Was
beeinflusst die Erdtemperatur wirklich?
Eine
kritische Betrachtung der CO2-Theorie
Gerhard Stehlik
In zahlreichen Veröffentlichungen wird behauptet, dass die seit
150 Jahren nachweisbare Erhöhung der Globaltemperatur der Erdoberfläche, die
sich auch im Rückgang der Gletscher zeigt, überwiegend durch das vom Menschen
seit Beginn der Industrialisierung verstärkt emittierte Kohlendioxid (CO2)
verursacht wurde. Der seit 1900 nachgewiesene Anstieg des CO2-Gehaltes
der Atmosphäre von 0,029% auf 0,037% und der Anstieg weiterer „Treibhausgase“,
vor allem Methan, sei für den Anstieg der Globaltemperatur um 0,6°C
verantwortlich. Für die Zukunft werden Szenarien entworfen, nach denen der
Mensch bei fortgesetzter Emission von Treibhausgasen die Globaltemperatur in
den nächsten Jahrzehnten um mehrere Grade steigern würde.
Zweifel an der CO2-Theorie ergeben sich aus der
Tatsache, dass die Temperatur seit 100 Jahren nicht parallel zum
kontinuierlichen CO2-Anstieg erfolgte, sondern dass z.B. von 1941
bis 1978 eine Abkühlung erfolgte (s. KORONA 100, S. 36/37). Außerdem gab es
seit Ende der letzten Eiszeit mehrfach Warmphasen, in denen die
Globaltemperatur z.T. höher lag als heute, unterbrochen von ausgesprochenen
Kaltphasen wie z.B. der „Kleinen Eiszeit“ von 1500 bis 1850:
- Im Hochmittelalter waren die südlichen Küsten Grönlands so
weit eisfrei, dass die Wikinger dort Landwirtschaft betreiben konnten (Grönland
= Grünland).
- Zur Römerzeit lag die Baumgrenze in den Alpen viel höher als
heute und Gletscher existierten nur oberhalb 3000 m.
- Vor 7000 Jahren waren die Alpen fast völlig eisfrei (s.
KORONA 100, S. 34).
Als Ursachen solcher Klimaänderungen sind periodische
Änderungen der Erdbahnparameter sowie Änderungen der Strahlungsaktivität der
Sonne (Sonnenfleckenzyklen) und infolgedessen Wechsel in der Intensität der
Sonnenstrahlung auf der Erde seit mindestens 1970 bekannt (s. KORONA 100, S.
22-28).
Zweifel an der CO2-Theorie der aktuellen Erwärmung
ergeben sich aber auch aus physiko-chemischen Überlegungen. Diese werden im
folgenden Beitrag vorgestellt. Der Autor ist Physikochemiker und beschäftigt
sich seit 2002 intensiv mit dieser Problematik.
CO2 und der Aufruf von DPG und DMG im Jahr 1987
Einzelne Wissenschaftler (Tyndall, Arrhenius, Budyko,
Kondratyew) und Organisationen (NASA) haben sich schon früher mit den
Spurengasen und deren Bedeutung für den Energiehaushalt der Atmosphäre
beschäftigt. 1987 veröffentlichte die „Deutsche Physikalische Gesellschaft
(DPG)“ gemeinsam mit der „Deutschen Meteorologischen Gesellschaft“ (DMG) einen
Aufruf (1) zum Weltklima. Der entscheidende Satz in diesem Aufruf steht unter
der Überschrift „Wissenschaftliche Aussage“ und lautet:
"Wasserdampf und Kohlendioxid in der Atmosphäre haben eine
entscheidende Wirkung auf das Klima: ohne diese Spurengase würde aufgrund der
Strahlungsbilanz zwischen Einstrahlung von der Sonne und Abstrahlung von der
Erde die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche etwa –18°C betragen.“
Diese „Wissenschaftliche Aussage“ zweier hoch angesehener
wissenschaftlicher Gesellschaften war in Deutschland der Beginn der
Klimapolitik. Sie hat auch die Weichen der Klimawissenschaft in entsprechende
Bahnen gelenkt. Der Aufruf wurde in 2500 Exemplaren gedruckt und an Politiker,
Journalisten, Vertreter der Wirtschaft sowie an die Mitglieder der DMG
verschickt.
DPG und DMG nennen in dem Aufruf die Namen der Autoren. Die
„Wissenschaftliche Aussage“ wird aber nicht mit Literaturhinweisen belegt. Das
Modell, mit welchem die Erdoberflächentemperatur von –18°C berechnet wurde,
wird nicht beschrieben. Einer der Autoren, Professor Schönwiese, veröffentliche
aber Lehrbücher der Klimatologie geschrieben, in denen die Berechnung der
Temperatur von –18°C beschrieben ist.
Beim Lesen des dreiseitigen Textes stellt man fest, dass es sich
hier nicht um eine physikalische und damit naturwissenschaftliche, sondern um
eine energiepolitische Aussage handelt. Und tatsächlich wird in der Einleitung
des Aufrufes erklärt, dass dieser vom „Arbeitskreis Energie“ der DPG erarbeitet
wurde. Er befasst sich wissenschaftlich nicht mit Umweltphysik, Thermodynamik
(„Wärmelehre“) oder Optik.
Das Modell der Erde geht von einer völlig abstrakten
mathematischen Kugeloberfläche aus. Wolken, Eisflächen, Verteilung von Land und
Meer, Relief und Vegetation werden nicht berücksichtigt.
Für einen Physiker muss das nicht schlimm sein. Für ihn wiegt
schwerer, dass dabei nur ein einfaches Strahlungsbilanzmodell zum Tragen kommt
und das hierfür entscheidende Teilgebiet der Physik, die Thermodynamik, einfach
übergangen wurde. Dabei dient gerade die „Wärmelehre“ dazu, Temperaturen aus
Energiebilanzen zu berechnen. Zentrale Begriffe der Thermodynamik wie
Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität spielen in diesem Modell keine Rolle.
Juristisch betrachtet, haben DPG und DMG damit nichts Unwahres gesagt. Sie
haben nur wesentliche Elemente zur Wahrheitsfindung nicht behandelt. Materie,
die sich so verhält, wie die in diesem Modell beschriebene mathematische Kugel,
gibt es nicht.
Weiter unten wird gezeigt, wie sich Kugeln aus Materie ganz
anders verhalten als diese mathematische Kugel. Zu diesem Zweck werden Kugeln
aus drei verschiedenen Gasatmosphären betrachtet: eine Kugel aus Luft ohne
Spurengase, eine nur aus Kohlendioxid und eine nur aus Wasserdampf.
Für einen Meteorologen ist es nicht akzeptabel, dass in einem
solchen Modell zur Temperaturberechnung auf die Behandlung der für
Planetenatmosphären typischen Schichten („Sphären“) verzichtet wird, die nach
den Temperaturen dieser Schichten klassifiziert werden. (vgl. Bergmann-Schaefer,
Lehrbuch der Experimentalphysik, Band VII: „Erde und Planeten“, Berlin, 2001,
S. 605)
Eine ausführlichere und aktuellere Fassung der oben zitierten
„Wissenschaftlichen Aussage“ von DPG und DMG von 1987 befindet sich auf der
Internetseite des Max-Planck-Instituts für Meteorologie in Hamburg. Auch dort
werden die –18°C angegeben, ohne dass die mathematische Gleichung der
Berechnung genannt wird. Im Gegensatz zum Aufruf von 1987 wird dort ausgeführt,
dass die Berechnung für eine Erde ohne Atmosphäre gilt. Auch das ist – wie oben
bereits gesagt- nicht unwahr, sagt aber nicht, dass die Berechnung mit einer
mathematischen Kugel – aber nicht mit der Erdkugel – erfolgt. (2)
Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung formuliert
die Aussage auf seiner Internetseite wie folgt: "Das Stefan Boltzmann’sche
Gesetz sagt aus, dass sich die Erde damit auf -18°C erwärmt.“ (3) Diese Aussage
soll so nicht zitiert werden und bedarf des Kommentars: „Dies ist die
Gleichgewichtstemperatur für die Erde als "schwarzer Körper" (gute
Näherung im Infrarotbereich) OHNE Treibhauseffekt.“ (4)
Bemerkenswert ist auch die folgende Erklärung des natürlichen
Treibhauseffektes, die der Dissertation 2002 von Steffen Frey im Fachbereich
Physik der FU Berlin entnommen ist. (5) Hier wird nicht die Wärmestrahlung der
Erde absorbiert, sondern das von der Sonne am Erdboden reflektierte Licht. Das
zeigt, wie breit die Möglichkeiten der Interpretation sind und wie wenig
präzise verstanden wird, was der Treibhauseffekt wirklich sein könnte:
„Obwohl der größte Teil der Strahlung an der Erdoberfläche
absorbiert wird, ist ihre Reflektivität doch zu hoch, um die mittlere
Oberflächentemperatur der Erde von 15 °C zu erklären. Ein Teil des
reflektierten Lichts muss also diesen Beitrag leisten, indem es auf dem Rückweg
in Richtung Weltall doch noch absorbiert oder wieder zurückgestreut wird. So
entsteht der natürliche Treibhauseffekt, dem wir die Anhebung der
Durchschnittstemperatur der Erdoberfläche von ca. -30 °C auf angenehme 15 °C zu
verdanken haben.“
Auch die aktuelle Stellungnahme der DMG (6) aus der Feder von
Herrn Professor Herbert Fischer, Forschungszentrum Karlsruhe und derzeitigem
Vorsitzenden der DMG, verwendet keine Begriffe aus der Thermodynamik. Das Fazit
lässt viel Raum für Interpretationen in die eine oder andere Richtung:
„Es ist wissenschaftlich eindeutig nachgewiesen, dass sich die
Strahlungsflüsse im System Erde/Atmosphäre durch die Zunahme der
klimarelevanten Spurengase verändern. Ohne Berücksichtigung der Rückkopplung
mit dem komplexen Klimasystem würde dies mit Sicherheit zu einer Erwärmung der
Erdoberfläche und der Troposphäre führen. Die eigentliche, wissenschaftlich
herausfordernde Debatte beschäftigt sich mit der Frage, inwieweit die
verschiedenen Rückkopplungsprozesse die strahlungsbedingte Erwärmung verstärken
oder dämpfen.“
Nun beginnt die kritische Analyse dieser Aussagen, welche am
Ende zu der Feststellung kommt, dass von einem natürlichen Treibhauseffekt
nicht mehr gesprochen werden sollte und statt dessen ganz allgemein von einem
Effekt normaler Materie. Den Wissenschaftler, die in der Vergangenheit von
einem natürlichen Treibhauseffekt gesprochen haben bleibt unbestritten das
große Verdienst, erstmals sehr konkret darüber nachgedacht zu haben, ob die
Bevölkerungsexplosion und der Massenkonsum zu globalen Veränderungen des Klimas
auf der Erde führen kann.
Beispiel Luft
Im DPG / DMG-Modell absorbiert die Kugeloberfläche
Sonnenstrahlung und emittiert Wärmestrahlung. Daraus wird die Temperatur der
Kugeloberfläche berechnet.
Luft – genauer gesagt 97 % ihrer Hauptbestandteile – verhält
sich anders als dieses Modell. Stickstoff und Argon absorbieren weder
Sonnenlicht (7), noch strahlen sie Wärme aus (8). O2 absorbiert nur fernstes
UV-Licht der Sonne vollständig und hat auch im Sichtbaren eine schwache
Absorptionsbande. Deshalb kann mit Hilfe des DPG / DMG-Modells die
meteorologische Temperatur nicht berechnet werden. Sie wird in Luft in 2 m Höhe
über dem Boden in von der WMO genormten Wetterhütten gemessen.
Beispiel Wasserdampf
Betrachten wir die noch verbleibenden maximal 2 % „Spurengase“
der Luft: Wasserdampf (0,1 – 2% in Meeresspiegelhöhe, 0% in 12 km Höhe) und
Kohlendioxid (0,037% in Meeresspiegelhöhe). Wäre das Strahlungsbilanzmodell
beim Wasserdampf anwendbar?
Wasserdampf besitzt beide Strahlungseigenschaften: Er kann
Sonnenlicht absorbieren und Wärme abstrahlen. Er absorbiert aber nicht
sichtbares Sonnenlicht, sondern nur das viel schwächere unsichtbare
Infrarotlicht der Sonne, und er sendet seine Wärmestrahlung nicht homogen aus
wie ein „Schwarzer Strahler“, sondern in sogenannten „Banden“. (Frequenzbändern
analog den Rundfunkkanälen.) Anders als trockene Luft absorbiert feuchte Luft
Sonnenstrahlung und emittiert Wärmestrahlung. Aus der Bilanz kann eine Temperatur
berechnet werden. Das Rechenergebnis ist aber nicht –18°C. Die Luftfeuchtigkeit
schwankt extrem (0,1 – 2% abs. Feuchte in g/m3) und damit schwanken auch die
daraus berechneten Temperaturen. Sie wären „klimapolitisch“ und
„klimawissenschaftlich“ wertlos.
Beispiel Kohlendioxid (CO2)
Bleibt als Drittes die Betrachtung des Kohlendioxids, um das es
im Kern eigentlich geht. Kohlendioxid kann wie die Hauptbestandteile der Luft
fast kein Sonnenlicht absorbieren. Die C=O-Valenzschwingung des CO2
kann nur sehr fernes und sehr schwaches Infrarotlicht der Sonne absorbieren.
Diese Bande bei ca. 2200 cm-1 strahlt auch Wärmestrahlung aus. Ihre
Bilanz ist entweder minimal positiv oder negativ. Spektroskopiker können
berechen, bei welchen Temperaturen Absorption oder Emission überwiegt. Es kann
die Strahlung der Sonne nicht direkt zur Erwärmung der Luft nutzen. Es verhält
sich hier so wie die Hauptbestandteile der Luft: Sauerstoff, Stickstoff, Argon.
Kohlendioxid kann aber wie Wasserdampf Wärme abstrahlen. Bestünde die mathematische Kugel
des DPG / DMG Modells aus Kohlendioxid, könnte sie sich - bestrahlt von der
Sonne – nicht erwärmen. Wäre sie schon warm, kühlte sie sich bis auf
Weltraumkälte von ca. –270°C ab, indem die Schwingungsbanden des Kohlendioxids
ihre Energie in das kalte Weltall abstrahlten. Wissenschaftlich exakt
passiert das nicht, weil CO2 bei ca. –70°C zu einem Feststoff
kondensiert. Der CO2 Feststoff kann im Gegensatz zum CO2-Gas
Sonnenstrahlung wegen der Schwingungsmöglichkeiten des Kristallgitters viel
besser absorbieren.
Fazit
Das Gesamturteil über die angebliche wissenschaftliche Aussage
in diesem Aufruf lautet: Die Physik der Luft (in 2 m Höhe über dem Boden) wird
vollständig unterschlagen, das Strahlungsbilanzmodell ist bei den
Hauptbestandteilen der Luft weder bei Absorption, noch bei Emission anwendbar
und beim Kohlendioxid nur bei der Emission. Beim Wasserdampf bzw. feuchter Luft
liefert es nicht das Ergebnis einer Erwärmung vom –18° auf +15°C. Kohlendioxid
könnte - in dieses Strahlungsbilanzmodell als Gaswolke eingesetzt - nur kühlen,
aber niemals erwärmen.
Warum wurde die Physik auf CO2
fokussiert?
Die Politiker und Journalisten wurden damals von DPG / DMG
nicht über die Schlichtheit des angewandten Modells in Kenntnis gesetzt. Und so
ist das bis heute geblieben. Wie konnte in einer aufgeklärten und freien
Gesellschaft etwas geschehen, was an das Märchen „Des Kaisers neue Kleider“ von
Hans Christian Andersen erinnert? (9)
Der Universitätscampus der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität
in Frankfurt Bockenheim kann als die „Gebärmutter der grünen Bewegung“ in der
Bundesrepublik Deutschland in den 80er Jahren des vorigen Jahrhunderts
betrachtet werden. Die beiden damals führenden Persönlichkeiten der DMG, die
Professoren Dr. H.-W. Georgii, von 1981 bis 1983 Vorsitzender der DMG, und Dr.
C.-D. Schönwiese, von 1985 bis 1987 Vorsitzender der DMG (10), hatten ihr
„Institut für Meteorologie und Geophysik“ in der Mitte dieses Campus. Beide
haben, um nur ein Beispiel zu nennen, 1999 das „Manifest zur Minderung des
anthropogenen Treibhauseffektes durch die Wald- und Holzoption“
mitunterzeichnet. (11) Durch sie fanden Themen wie Überbevölkerung,
Ressourcenverbrauch und Umweltzerstörung durch den Menschen zurecht Eingang in
die meteorologischen Lehrbücher und in das Bewusstsein der Studierenden. (12)
Die Hypothese der Treibhausgaswirkung fördert die Durchsetzung einer Politik
der Schonung der fossilen Brennstoffvorräte. Diese Schonung der Vorräte ist
sinnvoll, weil fossile Rohstoffe jetzt und in Zukunft vor allem für die
Synthese vieler chemischer Verbindungen (Kunststoffe, Medikamente u.a.)
benötigt werden. Bei
dieser Politik wird aber häufig nach dem Prinzip verfahren: Der gute Zweck ist
wichtiger als die Richtigkeit der verwendeten Mittel.
Der „Arbeitskreis Energie“ der DPG stand damals wie heute unter
dem Einfluss der Kernphysiker. (13) Diese hatten 1986 die Katastrophe in
Tschernobyl zu verkraften und wollten mit ihrer Initiative contra Kohlendioxid
die Kernenergie wieder ins Spiel bringen. Diese Rechnung ist nicht aufgegangen,
weil sich die ökologische Bewegung nicht auf das Spiel einließ.
Die Qualität des physikalischen Modells der Erde, vor allem der
Atmosphäre, zur Berechnung der globalen mittleren meteorologischen Temperatur
ist entscheidend dafür, ob die Temperaturberechnung der Physiker exakt ist oder
nicht. Bei der Abweichung von berechneter (-18°C) zu gemessener Temperatur
(+15°C) ist es in der Physik üblich, das Modell schrittweise zu verbessern, bis
Rechenergebnis und Messwert befriedigend übereinstimmen.
DPG und DMG erklären nicht, warum hier anders vorgegangen wurde
und warum die gesamte Differenz von 33°C lediglich mit den Spurengasen und dem
„Treibhausgaseffekt“ erklärt wird.
Was folgt aus der Fokussierung auf CO2?
Dieser Aufruf und seine weltweite Verbreitung, zu der dann auch
die NASA sehr erfolgreich beigetragen hat, führte zur Entwicklung der heutigen
Klimamodelle und den mit Supercomputern ausgestatteten Klimarechenzentren.
Deshalb gehen die vier nationalen Klimarechenzentren in USA, England,
Deutschland und Japan alle gemeinsam davon aus, dass die derzeit zu
beobachtende Klimaerwärmung hauptsächlich vom Kohlendioxid verursacht wird,
welches die Menschheit freisetzt. (14) Das physikalische Modell dieser Temperaturberechnung ist
aber so unangemessen, dass die gesamte Treibhausgashypothese überbewertet sein
könnte oder sogar so falsch sein könnte, dass die CO2 - Zunahme die
Atmosphäre nicht erwärmte, sondern sogar kühlte.
Dieser „provozierende Gedanke“ ist nicht so abwegig, wie es
scheint. Schließlich ist unbestritten und experimentell nachgewiesen, auch
theoretisch begründet, dass ein Teil der Atmosphäre wegen der CO2
Zunahme kälter geworden ist, nämlich der weltraumnahe Teil, von dem aus CO2
seine Schwingungsenergie ins Weltall ausstrahlt. Doch dazu später mehr.
Und noch eine allgemeine Aussage, bevor die Details behandelt
werden: Dieses schlichte Modell ist ganzheitlich für das System Sonne – Weltall
–Erde völlig richtig. Das gilt nicht für die exakten Zahlenwerte von Albedo
(30%) und die daraus berechnete „Erdtemperatur“ (-18°C), sondern für den
Grundsatz, dass aus der Strahlungsbilanz eine „Erdtemperatur“ berechnet werden
kann. Es ist aber nicht in der Lage, irgendeine auch nur vage Aussage zu
machen, über die geometrische Höhe bei der diese „Erdtemperatur“ auftreten
soll. Das ist der entscheidende Mangel an diesem Modell. Weitere Mängel werden
bei der Behandlung der Details beschrieben (Bandenstrahler statt „Schwarzer
Strahler“, Thermodynamik der Atmosphäre, Transparenz des Wassers, Faktor Zeit)
Einfache Modelle: Faszination und
Mängel
Das Faszinierende an diesem Modell ist, das es so unglaublich
einfach ist. Jedermann versteht es und kann die Berechnung der –18°C ganz
leicht selbst nachvollziehen. Abbildung 1 und 2 zeigen die zwei Elemente des
Modells. Der Rechengang ist in Tabelle 1 dargestellt. Das alles ist auch im
Grundsatz richtig. Daher ist verständlich, dass es von vielen unkritisch
akzeptiert und verallgemeinert in viele Lehrbücher übernommen wurde. Es ist wie
damals bei dem jedermann völlig verständlichen geozentrischen Weltbild von
Aristoteles und Ptolemäus (15) mit der Erde als Mittelpunkt, über dem die Sonne
im Osten auf und im Westen untergeht. Dazu passte die Bewegung fast des
gesamten Sternenhimmels. Erst die Rechengenauigkeit des Kopernikus bei den
Planetenbahnen führte zum Siegeszug des heliozentrischen und richtigen
Weltbildes.
Die Wahrheit liefert die kritische
Analyse
Das Richtige an dem Modell ist: Überall rund um den ganzen
Globus existieren geometrische Orte, gleichsam eine imaginären Hülle der Erde,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass dort die Strahlungsbilanz mathematisch
exakt Null ist. Das Modell ist aber nicht geeignet, die geometrischen Orte
diese Hülle zu berechnen.
Überall auf der Erde gibt es eine Höhe über, nahe bei oder
unter der Erdoberfläche mit einer Temperatur von –18°C. Diese –18°C Hülle liegt
in Polnähe in Meeresspiegelhöhe und steigt bis zum Äquator auf über 6000 m Höhe
an. Liegen die Oberflächentemperaturen unter –18°C (Sibirien), befindet sich die
–18°C Hülle entsprechend tief im Boden.
Hoch in der Atmosphäre könnte die –18°C Hülle mit der Hülle
ausgeglichener Strahlungsbilanz zusammenfallen. Liegt die –18°C Hülle aber
unter der Oberfläche, strahlt dort keine Sonne hin. Wärmestrahlung ist aber auch
bei –18°C vorhanden. Die Strahlungsbilanz ist nicht ausgeglichen. Damit ist
gezeigt, dass die –18°C Hülle unter der Erde nicht die Hülle ausgeglichener
Strahlungsbilanz ist.
Diese –18°C Hülle hat nicht die geometrische Form einer Kugel.
Welche geometrische Form die Hülle ausgeglichener Strahlungsbilanz hat, ist
unbekannt.
Wo endet die Sonnenstrahlung?
Die reale Erde hat keine kugelförmige Oberfläche als
geometrischen Ort, an welchem die Sonnenstrahlung endet. Der harte Teil der UV
Strahlung der Sonne endet schon ganz oben fast noch im Weltraum, sobald diese
UV Strahlen das erste zweiatomige Sauerstoffmolekül (O2 = O-O)
richtig treffen. O2–Moleküle spalten in Sauerstoffatome O. Diese
bilden mit anderen Sauerstoffmolekülen Ozon: O2 + O = O3.
Ozon (O3) ist ein unstabiles Molekül aus drei Sauerstoffatomen, das
aus einem dreigliedrigen Ring besteht. Dieser Dreiring absorbiert dann den
weichen Teil der UV-Strahlung und zerstört sich dadurch meist sofort wieder.
In dieser Art setzt sich die Kette der Absorptionsverluste der
Sonnenstrahlung über die ganze Höhe der Atmosphäre fort. Zugegeben, am festen
Boden endet viel, mehr noch endet aber erst unter Wasser. Die tiefsten Stellen
der Erde, an welchen das Sonnenlicht endgültig verschwunden ist, liegen im
klaren Wasser tropischer Meere in mehrere hundert Meter Tiefe. Dorthin gelangt
der blau-grüne Teil des Sonnenlichts. Aber auch in sehr klarem Wasser werden
80% des einfallenden Lichtes in den obersten 10 Metern absorbiert.
Wo beginnt die Wärmestrahlung, die in
den Weltraum entweicht?
Es gibt auch keine kugelförmige Oberfläche auf der Erde, von
der alle Wärmestrahlung ausgeht, welche von der Erde ins Weltall hinaus
gestrahlt wird. Wärmestrahlung bestimmter „Farbe“ (Frequenzkanäle) kommt vom
Erdboden, von den Wolken, von Wasseroberflächen, auch von Eis und zu guter
Letzt von den Spurengasen Wasserdampf und Kohlendioxid der Atmosphäre.
Wie kommt das falsche Ergebnis
zustande?
Strahlungsflüsse im Weltall können nur deshalb entsprechend dem
DPG / DMG Modell gesamtenergetisch bilanziert werden, weil oberhalb der
Atmosphäre im „freien“ Weltall fast keine Materie vorhanden ist. Ein an Materie
gebundener Energietransport findet dort praktisch nicht statt. Die Strahlung im
Weltraum läuft auch nicht durch Materie hindurch, bei der Strahlung durch
Absorption in Wärme umgewandelt wird,
Die im Langzeitmittel positive Strahlungsbilanz, die vom Boden
zur Luft gerichtet ist und die Luft nicht ständig wärmer macht, beweist, dass
die globale mittlere Temperatur der Luft nicht allein aus der Strahlungsbilanz
berechnet werden kann. Es ist ein Lehrsatz der Thermodynamik: Finden
Strahlungsprozesse im Innern von Materie statt, wie in Luft oder Wasser, ist es
unmöglich, die Temperatur der Materie aus der Strahlungsbilanz zu berechnen.
Konkret heißt das: Mit dem DPG / DMG Strahlungsbilanzmodell
kann die mittlere globale Temperatur der Luft in 2 m Höhe über der
Erdoberfläche nicht berechnet werden und auch nicht näherungsweise abgeschätzt
werden, weil dazu die gesamte Energiebilanz erforderlich ist. Dazu trägt der an
Materie gebundene Energiefluss den größeren Teil bei und die Strahlungsbilanz
ist nicht maßgeblich.
Ein Fehler kommt selten allein.
Die Kritik an der „Wissenschaftlichen Aussage“ von DPG und DMG
ist damit noch nicht erschöpft: Alle möglichen Fehler des Modells werden durch
den Fehler der „Treibhausgaswirkung der Spurengase“ kompensiert. Bei der
Öffentlichkeit und bei den Mitgliedern beider Gesellschaften wird so der
Eindruck erweckt: Die „Wissenschaftliche Aussage“ sei richtig und eine
Tatsache.
In Wahrheit wird an diesen beiden Gasen der Fehler zu 100%
wiederholt, der schon vorher an der Erde als Ganzes gemacht wurde. Beide Fehler
heben sich daher gegenseitig auf.
Konkret bedeutet das: Die Spurengasmoleküle werden wie vorher
die Erde als mathematische Kugeln behandelt, die auch wiederum nur Strahlung
absorbieren und Strahlung emittieren können, obwohl diese Moleküle – genau wie
Erde und Atmosphäre auch - energetisch sehr viel mehr können, weil sie ja auch
nicht aus materiefreiem Raum bestehen. Sie können genau so wie die Luft als
Ganzes, aufgenommene Strahlung in Wärme und Wärme in potentielle Energie der
Höhe umwandeln und damit Energie transportieren. Nur der Transport der
Gesamtenergie und nicht der Teiltransport durch Strahlung, ist für den
Wärmeinhalt der Materie und für ihre Temperatur relevant.
Zwei Fehler – trotzdem
ein richtiges Ergebnis?
Ganz einfach in der Sprache der Mathematik ausgedrückt: DPG und
DMG haben den ersten Rechenfehler von -33°C, der im Strahlungsbilanzmodell
durch das Weglassen des materiegebundenen Energietransportes entstanden ist,
durch den gleichen Fehler um +33°C korrigiert. Dazu wird der „natürliche
Treibhausgaseffekt“ eingeführt. Bei der Berechnung des Treibhausgaseffektes der Moleküle H2O
und CO2 wird wieder der gleiche Fehler gemacht wie vorher bei der
Erde. Es wird wieder nur das Strahlungsverhalten und nicht das Gesamtverhalten
dieser Moleküle betrachtet.
Die beiden Fehler haben die gleiche Qualität, sind aber
entgegen gerichtet und heben sich gegenseitig auf. Beide bestehen darin, dass
Strahlung und Temperatur in der einfachen mathematischen Gleichung des
Stefan-Boltzmann-Gesetzes miteinander verknüpft werden. Die einfachen Aussagen,
messe ich die Strahlung, kann ich daraus exakt die Temperatur berechnen und
umgekehrt, messe ich die Temperatur, kann ich daraus exakt die Strahlung
berechnen, haben nicht die erforderliche Präzision und Richtigkeit.
Ein Beispiel aus einem anderen Bereich
Auch die Quantenphysik der Moleküle lehrt uns, dass die
Absorption von Strahlung durch Materie nicht zu einem Temperaturanstieg führen
muss und dass die Temperatur der absorbierenden Materie nicht aus der
absorbierten Energiemenge berechnet werden kann. Quantenphysik ist nicht
jedermanns Sache. Einfacher ist es, die beiden Fehler an einem Alltagsbeispiel
zu veranschaulichen.
Photozellen aus Silizium wandeln Sonnenlicht in elektrischen
Strom um. Sie haben heute noch einen schlechten Wirkungsgrad von nur 15%, sind
schwarz und absorbieren Sonnenlicht zu 100%. Die absorbierte Strahlung erhöht
die Temperatur nicht so, wie es mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz zu berechnen
wäre, weil 15% des absorbierten Sonnenlichts statt in Wärme, in elektrischen
Strom umgewandelt werden. Die Ausbeute an elektrischem Strom kann aus dem
Stefan-Boltzmann-Gesetz nicht berechnet werden.
Lieferten ideale Photozellen in der Zukunft zu 100%
elektrischen Strom, blieben sie nahezu kalt und absorbierten dennoch 100% der
Sonnenstrahlung. Deutlicher kann nicht gezeigt werden, welche Fehler möglich
sind, wenn Strahlungsabsorption und umgekehrt Strahlungsemission in einer
einfachen mathematischen Gleichung in Temperaturwerte umgerechnet werden.
Was sagt die Thermodynamik zum CO2-Effekt?
Allgemeines
Unstreitig
ist, dass 97% der Atmosphäre, also Stickstoff und Sauerstoff, nicht in der Lage
sind, Wärmestrahlung an das Weltall abzugeben und somit zur Abgabe von Energie
aus der Atmosphäre ins Weltall nichts beitragen. (8) Nur die Spurengase
Wasserdampf (0,1 - 2%) und Kohlendioxid (0,037%) geben Energie in Form von
Wärmestrahlung an eine kältere Umgebung wie das Weltall ab und nehmen umgekehrt
von einer wärmeren Umgebung Wärmestrahlung auf. Beim Abgeben von Wärmestrahlung
können sie theoretisch kälter, beim Aufnehmen wärmer werden. Weiter unten wird
gezeigt, dass bei Emission und Absorption von Strahlung in einem „lokalen
thermischen Gleichgewicht“ keine Temperaturänderung auftritt. Die „Physik der
Atmosphäre“ kennt nicht nur das „Stefan-Boltzmann-Gesetz“, sondern ist viel
komplexer.
Hauptsächlich tauschen Erdoberfläche und Atmosphäre Wärme durch
"Körperkontakt" aus, also durch 'mikrokosmische" Übertragung
kinetischer Wärmeenergie durch Stöße zwischen den Hauptbestandteilen der Luft
("Gasmolekülen") und mikrokosmischen Strukturelementen kondensierter
Materie ("Kristallgitter" fester Materie und "Wassermolekül -
Clustern") aus. Die gleichzeitige Übertragung von Wärme durch
Wärmestrahlung ist von untergeordneter Bedeutung.
Die Lufthülle der Erde befindet sich zwischen der
Erdoberfläche, welche von der Sonne erwärmt wird, und dem rund –270°C kalten
Weltall. Daraus folgt, dass im durchschnittlichen Tagesmittel bzw. im
Jahresmittel so andauernd, wie die Sonne strahlt und die Erde sich dreht,
Energie vom warmen Boden durch die Luft in den Weltraum fließt.
Lediglich im Tag-Nacht-Rhythmus ist der Energiefluss nicht
immer von unten nach oben gerichtet, sondern in der Nacht, wenn die Sonne nicht
mehr scheint, kann sich die Richtung eine Zeitlang umkehren. In dieser Zeit ist
die bodennahe Luft wärmer als die Erdoberfläche.
Zum Abschluss dieses allgemeinen Teils noch etwas sehr
Wichtiges: Energietransport durch Strahlung erfolgt extrem schnell mit
Lichtgeschwindigkeit – auch wenn diese Strahlung nicht durchs Weltall läuft,
sondern durch transparente Materie wie Wasser oder Luft. (Alltagserfahrung beim
Einschalten einer Infrarotlampe.) An Materie gebundener Energietransport
erfolgt viel langsamer. Am langsamsten ist der an unbewegliche Materie
gebundene Energietransport in Festkörpern. (Einschalten eines Bügeleisens.) Der
Energietransport in beweglicher Materie wie Wasser oder Luft ist dagegen
deutlich schneller (Konvektion), aber trotzdem unvergleichlich langsamer als
der Transport durch Strahlung. Aber Vorsicht, die Transportgeschwindigkeit hat
nichts zu tun mit der Transportkapazität pro Zeiteinheit. (Vergleiche Porsche
und LKW.)
Die Energietransportkapazität vom Boden
über die Luft ins Weltall
Betrachten wir den Energietransport durch die Atmosphäre
genauer: Die untere Luftschicht wird tagsüber, unmittelbar über dem Erdboden,
durch direkte Berührung (physikalisch ausgedrückt durch Wärmeleitung) erwärmt.
Die Luft transportiert die aufgenommene Wärme als frei bewegliches Gas ganz
besonders schnell durch Wärmekonvektion in die Höhe. (Thermik der
Segelflugzeuge.) Zusätzlich wird der mittlere Bereich der Atmosphäre in Höhe
der Wolken tags und nachts ganz beträchtlich erwärmt durch die
Kondensationswärme, die bei der Bildung der Wolken frei wird.
Darüber hinaus kühlt sich der Boden auch noch dadurch ab, dass
er einen Teil seiner Energie als Wärmestrahlung aussendet. Ein Teil dieser
Wärmestrahlung verschwindet direkt im Weltraum. Der andere Teil wird von den
Spurengasen der Luft und den Wolken absorbiert. Die Bedeutung der Spurengase
und der Wolken wird später noch genauer betrachtet.
Die Energie, die durch die Luft nach oben transportiert wird,
stammt aus dem Boden¸ ausgenommen ein kleiner Teil der Sonnenstrahlung, der vom
Luftsauerstoff (UV-Licht zur Ozonbildung), vom Ozon und vom Wasserdampf
absorbiert wird. Bei noch genauerer Betrachtung absorbiert sogar Kohlendioxid
u.a. mit der C=O Valenzbande bei 2200 cm-1 noch etwas Sonnenlicht.. Der
Transport verhindert, dass der Boden durch die Sonne übermäßig aufgeheizt wird.
Nachts kühlt sich die untere und mittlere Atmosphäre durch Wärmeleitung und
Konvektion auch wieder ab. So schützt sie den Erdboden auch gegen rasche
nächtliche Auskühlung.
Wir wissen aber schon, dass die Gesamtbilanz dieses Geben und
Nehmens von Energie im Gesamtsystem aus Erdboden und Atmosphäre nicht zu Null
aufgeht. Die Sonne erwärmt die Erdoberfläche im Tages- und Jahresmittel stärker
als die Luft und das Weltall ist der „Ort der absoluten Kälte“.
Die Strahlungsbilanz ist niemals
ausgeglichen.
Den Energietransport durch Strahlung als wichtigen Teilprozess
des gesamten Transportes von Energie betrachten wir noch genauer: Der Boden
gibt im durchschnittlichen Tagesmittel Tag für Tag mehr Wärmestrahlung an die
Luft ab, als er von dort zurück bekommt. Die Strahlungsbilanz ist also ständig
unausgeglichen. Trotzdem steigt die Lufttemperatur nicht von Tag zu Tag ständig
an, sondern die Lufttemperatur ist im Rahmen der durchschnittlichen
Tagesschwankungen und der Jahresschwankungen, also im Langzeitmittel, konstant.
(quasi lokales thermisches Gleichgewicht)
Eine konstante Temperatur ist aber im Strahlungsbilanzmodell
von DPG / DMG nur möglich, wenn die Strahlungsbilanz zu Null ausgeglichen ist.
Das Strahlungsbilanzmodell verlangt daher, dass sich die Luft von Tag zu Tag
immer mehr erwärmte, bis die Luft so warm wäre, dass nachts so viel
Wärmestrahlung zum Boden zurückstrahlte, wie sie tags absorbiert hätte. Das ist
aber nicht der Fall.
Die Luft mischt alle Energieformen.
Genaue Naturbeobachtung liefert folgende Erklärung: Die vom
Boden in die Luft fließende Strahlungswärme dehnt die Luft schon bei minimaler
Temperaturerhöhung aus und macht sie leichter, so dass sie aufsteigen kann. Und
das erfolgt nicht nur unmittelbar am Boden, sondern von unten nach oben immer
weniger werdend in der ganzen atmosphärischen Luftsäule. Das Phänomenale dabei
ist, dass sich die Temperatur dabei nur wenig erhöht, weil sich die Luft durch
den Druckabfall beim Aufsteigen abkühlt.
In der Sprache der kinetischen Gastheorie lautet die Aussage
so: Die absorbierte Strahlungsenergie wird sofort umgewandelt in ungerichtete
molekulare Bewegung der Gasteilchen („Wärme“). Die ungerichtete (thermische)
Wärmebewegung wird zum Teil gleich weiter umgewandelt zu aufwärts gerichteter
(kinetischer) Konvektionsbewegung und zu potentieller Energie der Höhe der
Moleküle über dem Erdboden.
Einfach ausgedrückt, der tägliche Zufluss an Wärmestrahlung vom
Boden in die Luft löst ein ständiges, undurchschaubares und praktisch nicht
berechenbares Durcheinander von Energieumwandlungen aus, an dem viele
Energiearten, auch die potentielle Energie der Höhe, untrennbar beteiligt sind.
Was macht ein CO2-Anstieg?
Damit wäre der Status „quo“ beschrieben. Damit ist nicht
beschrieben, was passiert, wenn CO2 ansteigt und der Status „quo“
sich ändert. Kann der CO2-Anstieg diesen Energieumwandlungswirrwarr
nicht doch noch irgendwie so beeinflussen, dass am Ende die Lufttemperatur
ansteigt?
Höhere Wärmekapazität führt zu
niedrigerer Temperatur
Die von der Sonne erwärmte Erdoberfläche erwärmt die unteren
Luftschichten durch einen im Mittel immer gleich großen Energiefluss. Der
Antrieb dafür ist die Sonne, deren Strahlung langfristig nur extrem wenig
schwankt. Die Wärmekapazität der Luft entscheidet nun, wie hoch die
Lufttemperatur steigt. Ist die Wärmekapazität groß, wird zur Erhöhung der
Lufttemperatur mehr Energie gebraucht. Also wird bei gleichem Energiefluss bei
höherer Wärmekapazität nur eine niedrigere Lufttemperatur erreicht.
Die Wärmekapazität der Spurengase Wasserdampf und Kohlendioxid
ist pro Molekül deutlich größer als die der Hauptbestandteile der Luft. (16)
Jedem Meteorologen ist bestens bekannt, dass zur Erwärmung feuchter Luft etwas
mehr Energie nötig ist als für trockene Luft. (17) Trivial gesagt, handelt es
sich hier um eine „Binsenweisheit“. Was für Wasserdampf gilt, gilt auch für
Kohlendioxid.
Wichtig ist: Betrachtete man nur die Wärmekapazität, würde ein
Anstieg des Kohlendioxids wegen seiner höheren Wärmekapazität zu einer
niedrigeren Lufttemperatur führen, nicht zu einer höheren. Zahlenmäßig wäre
dieser Effekt aber absolut minimal, weil die Menschheit die Konzentration des
Kohlendioxids in 100 Jahren nur von 0,029 auf 0,037 Vol-% erhöht hat.
Geringere Wärmeleitung führt zu höherer
Temperatur
Die Wärmeleitfähigkeit ist die zweite wichtige physikalische
Eigenschaft der Luft, die betrachtet werden muss, wenn nach der Thermodynamik
aus einem Wärmestrom eine Temperatur berechnet werden soll. Da vom Erdboden,
weil er in der Tag-Nacht-Bilanz wärmer ist als die bodennahe Luft, ein
ständiger Wärmefluss in die bodennahen Luftschichten fließt, muss diese Energie
irgendwie nach oben weiter gegeben werden. Weil ja die Atmosphäre ganz oben an
das ca. –270°C kalte Weltall angrenzt, muss dieser Wärmefluss am Ende in Form
eines Strahlungsflusses dorthin abgegeben werden. Andernfalls müsste die
bodennahe Lufttemperatur ständig ansteigen, was nicht der Fall ist.
Ist die Wärmeleitfähigkeit der Luft kleiner, wird Wärme
langsamer von der warmen zu kalten Seite transportiert. Der wärmere Boden
liefert aber im Mittel immer die gleiche Wärmemenge nach. Die Temperatur der
Luft steigt daher, wenn ihre Leitfähigkeit abnimmt, weil pro Zeiteinheit
weniger Wärmeenergie zur kalten Seite fließt.
Kurz gesagt, die Wirkung des CO2-Anstiegs auf die
Wärmeleitung ist umgekehrt wie die Wirkung auf die Wärmekapazität. Kohlendioxid
leitet die Wärme schlechter als Luft. (18), was die Lufttemperatur erhöhte.
Auch hier wäre der Zahlenwert der Erwärmung wegen der minimalen
Konzentrationserhöhung von 0,029 auf 0,037% wieder nur ganz minimal.
Fazit der thermodynamischen Überlegungen
Nach der klassischen Thermodynamik ist durch den CO2-Anstieg
eine minimale Erwärmung nach 6.6 oder eine minimale Abkühlung nach 6.7 möglich.
Arrhenius verwendet im Sachregister seines Lehrbuchs den Begriff der
„Temperaturleitfähigkeit“, den er als Quotient aus Wärmekapazität und
Wärmeleitfähigkeit definiert. Eine thermodynamische Modellrechung sollte
zeigen, welche Wirkung überwiegt. Überwiegt die Wärmekapazität kühlt mehr CO2,
überwiegt die Wärmeleitung wärmt mehr CO2.
Ist das Weglassen der Thermodynamik
gerechtfertigt?
Ist es gerechtfertigt, dass DMG und DPG die Menschen nicht über
diese sehr komplexen physikalischen Fakten der Thermodynamik informieren,
sondern feststellen, dass 0,037% CO2 mehr Bodenstrahlung absorbieren
als 0,029% CO2?
Das ist definitiv nicht zulässig. Der Grund dafür ist
einleuchtend: Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit werden durch Experimente
ermittelt. Bei diesen Experimenten kann die Strahlung nicht ausgeschaltet
werden, wie das Licht einer Lampe. Wärmestrahlung realer Körper seien es
Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase ist durch Nichts abschaltbar. Die
experimentelle Messung der Wärmeleitfähigkeit erfasst grundsätzlich immer –
also auch beim CO2 - den Anteil der Wärmeleitung durch Strahlung.
Experimentell kann dieser Anteil aus dem Messergebnis nicht „herausgenommen“
werden. Rechnerisch ist das möglich, weil die molekülphysikalischen Modelle
kleiner Gasmoleküle wie Wasserdampf und Kohlendioxid schon sehr gut sind.
Gleiches gilt auch für die Wärmekapazität, sogar für die
Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität. Die molekülphysikalischen Formeln
solcher Berechnungen sind aber komplex. (19)
Die Zeit als zentrale physikalische Größe
Bisher wurden folgende Unzulänglichkeiten des DPG / DMG Modells
diskutiert: Die Erde ist keine mathematische Kugel. Die Orte um die Erde herum,
bei denen die Strahlungsbilanz gleich Null ist, bilden keine Kugel. Im Inneren
von Materie – gleich ob in Festkörpern, in Flüssigkeiten oder in Gasen - können
keine Temperaturen alleine aus der Strahlungsbilanz berechnet werden. Es gibt
keine Oberfläche, an der alle Sonnenstrahlung endet und an der alle
Wärmestrahlung beginnt.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist noch zu besprechen, der für
die Temperatur der verschiedenen Strukturen auf der Erdoberfläche entscheidend
ist: der Faktor Zeit.
Der DPG / DMG-Aufruf spricht von der Temperatur an der Erdoberfläche. Politiker, Journalisten
und offenbar auch Physiker denken bei dem Begriff Erdoberfläche an den Lebensraum der Menschen, aber nicht an
eine mathematische oder physikalische Fläche. Eine solche Fläche hat keine
Dicke oder Höhe, sonst wäre sie keine Fläche, sondern ein Körper. Klassische
Temperaturmessung ist an einer Fläche nicht möglich. An einer Fläche kann nur
deren „Strahlungstemperatur“ gemessen werden.
Gleichwohl erfolgt die mathematisch-physikalische Berechnung
der Temperatur von -18°C an einer Fläche mit der Dicke Null. Die Berechnung der
Temperatur an der Erdoberfläche findet ohne Berücksichtigung der differenzierten
Struktur der Erde und ohne den Faktor Zeit statt.
Die Physik der Erde so zu verkürzen, hat dramatische Folgen.
Nur an einer solchen Fläche mit der Dicke Null können Einstrahlung von
Sonnenlicht und Ausstrahlung von Wärme gleichzeitig erfolgen. Oberflächen
realer physikalischer Körper von Kontinenten oder Ozeanen verhalten sich
anders. Hier wird die einfallende Sonnenstrahlung erst einmal in eine andere
Energieform umgewandelt, zum Beispiel in Wärme. Der Hauptteil der an der
Oberfläche des bestrahlten Körpers entstehenden Wärme fließt in den Körper
hinein. Einstrahlung und Ausstrahlung erfolgen nicht gleichzeitig. Besonders
anschaulich ist dieses Eindringen der Energie bei transparenten Körpern wie
Wasser, Salz oder Quarzsand. Hier dringt schon gleich die Sonnenstrahlung
selbst in den Körper ein und nicht erst die an der Oberfläche gebildete
Wärmeenergie.
Je mehr Zeit zwischen Einstrahlung und Ausstrahlung
verstreicht, umso mehr Energie wird im Erdboden beziehungsweise im Wasser
gespeichert und umso höher wird die mittlere Temperatur der Körperoberflächen.
Folgende Modellrechnung soll das verdeutlichen. Scheint die
Sonne bei klarem Himmel senkrecht von oben auf eine dunkle Bodenfläche, erwärmt
sie sich in einer Stunde um etwa 22°C, wenn keine Abstrahlung erfolgt.
(Erwärmte Bodenschicht = 0,1 m. Wärmekapazität des Bodens 0,2 kcal kg-1 grd-1).
Dieses Rechenmodell entspricht nicht der Realität, weil der Zeitunterschied,
physikalisch ausgedrückt die Phasenverschiebung, zwischen Einstrahlung und Ausstrahlung
nicht bekannt ist.
Einige Detailbetrachtungen zur „Dicke der Fläche“ und zur Zeit
Die Sonnenstrahlung erreicht die Punkte, an denen sie endet,
mit Lichtgeschwindigkeit. Wo sie endet, hängt von der optischen Transparenz der
Materie ab, in welche die Strahlung eindringt. So ist es auch beim
Hinausdringen der Wärmestrahlung. Die Tiefe, von der Wärmestrahlung aus Materie
herausstrahlt, hängt auch von der Transparenz der Materie ab, nur nicht von der
„optischen“ Transparenz, sondern von der Transparenz gegenüber Wärmestrahlung.
Die UV-Strahlung der Sonne endet hoch oben in der Atmosphäre
unter Bildung von Ozon. Dabei wird die Strahlungsenergie der Sonne in chemische
Energie umgewandelt, nicht in Wärmestrahlung. Wie lange dauert es, bis die
chemisch gebundene Energie des Ozons nach dem Zerfall des Ozons als
Wärmestrahlung das System Erde wieder verlässt?
Das blau-grüne Licht der Sonne kann einige hundert Meter tief
im Ozean statt an der Erdoberfläche enden. Im Wasser erfolgt die Umwandlung der
Strahlungsenergie der Sonne in Wärme in sehr unterschiedlicher Wassertiefe. Nur
ein Bruchteil der ins Wasser hinein gestrahlten Sonnenenergie wird sofort
wieder als Wärmestrahlung in Richtung Atmosphäre bzw. Weltall abgestrahlt. Wie
lange dauert es hier, bis die gesamte Wärme der Ozeane wieder als
Wärmestrahlung ins Weltall zurückgegangen ist?
Fällt das Sonnenlicht auf Pflanzen, wird durch den Stoffwechsel
der Pflanzen ein erheblicher Teil der Energie „chemisch gebunden“. Die in Torf,
Kohle, Erdöl, Erdgas, Methanhydraten und so weiter chemisch gebundene Energie
wird erst durch das Eingreifen des Menschen wieder frei gesetzt. Nach Millionen
von Jahren kann sie die Erde in Form von Wärmestrahlung verlassen.
Fällt die Sonnenstrahlung auf festen Boden ist die Situation
ähnlich wie im Fall des Wassers, nur dass die Sonnenstrahlung als solche nicht
in den festen Boden eindringen kann, weil dieser nicht transparent ist. Beim
Festkörper wird die Sonnenstrahlung in der Nähe der Oberfläche in Wärme
umgewandelt. Ein Teil dieser Wärme wandert in den Festkörper hinein, ein
anderer Teil wird an die Luft übertragen und der verbleibende Rest wird als
Wärmestrahlung sofort abgestrahlt in Richtung Weltall. Wie groß ist hier der
Zeitunterschied zwischen Einstrahlung und Ausstrahlung?
Was ist eigentlich mit der Atmosphäre? Die Atmosphäre kann
Wärme aufnehmen und speichern. Anders als Erdboden und Wasser können nur die
IR-aktiven drei- oder mehratomigen Spurengase der Atmosphäre Wärmestrahlung
z.B. an das Weltall abgeben. Wäre die Atmosphäre völlig frei von IR-aktiven
Spurengasen könnte die Atmosphäre ihre gesamte Wärme nur den Kontinenten und
Ozeanen wieder zurück geben, aber keine Energie ins Weltall abstrahlen. Sie
wäre ohne diese Spurengase ein noch wirksamerer Wärmespeicher oberhalb der
Erdoberfläche, weil sich ihr oberster Teil, die Stratosphäre, nicht mehr
abkühlen könnte. Wie lange dauerte es bis die Wärme der Atmosphäre auf diesen
beiden Wegen wieder an das Weltall abgegeben wird: 1. beim Umweg über
Kontinente und Ozeane und deren Strahlung direkt in den Weltraum und 2. beim
direkten Weg der Wärmestrahlung der 3 % Spurengase ins All?
Die Erde als „Schwarzer Strahler“
Die Lehrbücher der Physik beschreiben den „Schwarzen Strahler“
als Loch in einem schwarzen Kasten. (20) Jeder Physiker weiß, dass ein solches
Loch keine Dicke hat, kein Körper ist und deshalb besser „Schwarzer Strahler“
statt „Schwarzer Körper“ genannt wird. Der „Schwarze Strahler“ ist ein
erdachtes Modell, an welchem sich die Gesetze der Strahlenphysik ableiten lassen.
Nur dieses gedachte Loch verhält sich als Fläche so, dass Einstrahlung und
Ausstrahlung gleichzeitig erfolgen.
Bedeutung der Strahlungstransparenz der Materie
Wärmestrahlung kann der Mensch nur über die
Temperaturempfindlichkeit der Haut als Wärmestrahlung wahrnehmen. Die
Wärmebehandlung mit Rotlicht oder Mikrowellen beweist die Transparenz der Luft
gegenüber Wärmestrahlung. Unter Wasser oder innerhalb eines Festkörpers, zum
Beispiel unter einer Sandburg am Strand, wirkt die Wärme des Wassers oder des
Sandes auf die Haut ein. Dabei ist es nicht möglich, die beiden
Wärmeeinwirkungen durch Wärmeleitung und durch Wärmestrahlung zu unterscheiden.
Die meisten Festkörper leiten zwar Wärme, sind aber für
Wärmestrahlung undurchlässig. Es gibt aber auch Festkörper, die für
Wärmestrahlung durchlässig sind wie zum Beispiel Kochsalz. Ein Salzstrand wird
nicht so heiß wie ein Sandstrand. Durch den kälteren Salzberg hindurch kann die
Haut sowohl die Wärmestrahlung einer Rotlichtlampe wie die Strahlung der Sonne
spüren. Kochsalzkristalle sind sowohl für Wärmestrahlung wie für
Sonnenstrahlung durchlässig. Beide Strahlungsarten können Salz nicht ohne
weiteres erwärmen. (aber durch Verunreinigungen oder durch diffuse Streuung)
Wärmetransport durch Strahlung und durch Wärmeleitung
Im Inneren eines Körpers, der nur aus einem chemischen Stoff
besteht wie z.B. Wasser oder Kochsalz, ist die Trennung des Wärmetransports in
Strahlungstransport und Transport durch Leitung unmöglich. Spürbar und messbar
ist hier nur der gesamte Wärmefluss. Ganz anders ist das bei einem Körper im
Weltall. Hier ist nur Strahlungstransport durchs All möglich. Transport durch
Wärmeleitung von einem Körper ins All ist unmöglich. Es gibt zwei Extremfälle:
Im Inneren eines einheitlichen (homogenen) Körpers (Luft,
Wasser, Sand) ist es nicht möglich, Wärmeleitung und Wärmestrahlung auseinander
zu halten. (Extremfall - völlige Homogenität des Systems). Energietransport von
einem Körper durch den Weltraum zu einem anderen Körper (Sonne – Erde) oder von
einem Körper hinaus in die Unendlichkeit des Weltalls kann allein durch
Strahlung erfolgen. (Extremfall - völlige Inhomogenität).
Grenzflächen zwischen zwei Körpern gleich welcher Art, zwischen
Feststoff und Weltall, zwischen Feststoff und Flüssigkeit, zwischen Feststoff
und Gas, zwischen Feststoffen untereinander, sind Orte, an welchen sich das
Verhältnis von Wärmeleitung zu Wärmestrahlung sprunghaft ändert. Dabei ist die
Sprunghöhe von Fall zu Fall sehr unterschiedlich.
Entsprechend schwierig zu beurteilen sind die Verhältnisse,
wenn in homogen erscheinender Materie Konzentrationsunterschiede auftreten wie
unterschiedliche Salzgehalte in Wasser oder Dichteunterschiede wie in der
atmosphärischen Luftsäule. Fast völlig undurchschaubar werden die Verhältnisse
dann, wenn die Materie uneinheitlich (inhomogen) ist und fast nur noch aus
Grenzflächen besteht wie bei den Wolken. Und bei den Wolken kommt dann noch die
Variabilität der äußeren Form, die Dynamik der konvektiven Auf- und
Abwärtsbewegung hinzu. Das Auf und Ab in den Wolken und der in ihnen
gespeicherten latenten Wärme ist eine weitere Form des Wärmetransports. Diese
Transportform der fluiden Körper Wasser und Luft ist viel effektiver als die
Summe der Transporte durch Strahlung und Leitung.
Die große
Vielfalt der Energietransportmöglichkeiten und die optische Uneinheitlichkeit
von Atmosphäre, Wolken, Erdboden, Wasser und so weiter macht es physikalisch
unmöglich, die Temperatur der Erdoberfläche so zu berechnen, als wäre sie eine
Grenzfläche, an der nur Energietransport durch Strahlung stattfindet.
Sehr viele Beobachtungen und Messungen werden per Satellit aus
dem Weltall in Richtung Erde durchgeführt. Die Komplexität dessen, was dort
gemessen wird und verstanden werden muss, zeigt die Internetseite der NASA von
über 800 Seiten mit dem Titel „Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
(CERES)“. (21)
Diese ganze Vielfalt an Messergebnissen und an
wissenschaftlichen Erkenntnissen ist völlig wertlos, wenn die Erde nur als
„Schwarzer Strahler“ wie ein Loch in einem schwarzen Kasten behandelt wird, wie
DPG und DMG das 1987 getan haben.
Oberflächentemperaturen spezieller Werkstoffe
Wie extrem materialabhängig Oberflächentemperaturen in einem
Strahlungsgleichgewicht sein können, zeigt am eindruckvollsten die Chemie der
Werkstoffe bei der Entwicklung von spezifisch absorbierenden und spezifisch
emittierenden Werkstoffoberflächen.
Bei der Entwicklung von solarthermischen Heizungsanlagen
versuchen die Hersteller Werkstoffe zu entwickeln mit sogenannten spektral selektiven
Oberflächeneigenschaften. Die Oberfläche soll Sonnenstrahlung optimal
absorbieren und gleichzeitig Wärmestrahlung so wenig wie möglich emittieren,
damit der Werkstoff möglichst viel Energie aufnimmt. Die spektrale Selektivität wird durch spezielle Pigmentoberflächen
auf Metallen erreicht. Die Qualität ist heute so gut, dass Strahlenphysiker
dafür Oberflächentemperaturen von mehreren 100°C berechnen. Gelänge es Material
mit perfekt spektral selektiver Oberfläche herzustellen, wären Strahlungstemperaturen
von über 1000°C möglich. Diese Oberflächentemperaturen können, wie oben
bereits erläutert, nicht klassisch gemessen werden, weil die in der dünnen
Pigmentschicht aus der Sonnenstrahlung entstehende Wärme sofort an das Metall
darunter weitergeleitet wird. (22)
Die Abbildung 3 zeigt, wie dramatisch die Lage der Wellenlänge,
bei der die Oberfläche von hoher Absorptivität zu geringer Emissivität
wechselt, die Lage der sogenannten ‚cut off’ Wellenlänge, die berechenbare
Oberflächentemperatur (‚Equilibrium Temperature’) beeinflusst.
Wie wirkt Kohlendioxid wirklich?
Es kann kein Zweifel daran bestehen, dass Kohlendioxid einen
Teil der Wärmestrahlung auf dem Weg vom Erdboden beziehungsweise von der Ozeanoberfläche
ins Weltall absorbiert. Die absorbierte Strahlung erreicht das Weltall nicht
mehr mit Lichtgeschwindigkeit, sondern der Energietransport erfolgt nun
verzögert und gebunden an Materie.
Keinesfalls ist es aber so, dass die Absorption von Strahlung
durch Kohlendioxid den Energietransport in Richtung Weltall ganz verhindert,
wie das durch den Begriff „Treibhauseffekt“ suggeriert wird. In einem
geschlossenen Treibhaus ist es nicht möglich, dass die erwärmte Luft nach oben
in die Atmosphäre aufsteigt. Kohlendioxid wirkt also nicht wie ein Treibhaus,
sondern die Strahlungsabsorption des Kohlendioxids trägt nur dazu bei, die
Zeitspanne zwischen Einstrahlung und Ausstrahlung zu verlängern, das heißt die
Phasenverschiebung zu vergrößern.
Eine solche Verzögerung der Ausstrahlung findet aber bei jeder
Absorption von Sonnenstrahlung durch Materie statt, also auch am Erdboden und
im Wasser. Die Summe aller Verzögerungen ist verantwortlich dafür, dass die
meteorologische Globaltemperatur +15°C beträgt und nicht –18°C. Die Temperatur
von –18°C könnte wirklich nur der materielose „Schwarzer Strahler“ in Form
eines Loches im schwarzen Kasten haben, weil nur dort Einstrahlung und
Ausstrahlung gleichzeitig, also ohne Phasenverschiebung, erfolgen.
Wie sollte es weiter gehen?
Der unkorrekte und sogar irreführende Begriff „Treibhauseffekt“
muss ersetzt werden durch den Begriff „Materialeffekt“. Denn alle Materialien
der Außenzone der Erde (Atmosphäre, Wasser, Boden), die von der Sonne erwärmt
werden, tragen gemeinsam dazu bei, dass der Lebensraum der Menschen auf der
Erde lebensfreundliche Temperaturen hat. Sie alle gemeinsam machen diesen
Lebensraum dadurch warm, dass sie die aufgenommene Sonnenstrahlung nicht sofort
wieder abstrahlen, sondern erst einmal als Wärme zwischenspeichern und in ihr
Inneres transportieren. So, und nicht nur durch die Spurengase der Atmosphäre,
ergibt sich die meteorologische Globaltemperatur von 15° Celsius.
Es ist somit nicht erwiesen, dass der geringe anthropogene
Anstieg der CO2-Konzentration von 0,029 auf 0,037% der Luft die
ausschlaggebende Ursache des Anstiegs der Globaltemperatur um 0,6°C seit 1900
ist.
Die Klimamodelle müssen von Grund auf neu programmiert werden.
Den Meteorologen gut bekannte Effekte, welche die Temperatur tatsächlich
messbar erhöhen, müssen dabei stärker beachtet werden. Das gilt für alle
Landnutzungsänderungen, ganz besonders für Straßen, Plätze und Häuser, vor
allem für Wolkenkratzer. Der „Stadteffekt“ (Abbildung 4) muss als anthropogener
Klimafaktor wie im Fall des CO2 mit Extrapolationsszenarien mit
unterschiedlichen Zuwachsraten in die Klimamodelle einprogrammiert werden.
Professor Christian-Dietrich Schönwiese behandelt den
Stadteffekt sehr ausführlich. (12) Das IPCC hingegen erwähnt diesen Effekt in
seinem ‚summary for policymaker’ nicht explizit (Abbildung 5), sondern
versteckt und undifferenziert unter dem ungenauern Oberbegriff „land use“. Das
Niveau des theoretischen Verständnisses bei diesem wichtigsten und vor allem
nachhaltigsten und zu 100 Prozent anthropogenen Klimafaktors darf nicht so
niedrig bleiben, wie es das IPCC für den Klimafaktor „land use“ ausweist.
(‚Level of Scientific Understanding’ als Ordinate der Abbildung 5)
Dieser Text soll kein Plädoyer gegen die weitere Verbesserung
der Luftqualität sein. Viele Verbrennungsanlagen sind noch lange nicht auf dem
technischen Stand der modernsten Großanlagen. Deren Emissionen an SO2,
NOx und Staub müssen noch weiter reduziert werden. Auch bei der
Reinigung der Kraftfahrzeugabgase ist die Entwicklung noch nicht befriedigend.
Hier ist die Fein- und vor allem die Feinststaubproblematik ungelöst. Die
Dieselfahrzeuge erfordern dringend Verbesserungen. Die Ozonbildung bei
Schönwetterlagen erfordert noch geringere Mengen im Autoabgas an Stickoxiden
und Kohlenwasserstoffen, weil sie durch photochemische Reaktionen zur
Ozonbildung beitragen. Insgesamt gibt es genügend gute Gründe die echten
Schadstoffe noch wirksamer aus den Abgasen zu entfernen.
Mein Beitrag soll aber auch kein Plädoyer sein gegen eine Politik
der verstärkten Schonung der Ressourcen oder des verstärkten Energiesparens. Es
kann aber sein, dass die derzeit bestehende Benachteiligung der Kohle gegenüber
Erdgas etwas abgeschwächt werden könnte.
Anmerkungen und Quellen
(1) .... Phys. Bl. 43
(1987), Nr. 8; S. 347 - 349.
(2) ....
http://www.mpimet.mpg.de/presse/faqs/wie-funktioniert-der-treibhauseffekt.html?0=
. (Dieser Link ist von außen inaktiv. Suche auf MPIMET Webseite nach den
Autoren, S. Bakan und E. Raschke, liefert den Text als pdf Datei. Darin wird
auf eine ausführliche Beschreibung der beiden Autoren hingewiesen (Download als
pdf möglich), welche veröffentlich ist: S. Bakan und E. Raschke, „Der
natürliche Treibhauseffekt“, veröffentlicht in: Promet 28, Heft 3/4, 85-94,
Deutscher Wetterdienst, 2002. In dieser 18seitigen Publikation fehlt der
Hinweis auf die –18°C und ihre Berechnung vollständig.
(3)
....http://www.mps.mpg.de/dokumente/publikationen/pa/pa_0301_klima.pdf
(4) ....Persönliche
Mitteilung von Professor Manfred Schüssler, MPS, Lindau-Katlenburg, Statt vom
„Schwarzen Körper“ sprechen Physiker korrekter vom „Schwarzen Strahler“.
(5)
....Laser-Fernerkundung der planetaren Grenzschicht, Dissertation am
Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin, vorgelegt von Steffen Frey,
Berlin, April 2002
(6) .... http://www.dmg-ev.de/gesellschaft/aktivitaeten
/pdf/treibhauseffekt.pdf
(7)
....Bergmann-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band III
(„Optik“), Berlin, 2004, S. 287
(8) ....Brügel, Werner,
Einführung in die Ultrarotspektroskopie, Darmstadt, 1962, S. 14
(9)
....http://gutenberg.spiegel.de/andersen/maerchen/Druckversion_kaisersn.htm
(10)
....http://www.zvf.dmg-ev.de/vorstand_historie.html
(11)
....http://www.prima-klima-weltweit.de/presse/manifest.pdf
(12)
....Christian-Dietrich Schönwiese, Klimatologie, Stuttgart, 2003
(13)
....http://www.dpg-physik.de/static/fachlich/ake/Energiestudie.pdf
(14) ....IPCC, Third
Assessment Report http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/pdf
(15)
....http://www.thp.uni-koeln.de/natter/physwelt/Gprint/p02_08.jpg
(16)
....Bergmann-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Teil I
(„Wärmelehre“), Berlin, 1961, S. 477: CO2: Cp = 8,82; Luft: Cp = 6,95 cal mol-1
grd-1 (Molwärme bei konstantem Druck)
(17) ....Helmut Kraus,
Die Atmosphäre der Erde, Berlin, 2001, S. 59, Kapitel III.3.3 „Thermodynamische
Potentiale und spezifische Wärme“: Das gasförmige dreiatomige Wassermolekül hat
sechs Freiheitsgrade (f=6), die zweiatomigen Moleküle der Luft haben nur zwei
(f=5).
(18)
....Bergmann-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Teil I
(„Wärmelehre“), Berlin, 1961, S. 484: Luft: λ = 0,000055, CO2: λ =
0,000032 (cal cm1 sec1 grd-1)
(19) ....J.A.Campell,
Chemical Systems Energetics Dynamics Structure, San Francisco, 1970, S. 711 ff
(„Thermodynamic Functions from Molecular Properties“)
(20) ....Wilford
Zdunkowski und Andreas Bott: Thermodynamics of the Atmosphere, New York, 2004,
S. 65 („hollow cavity with a small opening“)
(21) ....http://asd-www.larc.nasa.gov/ATBD/ATBD.html
(22) .... Robert
Siegel, John R. Howell, Thermal Radiation Heat Transfer, New York, 2002
Dr. Gerhard Stehlik, Diplomchemiker, Sachverständiger im
Bundesfachausschuss Umwelt der FDP, Theodor-Heuss-Str. 32, 63457 Hanau. E-Mail.
gerhard.stehlik@gmx.de
