Oliver Schwarz Institut für Didaktik der Physik / Universitätssternwarte Universität Siegen

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

2. - 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? Gliederung

3. Der aktuelle Bericht des IPCC

4. 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

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

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

7. 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.

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

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

10. Elementarisierung kosmischer Strahlungsantriebe am Beispiel der Milankovič-Zyklen

11. Präzession und Periheldrehung

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

13. Experimentell …

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

15. Astronomische Strahlungsantriebe, ihre typischen Zeitskalen und ihre klimatischen Auswirkungen Zur Erinnerung: anthropogen verursachter Strahlungsantrieb laut IPCC

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

17. 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. Grenzen des Wachstums – andere Beispiele

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

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

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

21. Meridionaler Energietransport elementar - am Beispiel des Golfstromes

22. Man kann es selbst Ausprobieren

23. Meridionaler Energietransport

24. Meridionaler Energietransport Aus ΔT=2K folgt Aus folgt

25. 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 Der Golfstrom und die globale Wärmediffusion

26. 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 FaziT: