- Svante Arrhenius stellte 1896 die Hypothese auf, dass CO2 Wärme in der Erdatmosphäre einfängt, was als Treibhauseffekt bekannt ist. Physiker klärten 2022 den Ursprung des logarithmischen Skalierens des Treibhauseffekts und erkannten die Bedeutung der Quantenstruktur des CO2-Moleküls. Besonders das Fermi-Resonanz-Phänomen erklärt die Effizienz von CO2 bei der Wärmeeinfangung und das logarithmische Skalieren. Frühere Wissenschaftler wie Joseph Fourier und Eunice Foote legten die Grundlagen der Klimawissenschaft. Ein Forscherteam entdeckte, dass das logarithmische Skalieren von CO2 auf dessen Absorptionsspektrum zurückzuführen ist, nicht auf die Temperaturverteilung.
Im Jahr 1896 stellte der schwedische Physiker Svante Arrhenius die Hypothese auf, dass Kohlendioxid (CO2) Wärme in der Erdatmosphäre einfängt—ein Phänomen, das heute als Treibhauseffekt bekannt ist. Seitdem haben immer komplexere Klimamodelle Arrhenius’ zentrale Erkenntnis bestätigt: Jedes Mal, wenn sich die CO2-Konzentration in der Atmosphäre verdoppelt, steigt die Erdtemperatur um 2 bis 5 Grad Celsius. Aber der physikalische Grund, warum CO2 sich so verhält, blieb lange ein Rätsel—bis vor kurzem.
Die Ursprünge des logarithmischen Effekts
Im Jahr 2022 konnten Physiker eine lange bestehende Diskussion über den Ursprung des “logarithmischen Skalierens” des Treibhauseffekts beilegen. Der logarithmische Skalierungsfaktor besagt, dass die Erdtemperatur bei jeder Verdoppelung der CO2-Konzentration denselben Anstieg erfährt, unabhängig von der Ausgangskonzentration. Im Frühjahr dieses Jahres gelang es einem Team unter der Leitung von Forscher*innen der Harvard University zu verstehen, warum das CO2-Molekül überhaupt so gut Wärme einfängt. Sie entdeckten eine merkwürdige Eigenheit in der Quantenstruktur des Moleküls, die erklärt, warum es als so kraftvolles Treibhausgas wirkt—und warum die Emission zusätzlicher Mengen in die Atmosphäre den Klimawandel vorantreibt.
Ein Team von Forschenden brachte heraus, dass das sogenannte Fermi-Resonanz-Phänomen, benannt nach dem Physiker Enrico Fermi, entscheidend ist. Dieses Phänomen beschreibt, wie spezielle Kombinationen von Molekülbewegungen zustande kommen—insbesondere eine Bewegung, bei der die Kohlenstoffatome schwingen und sich dehnen. Diese Schwingungen mischen sich mit anderen Bewegungen des Moleküls und ermöglichen es ihm, eine breite Palette von Lichtwellenlängen zu absorbieren. Dies erklärt die Effizienz von CO2 beim Einfangen von Wärme und das vielfach beobachtete logarithmische Skalieren.
Das Paradox der frühen Physik
Wie konnte Arrhenius schon vor der Entdeckung der Quantenmechanik die Grundlagen des Treibhauseffekts verstehen? Der Ausgangspunkt war Joseph Fourier, ein französischer Mathematiker und Physiker, der vor 200 Jahren erkannte, dass die Erdatmosphäre den Planeten vor der Kälte des Weltraums isoliert. Diese Entdeckung legte den Grundstein für die Klimawissenschaft. Danach bemerkte die amerikanische Forscherin Eunice Foote 1856, dass Kohlendioxid besonders gut Strahlung absorbiert. Kurz darauf bewies der irische Physiker John Tyndall, wie viel Infrarotlicht CO2 absorbieren kann, und Arrhenius quantifizierte diesen Effekt basierend auf grundlegenden Kenntnissen über die Erde.
Doch nicht alle Zeitgenossen waren überzeugt. Der schwedische Physiker Knut Ångström veröffentlichte später eine Widerlegung und behauptete, dass CO2-Moleküle nur eine spezifische Wellenlänge von Infrarotstrahlung—15 Mikrometer—absorbieren. Er argumentierte, dass bereits genügend CO2 in der Atmosphäre vorhanden sei, um 100 Prozent der von der Erde emittierten 15-Mikrometer-Strahlung zu absorbieren, weshalb das Hinzufügen von mehr CO2 keinen zusätzlichen Effekt haben würde.
Was Ångström übersah, war, dass CO2 auch Wellenlängen leicht unter oder über 15 Mikron absorbieren kann, wenn auch weniger effizient. Diese Wellenlängen werden seltener auf ihrem Weg ins All eingefangen. Aber wenn sich die CO2-Menge verdoppelt, hat das Licht doppelt so viele Moleküle zu umgehen, bevor es entweicht, was bedeutet, dass es häufiger absorbiert wird. Das Licht gelangt von einer höheren, kälteren Atmosphärenschicht ins All, was den Abfluss von Wärme verlangsamt. Diese verstärkte Absorption der nahezu 15-Mikrometer-Wellenlängen ist verantwortlich für unsere veränderten Klimabedingungen.
Ein Schritt zurück zu den Grundlagen
In der modernen Klimaera hat sich die Wissenschaft durch zunehmend komplexe computergestützte Modelle weiterentwickelt, welche die zahlreichen chaotischen Aspekte unserer unbeständigen Atmosphäre einfangen. Für einige bleibt das Verständnis dieser Modelle jedoch schwer fassbar.
Ein zentraler Punkt war die Frage nach dem Ursprung des logarithmischen Skalierens des Treibhauseffekts—dem 2- bis 5-Grad-Temperaturanstieg, der für jede Verdoppelung von CO2 vorhergesagt wird. Eine Theorie besagte, dass dieses Skalieren von der Geschwindigkeit herrührt, mit der die Temperatur mit der Höhe abnimmt. Doch im Jahr 2022 zeigte ein Forscherteam mit einem einfachen Modell, dass das logarithmische Skalieren von der Form des Absorptionsspektrums des Kohlendioxids stammt—und nicht von der Temperaturverteilung.
Dieser Ansatz hat gezeigt, dass das präzise Absorptionsverhalten von CO2, das auf spezifische Wellenlängen jenseits der 15 Mikrometer reagieren kann, direkt auf quantenmechanische Phänomene zurückzuführen ist. Diese Entdeckung hilft, den Zusammenhang zwischen den Grundprinzipien der Quantenmechanik und den globalen Klimamodellen zu verstehen und stärkt die Argumente für die wissenschaftlichen Grundlagen des Klimawandels.
