Rettung vor den Klimarettern — Teil IV

Von 5. April 2010 Aktualisiert: 5. April 2010 5:30
Das Energiespeicherungs- und Transportsystem und das Kühlsystem der Erde

Im vorausgegangenen 3. Teil des Beitrags wurde gezeigt, daß das Heizsystem den Energiezufluss zum Boden entscheidend steuert, abhängig vom jeweiligen Anteil des „Blauen Himmels“. Aber selbst bei gutem Wetter kommt ein Teil der Sonnenenergie nie am Boden an.

Es gehört zu den Leitsätzen des Treibhausdogmas die Sonne strahle „kurzwelliges“ Licht aus, das die Atmosphäre „fast ungehindert durchdringen“ könne. Aber das ist falsch. Wie die folgende Aufschlüsselung zeigt, ist der IR-Anteil dieses kurzwelligen Sonnenlichts sehr hoch:

  • Ultraviolett (UV, < 0,38 μm Wellenlänge): 10 Prozent
  • Sichtbares Licht (0,38-0,76 μm): 45 Prozent
  • Infrarot (IR, > 0,76 μm): 45 Prozent

Dieser IR-Anteil aber wird in der Atmosphäre schon in großer Höhe und bei eisigen Temperaturen zu einem großen Teil von den IR-aktiven Gasen absorbiert. Die in Abb. 1 in Blau dargestellten Energieanteile werden so vom Boden ferngehalten und vom „Kühlsystem“ wieder ins All zurückgestrahlt.

In der realen Welt wirken die so genannten „Treibhausgase“ also wie ein Sonnenschirm (Abb. 2). Statt den Boden um 33 Grad zu erwärmen, verhindern sie schon im „Heizsystem“ eine stärkere Aufheizung! Der Mythos vom „Natürlichen Treibhauseffekt“ ist damit geplatzt.

Das „Energiespeicherungs- und Transportsystem“ (ESTS)

Materie gibt Energie, die ihr zugeführt wird, nicht sofort ab. Vielmehr wird die Energie – abhängig von verschiedenen Stoffeigenschaften und der Umgebung – eine Zeit lang gespeichert, was dazu führt, dass Materie sich bei stärkerer Energiezuführung aufheizt. [1]

Wegen der unterschiedlichen Beheizung durch die Sonne ist der Energievorrat der Erde ungleichmäßig verteilt. Entsprechend sind die Temperaturen sehr verschieden: während sich Sandboden in manchen Wüsten bei Tage auf Werte bis 80 Grad Celsius aufheizt, treten im Inneren der Antarktis, die nach Meinung manchen Zeitgenossen gerade abschmilzt, Temperaturen von bis zu minus 87 Grad auf.

Daraus ergibt sich nun die zweite Rolle des ESTS: die Umverteilung von Energie. Wärme fließt von jedem wärmeren System in die benachbarte kältere Umgebung ab.

Beim Wärmetransport auf der Erde dominieren dabei zwei Richtungen:

  • aus den Tropen in die Polarregionen (horizontal).
  • von unten (Erdboden) nach oben (vertikal) in die viel kältere Atmosphäre (Abb. 3 in Teil III)

Meeresströmungen und die großen Windsysteme transportieren Energie aus den Tropen in die eisigen Polargebiete. Dieser horizontale Wärmetransport ist in der Klimadebatte nicht umstritten. Die fundamentalen Meinungsunterschiede zwischen den Verfechtern der Treibhauslehre und der übrigen Wissenschaft zeigen sich vielmehr beim vertikalen Wärmefluss zwischen Boden und Atmosphäre sowie innerhalb dieser.

Unumstrittene Mechanismen

Unter den Fachleuten nicht umstritten sind folgende Mechanismen:

  • Luft erwärmt sich direkt am Boden durch Wärmeleitung.
  • Wassermoleküle treten in die Luft über (Verdunstung) und nehmen dabei Energie als Latente Wärme auf.
  • Wärmere Luft steigt auf, kältere strömt zum Boden nach (Konvektion). Dabei wird Wasserdampf mit nach oben transportiert.
  • Beim Aufsteigen dehnt sich ein solches „Luftpaket“ aus und kühlt dadurch ab. Trotzdem wird es weiterhin aufsteigen, solange es jeweils wärmer und damit weniger dicht ist als seine Umgebung, gegebenenfalls also bis an den Rand der Tropopause (vgl. Teil III).
  • Mit abnehmender Temperatur kondensiert der Wasserdampf und bildet Tröpfchen, dabei wird die Latente Wärme freigesetzt. Die Temperatur des Luftpaketes nimmt so relativ zu seiner Umgebung zu [2]. Das „Paket“ bewegt sich umso schneller nach oben.
  • Diese Konvektion ist auch der Antrieb der großen Windsysteme.

Der Prozess als Ganzes wird in Gang gehalten, weil die Luft in der oberen Troposphäre durch ihre eigene Strahlung auskühlt, dabei schwerer wird und infolgedessen wieder absinkt.

Eine der Kernfragen des Klimastreits ist nun, inwieweit die IR-Strahlung des Bodens eine zusätzliche oder gar führende Rolle bei der Bodenkühlung spielt. Diese Auffassung wird zum Beispiel in dem mittlerweile berühmten Diagramm (s. Abb. 3) von Kiehl und Trenberth (K&T) aus dem Jahr 1997 ausgedrückt, das bereits im ersten Teil beschrieben wurde. Die von uns blau eingerahmten Angaben behaupten einen Wärmetransport in die Atmosphäre durch Bodenstrahlung, die den Transport durch alle anderen Mechanismen gleich um ein Mehrfaches übertreffen soll.

Diese Darstellung soll das Fundament legen für die Behauptung, die „Treibhausgase“ fingen diese Bodenstrahlung auf, um sie als „Gegenstrahlung“ (brauner Rahmen) wieder zum Boden zurückzuschicken. Das soll suggerieren, dass „mehr Treibhausgas“ mehr Gegenstrahlung erzeugt – und dadurch „Erderwärmung“ auslöst!

Aber jetzt erinnern wir uns an das Woodsche Experiment. Hätte die Bodenstrahlung tatsächlich die in dem Bild behauptete überragende Bedeutung, dann hätte Woods Experiment sie unübersehbar zutage fördern müssen. Stattdessen hatte sich dort die Strahlung als fast bedeutungslos erwiesen.

Andere Physiker wissen dies. Zum Beispiel geben Chilingar, Khilyuk und Sorokhtin gerade einmal acht Prozent an, statt der 77 Prozent von K&T (Abb. 4). Diese Schätzung passt in etwa zu den Messungen von Wood.

CO2 soll den Abfluss von Wärme in die Atmosphäre behindern, indem es Strahlung absorbiert. Nur ist diese Strahlung quantitativ gar nicht relevant. Energie fließt ungehindert von „Treibhausgasen“ durch Konduktion, Konvektion und Verdunstung in die Lufthülle ab, von wo aus sie das Kühlsystem ins All entsorgt.

Die Debatte um das Dogma der „Gegenstrahlung“ ist physikalisch aufwendig und soll hier nicht weiter vertieft werden. Für unseren Zweck reicht es, dass sich der Leser über diese Frontlinie klar wird. Wir widerlegen das Treibhausdogma an anderer Stelle.

Das „Kühlsystem“

Wenn es in den Geowissenschaften noch ein gut gehütetes Geheimnis gibt, dann ist es das Kühlsystem der Erde. Denn obwohl dessen grundsätzliche Funktion seit Jahrzehnten bekannt ist und sie in der Klimadebatte von allergrößter Bedeutung sein müsste, wird in dieser seine tatsächliche Wirkungsweise verschwiegen. Stattdessen wird ein irreführendes Rollenverständnis vermittelt:

  • der Boden strahlt ab und kühlt so die Erde (vgl. Abb. 3).
  • die „Treibhausgase“ behindern diese Kühlung.

Damit soll die Behauptung plausibel gemacht werden, dass „mehr Treibhausgas“ eine Erwärmung herbeiführe, weil es angeblich die Kühlung noch stärker behindere.

Aber dieses Rollenverständnis ist falsch. Denn die Kühlung des Planeten Erde erfolgt überwiegend aus der Atmosphäre heraus. Es sind paradoxerweise die „Treibhausgase“, die die meiste Energie ins Weltall abstrahlen und dadurch den Planeten vor Überhitzung bewahren. Kiehl & Trenberth selbst gaben 1997 für die Kühlung folgende Anteile an (Abb. 3, grüne Markierungen):

  • „Atmosphäre“ (= „Treibhausgase“!): 165 Watt/qm (70 Prozent)
  • Wolken: 30 Watt/qm (13 Prozent)
  • Boden:  40 Watt/qm (17 Prozent)

Wenn aber die Erde zu 70 Prozent durch die „Treibhausgase“ gekühlt wird, dann fällt es schwer zu verstehen, warum ein Mehr an diesen Gasen plötzlich zu einer schlechteren Kühlung führen soll!

Das Kühlsystem ist durch Satelliten gut vermessen. An Diagrammen wie Abb. 5 kann man daher ablesen, in welchen Höhen diejenige Abstrahlung erfolgt, die tatsächlich das Weltall erreicht (wobei die Einzeldaten orts-, zeit- und wetterabhängig variieren.) Aus Labormessungen weiß man darüber hinaus, welche Abstrahlfrequenzen welchen Gasen zuzuordnen sind. Führt man die Erkenntnisse zusammen, kommt man zu dem Schema der Abb. 6.

Und dies sind die Komponenten des „Kühlsystems“ der Erde:

  • O3 (Ozon) strahlt aus der Stratosphäre und kühlt diese (vgl. Teil 3)
  • Die bei weitem größte Bedeutung hat der Wasserdampf. Er deckt breite Frequenzbereiche ab und strahlt aus vier bis acht Kilometer Höhe.
  • Wolken bestehen aus Tröpfchen und verhalten sich in Bezug auf IR-Strahlung wie ein Gewässer. Sie strahlen im gesamten IR-Spektrum ab, absorbieren aber auch jegliches IR „von oben“ ebenso wie „von unten“. In einer hinreichend dichten Wolke stammt daher jegliche IR-Strahlung aus der Wolke selbst.
  • CO2 strahlt in seiner Kernbande (beiderseits 15 μm) aus einer Höhe von über zehn Kilometer (obere Troposphäre oder Tropopause!).
  • Die übrigen IR-aktiven Gase (CH4, N2O) strahlen aus Höhen von ein bis sechs Kilometer. Ihre Konzentration ist extrem niedrig, da sie in der Atmosphäre durch natürliche Prozesse laufend abgebaut werden.
  • Der Boden hat im Kühlsystem der Erde nur einen Schönwetterplatz. Seine Strahlung trägt nur in einem begrenzten Spektralbereich (dem grün markierten „Atmosphärischen Fenster“ in Abb. 5 und 6) unmittelbar zur Kühlung der Erde bei, und selbst das nur bei klarem Himmel.

Nach dieser Einführung in die Grundstruktur des Kühlsystems wird jetzt klar, warum das ESTS in der zuvor beschriebenen Weise funktionieren kann: Die Konvektion fördert ständig am Boden angewärmte und befeuchtete Luft nach oben [3], während kalte trockene Luft zum Boden nachströmt. Dies setzt aber voraus, dass die aufsteigende Luft „oben“ auch ihre Energie ins Weltall abstrahlen kann, so dass sie kälter und dichter wird und zum Boden zurücksinkt. Behielte sie dort ihre Energie, dann bliebe sie oben und die Konvektion käme weitestgehend zum Stillstand. In der Folge stiege bodennah die Luftfeuchtigkeit an. Dadurch könnte der Boden auch keine Wärme mehr durch Verdunstung abführen.

Das führt zu unserer letzten Überlegung: Gäbe es in der Atmosphäre keine IR-aktiven Gase, dann könnte sie ihre einmal aufgenommene Wärme nicht mehr loswerden.

Die Folgen (Abb. 7):

  • Verbleib der energiereichen Luft oben in der Troposphäre,
  • Rückgang und Stop der Konvektion und der Verdunstungskühlung des Bodens,
  • Aufheizung des Bodens, bis die dadurch ansteigende Abstrahlung den Ausfall der anderen Wärmetransportmechanismen wettmachen kann.

Eine Erde ohne „Treibhausgase“ (aber mit Atmosphäre) wäre also nicht 33 Grad kälter als die reale Erde. Sie wäre deutlich wärmer! Wie schon bei der Analyse des Heizsystems, entlarvt auch ein gründliches Nachdenken über das Kühlsystem den „natürlichen Treibhauseffekt“ als Legende.


Lesen Sie im abschließenden fünften Teil das Fazit und die Empfehlungen.

 

Lesen Sie auch:

Rettung vor den Klimarettern – Teil I

Rettung vor den Klimarettern – Teil II

Rettung vor den Klimarettern – Teil III

 

Glossar

Mechanismen des Wärmetransports
Mehrere Arten des Wärmetransports bilden die Basis unseres Wettersystems:

Wärmeleitung (Konduktion)
Wärmeleitung erfolgt durch Stöße zwischen Atomen und Molekülen. Auf diese Weise übergibt der von der Sonne beheizte Erdboden in einer dünnen Grenzschicht Wärme an die aufliegende Luft.

Konvektion
Werden Gase oder Flüssigkeiten warm, so dehnen sie sich aus. Sie werden dadurch spezifisch leichter und steigen auf. In der Troposphäre aufsteigende warme Luft nimmt „ihre“ thermische Energie mit nach oben! Auch die Anfeuchtung von Luft macht diese leichter (!) und löst Konvektion aus.

Latente Wärme
Damit Wasser verdunsten kann, muss es eine erhebliche Menge Energie aufnehmen. Weil dabei keine Temperaturerhöhung stattfindet, heißt diese Energie „Latente Wärme“. Kondensiert der Wasserdampf, so wird diese Energie wieder freigegeben.

Die Freisetzung geschieht bei der Wolkenbildung. Haufenwolken (Cumulus) sind schwebende Kraftwerke: sie wärmen Luft und erzeugen so einen Aufwind (Konvektion), der sie in der Luft hält und große Mengen Wärme aufwärts transportiert (vgl. Abb. 7).

Meeresströmungen
Meeresströmungen transportieren Energie aus den Tropen in die Polgebiete. Das bekannteste Beispiel ist der Golfstrom. Er fördert Wärme aus der Karibik zur europäischen Nordküste und in die Arktis.

Fußnoten

[1] Neben der Thermischen Energie (der Bewegung von Atomen und Molekülen), deren Ausdruck auch die Temperatur eines Systems ist, gibt es verschiedene andere Energieformen, die für unseren Zweck hier aber nicht von Belang sind.

[2] „relativ zu seiner Umgebung“ bedeutet hier, daß durch die Freisetzung der Latenten Wärme beim Aufstieg nach oben die Temperatur weniger schnell abnimmt. Meteorologen sprechen von einem „feuchtadiabatischen Temperaturverlauf“.

[3] Warme Luft ist spezifisch leichter als kalte Luft, feuchte ist leichter (!) als trockene.

 


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Klaus Ermecke ist Wirtschafts- und Organisationswissenschaftler. Sein Unternehmen, Klaus Ermecke GmbH – KE Research in Oberhaching bei München, unterstützt Entscheidungsträger in Politik und Wirtschaft bei der Beurteilung von Zukunftsfragen für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Die hier vorgestellte Studie erstellte er mit der Unterstützung von nahezu einem Dutzend einschlägig spezialisierten Physikern, Meteorologen und anderen Fachexperten.

www.ke-research.de

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