E4 Atmosphärische Wärmemaschine

Thema

Die Atmosphäre funktioniert wie eine Wärmekraftmaschine, die die Temperaturdifferenz zwischen einer heißen und einer kalten Quelle in mechanische Arbeit umwandelt: Die heiße Quelle sind die Tropen mit etwa 300 Kelvin, die kalte Quelle die Pole mit etwa 240 Kelvin. Die mechanische Arbeit, die diese atmosphärische Wärmekraftmaschine aus dieser Temperaturdifferenz erzeugt, besteht aus Winden, Zyklonen und atmosphärischen Wellen. Dieses thermodynamische Modell ist grundlegend für das Verständnis sowohl der Intensität der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation als auch ihrer Reaktion auf den Klimawandel.

Jede Wärmekraftmaschine, einschließlich der atmosphärischen, besitzt eine obere Wirkungsgradgrenze, die ausschließlich vom Verhältnis der Temperaturen des kalten und des heißen Reservoirs abhängt: Diese obere Wirkungsgradgrenze entspricht eins minus diesem Verhältnis. Je näher die Temperatur des kalten Reservoirs also an der Temperatur des heißen Reservoirs liegt – je geringer also die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Reservoirs ist –, desto niedriger ist die obere Wirkungsgradgrenze der atmosphärischen Wärmekraftmaschine. Der tatsächliche Wirkungsgrad der atmosphärischen Zirkulation liegt deutlich unter dieser oberen Wirkungsgradgrenze und erreicht kaum zwei Prozent, da viele Prozesse innerhalb der atmosphärischen Wärmekraftmaschine irreversibel sind und die Temperaturdifferenz zwischen den warmen und kalten Reservoirs nicht mit dem maximalen Wirkungsgrad, den die obere Wirkungsgradgrenze zulassen würde, in mechanische Arbeit umwandeln können.

Diese Irreversibilität der atmosphärischen Wärmekraftmaschine lässt sich durch eine Entropiebilanz erklären: Der Temperaturgradient zwischen den warmen und kalten Reservoirs, der die atmosphärische Wärmekraftmaschine antreibt, reduziert an sich die Entropie des Klimasystems, während die dissipativen Prozesse der atmosphärischen Wärmekraftmaschine – Reibung und die turbulente Kaskade, die große Wirbel in immer kleinere zerlegt – Entropie erzeugen. Im stationären Betrieb der atmosphärischen Wärmekraftmaschine entspricht die durch die dissipativen Prozesse erzeugte Entropie exakt der durch den Temperaturgradienten zwischen den warmen und kalten Reservoirs reduzierten Entropie. Genau diese Entropieerzeugung durch Dissipation verhindert, dass die atmosphärische Wärmekraftmaschine die zuvor beschriebene obere Wirkungsgradgrenze erreicht.

In einem sich erwärmenden Klima steigt die Temperatur des kalten Reservoirs schneller als die des warmen – ein Phänomen, das als polare Verstärkung bekannt ist. Dieser schnellere Temperaturanstieg im kalten Reservoir verringert den Temperaturgradienten zwischen den beiden Reservoirs. Da die maximale Effizienz der atmosphärischen Wärmekraftmaschine von eben diesem Temperaturgradienten abhängt, reduziert ein geringerer Temperaturgradient auch deren Effizienz. Eine weniger effiziente atmosphärische Wärmekraftmaschine erzeugt weniger mechanische Arbeit: Die allgemeine atmosphärische Zirkulation und der Jetstream der mittleren Breiten, zwei Mechanismen, durch die die atmosphärische Wärmekraftmaschine ihre Temperaturdifferenz in mechanische Arbeit umwandelt, schwächen sich ab. Diese Abschwächung der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation und des Jetstreams der mittleren Breiten, die auf dieselbe atmosphärische Wärmekraftmaschine und dieselben warmen und kalten Reservoirs zurückzuführen ist, mit denen diese Beschreibung begann, hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Wettermuster, die diese allgemeine Zirkulation und diese Jetstreams letztendlich erzeugen.

ID:668