Eine Einführung in die Verwendung von Einheiten zur Beschreibung von Zahlen bei der Beschreibung von Temperatur, Energie und Licht. Auch wenn Sie nicht vorhaben, selbst Berechnungen durchzuführen, wird Ihnen das Verständnis der Funktionsweise von Einheiten helfen, den restlichen Vorlesungen des Kurses zu folgen. Wenn Sie Ihre Analysefähigkeiten unter Verwendung von Einheiten für Berechnungen üben möchten, finden Sie im Teil II dieses Kurses einige Übungen.

Das Gleichgewicht des Energieflusses, d.h. des einfallenden Sonnenlichts und des ausgehenden Infrarots, ermöglicht es uns, unser erstes einfaches Klimamodell zu erstellen, das einen einfachen Treibhauseffekt beinhaltet. In Teil II dieses Kurses gibt es zwei erweiterte Übungen. Die eine ist ein analytisches (algebraisches) Modell der Gleichgewichtstemperatur eines Planeten, die andere ein numerisches Modell, wie sich diese Temperatur im Laufe der Zeit entwickeln könnte.

Das obige Schichtenmodell geht davon aus, dass die Glasscheibe, die die Atmosphäre darstellt, die gesamte Infrarotstrahlung, die auf sie trifft, absorbiert und in allen Infrarotwellenlängen abstrahlt. Mit anderen Worten: Die Atmosphäre des Schichtenmodells ist ein schwarzer Körper im Infrarotbereich, aber transparent im sichtbaren Bereich. In Wirklichkeit sind Treibhausgase überhaupt nicht "schwarz"; sie sind sehr wählerisch, welche Lichtfrequenzen sie absorbieren und emittieren. Diese selektive Absorption von Infrarotlicht durch Treibhausgase führt zu einem Bandsättigungseffekt, der seltene Spurengase wie Methan im Vergleich zu höher konzentrierten Gasen wie CO₂ überproportional stark macht.

Der Treibhauseffekt funktioniert, weil die Luft in der oberen Atmosphäre kälter ist als der Boden, so dass die Absorption und Wiederemission von Infrarotstrahlung durch Treibhausgase die Energiemenge, die den Planeten in den Weltraum verlässt, verringert. Hier erforschen wir die Physik, die dafür verantwortlich ist, dass die obere Atmosphäre kalt bleibt.

Eine weitere Eigenschaft der realen Welt, die in unserem Modell bisher fehlt, ist, dass die reale Welt nicht überall die gleiche Temperatur hat und dass sich die Wärmeströme in den und aus dem Weltraum nicht unbedingt zu jeder Zeit und an jedem Ort ausgleichen. Das liegt daran, dass die Winde in der Atmosphäre und die Strömungen im Ozean die Wärme im Allgemeinen von den heißen Tropen bis in die kalten hohen Breiten transportieren.

Rückkopplungen sind Ursache-Wirkungs-Schleifen, die entweder das Klima der Erde stabilisieren oder zukünftige Klimaveränderungen verstärken können. In Teil II dieses Kurses gibt es eine Übung, bei der Sie die Temperatur eines Planeten durch Iteration lösen und dabei eine außer Kontrolle geratene Eis-Albedo-Rückkopplung demonstrieren, die vor 700 Millionen Jahren zu dem Klimazustand der Schneeball-Erde geführt haben könnte.

Jetzt schalten wir einen großen Gang zurück - weg von der Klimaphysik (deren Hauptbestandteile Sie jetzt kennen) hin zum entstehenden Wunder, dem Kohlenstoffkreislauf auf der Erde. Kohlenstoff ist nicht nur das chemische Element des Lebens, sondern auch das Mittel, um die Energie des Lebens zu speichern. Wir werden uns ansehen, wie der Kohlenstoff durch das Land, die Ozeane und die tiefe Erde zirkuliert und dabei in die Atmosphäre ein- und aus ihr austritt - und wie dies das Klima der Erde stabilisiert.

Über den in fossilen Brennstoffen gebundenen Kohlenstoff und was passiert, wenn wir diese Brennstoffe verbrennen. In Teil II dieses Kurses können Sie ein einfaches, aber einigermaßen realistisches Modell der Temperaturentwicklung auf der Erde in den kommenden Jahrzehnten als Reaktion auf die Freisetzung von CO2 erstellen (oder bei einem plötzlichen Stopp der Emissionen in einem Szenario namens "Die Welt ohne uns").

Sie haben nun die Ideen gesehen, die hinter der Vorhersage eines menschlichen Einflusses auf das Klima der Erde stehen. Die nächste Frage ist: Passiert das heute? Es hat sich herausgestellt, dass der "rauchende Colt" für eine menschliche Beeinflussung des Klimas die Aufzeichnung der globalen Durchschnittstemperatur seit etwa den 1970er Jahren ist. Um diese Temperaturveränderung zu interpretieren, müssen wir sie im Zusammenhang mit den natürlichen Klimaveränderungen in der geologischen Vergangenheit der Erde betrachten.

In dieser Lektion konzentrieren wir uns auf die potenziellen Auswirkungen einer Fortsetzung der CO2-Emissionen in der bisherigen Form. Dies ist auch das Thema des Bandes der Arbeitsgruppe 2 der IPCC-Berichte (der Bericht der Arbeitsgruppe 1 befasst sich mit den wissenschaftlichen Grundlagen, mit denen wir uns in diesem Kurs bisher beschäftigt haben). Sie werden dieses Material vielleicht als beunruhigend empfinden, aber halten Sie durch, denn nächste Woche werden wir uns mit dem Thema "Mitigation" befassen, d.h. mit dem, was nötig ist, um den Klimawandel zu vermeiden (behandelt im Bericht der Arbeitsgruppe 3). Denken Sie daran, dass der meiste Kohlenstoff, um den wir uns Sorgen machen, noch im Boden steckt, so dass diese Auswirkungen nur dann unvermeidlich sind, wenn wir uns weiterhin dafür entscheiden, sie zu verursachen. In Teil II dieses Kurses können Sie selbst ein einfaches Eisschildmodell erstellen.

In der letzten Unterrichtseinheit befassen wir uns mit den Möglichkeiten, die Auswirkungen des Menschen auf das Klima der Erde zu vermeiden bzw. zu "mildern". Fazit: Ich denke, dass die Menschheit diese Herausforderung meistern könnte, wenn sie sich dazu entschließen würde. Wenn es hypothetisch keine Kohle mehr auf der Erde gäbe, wäre unser Potenzial, das Klima zu verändern, viel geringer. Die Suche nach Energiequellen in einer solchen Welt wäre keine existenzielle Bedrohung, sondern lediglich eine Geschäftsmöglichkeit. Der schwierige Teil ist meiner Meinung nach, diese Entscheidung zu treffen.