiner Gesamtheit hauptsächlich aus H und He Atomen, alle anderen Elemente sind verschwindend gering vorhanden. Die H Atome sind in der Überzahl...

3. Der kosmische Mikrowellenhintergrund: Egal, wohin wir im Universum schauen, wir sehen Radiowellen, die aussehen wie die, die von einem schwarzen Körper bei etwa 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgestrahlt werden. Es gibt winzige (ein Teil von 10.000) Variationen in der Helligkeit dieser Strahlung auf einer Skala von einem Grad.

Grundlagen des Urknallmodells 

Der Urknall basiert auf drei Hauptgrundsätzen: 

1. Das Universum war früher sehr heiß
2. Das Universum war früher sehr dicht
3. das Universum dehnt sich aus (deshalb ist es nicht mehr so heiß oder dicht)

Dazu sollte man wissen, dass dieses grundlegende Urknallmodell zu den folgenden Fragen NICHTS sagt:

• Wird das Universum wieder zusammenbrechen oder sich für immer ausdehnen?
• Ist der Raum gekrümmt oder flach?
• Wie alt ist das Universum?
• Wie hoch ist die Materiedichte im Universum?
• Was ist mit dunkler Materie?
• Gibt es eine mysteriöse "abstoßende" Kraft auf großen Skalen?
• Wie sind Galaxien entstanden? 

Das Universum dehnt sich aus - oder umgekehrt: vor ca. 13,77 Milliarden Jahren war es nahezu punktförmig (https://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe).

Unser Verständnis der Naturgesetze erlaubt es uns, den physikalischen Zustand des Universums bis zu einem bestimmten Punkt zurückzuverfolgen, als die Dichte und Temperatur WIRKLICH hoch waren. Darüber hinaus wissen wir nicht genau, wie sich Materie und Strahlung verhalten. Nennen wir diesen Moment den Ausgangspunkt. Es bedeutet nicht, dass das Universum zu dieser Zeit "begann", es bedeutet nur, dass wir nicht wissen, was vor diesem Zeitpunkt passiert ist.

Urknall-Nukleosynthese

Einer der wichtigsten Erfolge der Urknalltheorie ist ihre Erklärung der chemischen Zusammensetzung des Universums. Denken Sie daran, dass das Universum hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht, mit sehr kleinen Mengen schwerer Elemente. Was hat das mit dem Urknall zu tun?

Nun, vor langer Zeit war das Universum heiß und dicht. Wenn die Temperatur hoch genug ist (einige tausend Grad), verlieren Atome alle ihre Elektronen; wir nennen diesen Aggregatzustand, eine Mischung aus Kernen und Elektronen, ein vollständig ionisiertes Plasma. Ist die Temperatur noch höher (Millionen Grad), dann zerfallen die Kerne in Elementarteilchen, und man erhält eine "Suppe" aus Elementarteilchen:

• Protonen
• Neutronen
• Elektronen

Wenn die "Suppe" nun sehr dicht ist, kollidieren diese Partikel häufig miteinander. Gelegentlich kleben Gruppen von Protonen und Neutronen zusammen, um Kerne leichter Elemente zu bilden ... aber unter extrem hohem Druck und extremer Temperatur werden die Kerne durch nachfolgende Kollisionen aufgebrochen. Die Urknalltheorie postuliert, dass das gesamte Universum einmal so heiß war, dass es mit dieser Proton-Neutron-Elektronen-Suppe gefüllt war.

Aber die Urknalltheorie besagt dann, dass mit der Expansion des Universums sowohl die Dichte als auch die Temperatur abnahmen. Mit abnehmender Temperatur und Dichte wurden die Kollisionen zwischen den Teilchen weniger heftig und seltener. Es gab ein kurzes "Fenster der Gelegenheit (window of opportunity)", in dem Protonen und Neutronen hart genug kollidieren konnten, um zusammenzukleben und leichte Kerne zu bilden, aber nicht so viele aufeinander folgende Kollisionen erleiden, dass die Kerne zerstört würden. Dieses "Fenster" erschien etwa drei Minuten nach dem Startpunkt und dauerte etwas weniger als eine Minute.

Welche Kerne würden sich unter diesen Bedingungen bilden? Experimente mit Teilchenbeschleunigern haben uns gezeigt, dass die meisten der möglichen Kerne instabil (unstable) sind, das heißt, sie brechen von selbst auf, oder sie sind zerbrechlich (fragile), was bedeutet, dass sie bei Kollisionen leicht zerbrochen werden.

Helium (die gewöhnliche Sorte mit 2 Protonen und 2 Neutronen) ist bei weitem der stabilste und robusteste zusammengesetzte Kern. Deuterium (ein Proton und ein Neutron) wird leicht zerstört, ebenso Helium-3 (2 Protonen, ein Neutron).

Es scheint also, dass diese Phase des heißen, dichten Plasmas viel Helium erzeugen würde. Könnte es auch andere, schwerere Elemente erzeugen?

 

 

 

 

 

Es stellt sich heraus, dass keiner der schwereren Kerne, die leicht durch Zusammenstöße einzelner Teilchen mit Heliumkernen oder Heliumkernen miteinander hergestellt werden, stabil oder robust ist. Fast alle Kerne, die schwerer als Helium sind, werden wahrscheinlich durch nachfolgende Kollisionen zerstört. Der einzige schwerere Kern, der möglicherweise überleben könnte, ist Lithium-7 (3 Protonen und 4 Neutronen), aber es erfordert die gleichzeitige Kollision eines Heliumkerns mit 2 oder 3 anderen Teilchen, was nicht sehr wahrscheinlich ist.

 

Detaillierte Modelle der Urknall-Nukleosynthese sagen voraus, dass das kurze "Fenster der Gelegenheit" nur ein oder zwei Minuten dauerte. Danach, etwa dreieinhalb Minuten nach dem Startpunkt, sanken Temperatur und Dichte so stark, dass Kollisionen zwischen Teilchen selten und von so geringer Energie waren, dass die elektrischen Abstoßungskräfte zwischen positiv geladenen Kernen die Fusion verhinderten. Das Ergebnis ist 

• viel Wasserstoff 
• etwas Helium (normales Helium-4)
• kleine Deuteriumstücke
• kleine Stückchen Lithium

sonst nicht viel.

Die relativen Mengen an Wasserstoff, Helium, Deuterium und Lithium hängen während dieses Gelegenheitsfensters sehr empfindlich von der genauen Dichte der Materie im Universum ab. Wir werden dies später besprechen.

 

Der kosmische Mikrowellenhintergrund

 

Während der ersten Minuten nach dem Startpunkt war das Universum also heiß genug, um Teilchen zu Heliumkernen zu verschmelzen. Das Ergebnis war ein Verhältnis von etwa 12 Wasserstoffkernen zu 1 Heliumkern; das entspricht der Aussage, dass drei Viertel der Masse des Universums Wasserstoffkerne und ein Viertel der Masse Heliumkerne waren.

Aber diese Kerne waren vollständig ionisiert: Ihnen fehlte die normale Ansammlung von Elektronen, die sie umgaben. Die Elektronen konnten selbstständig durch den Weltraum fliegen. Freie Elektronen sind sehr effizient bei der Streuung von Photonen. Alle Lichtstrahlen oder Radiowellen oder Röntgenstrahlen in diesem ionisierten Plasma wurden gestreut, bevor sie weit reisen konnten. Das Universum war undurchsichtig.

 

 

 

Nach einigen tausend Jahren, als sich das Universum weiter ausdehnte und abkühlte, erreichte die Temperatur einen kritischen Punkt. Ungefähr 100.000 Jahre nach dem Startpunkt fiel die Temperatur auf etwa 3.000 Kelvin.

Zu diesem Zeitpunkt waren Wasserstoffkerne (Protonen) in der Lage, Elektronen einzufangen und gegen Kollisionen zu halten. Wir nennen diesen Vorgang des Einfangens von Elektronen Rekombination (obwohl es wirklich die erste "Kombination" war, keine Re-"Kombination").

Das Universum wurde weitgehend neutral, mit Elektronen, die an Wasserstoff- und Heliumatome gebunden waren. Neutrale Atome sind für Lichtstrahlen und Radiowellen nahezu transparent. Plötzlich wurde das Universum transparent.