Kleine linke Klimaserie (XV): Der Treibhauseffekt: Begriff und Konvektion

»Der Wahrheitssuchende ist nicht derjenige, der die Schriften der Alten studiert und ihnen, seiner natürlichen Veranlagung folgend, vertraut, sondern derjenige, der ihnen misstraut und hinterfragt, was er aus ihnen entnimmt.«

Abu Ali ibn al‐​Haytham, Buch der Optik (1021)

Dieser Artikel ist Teil XV der Kleinen linken Klimaserie in der MagMa.

Vom »Treibhauseffekt« sind unterschiedliche Begriffserklärungen im Umlauf. Bei physikalischen Sachverhalten ist sowas ganz normal und hängt zum Beispiel mit dem Wissensstand und den Fachausrichtungen der Leute zusammen, für die eine Begriffserklärung gedacht ist.

Eher selten kommt es vor, dass sich Begriffserklärungen physikalischer Sachverhalte für Sortierungen nach Brauchbarkeiten zur Umlenkung von Ressourcen ins Eigentum bestimmter Kapitalfraktionen eignen.

Sortiert man den Treibhauseffekt nach diesem Kriterium, bilden Begriffserklärungen wie die folgende im Cambridge Dictionary das Schlusslicht:

Der Treibhauseffekt bezeichnet »eine Zunahme der Menge an Kohlendioxid und anderen Gasen in der Atmosphäre […], von der man annimmt, sie verursache eine allmähliche Erwärmung der Erdoberfläche«¹

»… von der man annimmt«? Annehmen?! Annehmen???!!!!!!!

Kaum brauchbarer ist der Treibhauseffekt im Glossar des sechsten Sachstandsberichts des »Weltklimarats« (IPCC) von 2021/​2023:

Der Treibhauseffekt ist »[d]ie Infrarotstrahlungswirkung aller infrarotabsorbierenden Bestandteile der Atmosphäre. Treibhausgase (THG), Wolken und einige Aerosole absorbieren terrestrische Strahlung, die von der Erdoberfläche und anderen Bereichen in der Atmosphäre emittiert wird. Diese Substanzen emittieren Infrarotstrahlung in alle Richtungen, aber unter sonst gleichen Bedingungen ist die in den Weltraum abgestrahlte Nettomenge in der Regel geringer als ohne diese Absorber, da die Temperatur in der Troposphäre mit der Höhe abnimmt und die Emission folglich schwächer wird.

Ein Anstieg der Konzentration von Treibhausgasen erhöht das Ausmaß dieses Effekts; der Unterschied wird manchmal als verstärkter Treibhauseffekt bezeichnet.«²

Abgesehen von ihrer mangelhaften Allgemeinverständlichkeit lädt diese Erklärung zu unpraktischen Rückfragen ein wie: Was soll »in der Regel« heißen? Welche »Bedingungen« müssen weshalb inwiefern »gleich« bleiben? Um was für ein »Ausmaß« geht’s da?

Die Brauchbarkeit von Begriffserklärungen des Treibhauseffekts steigt enorm oder wird allererst hergestellt, wenn man den Treibhauseffekt zu einem »das Klima« beherrschenden Phänomen erklärt. Hier ein Versuch des Pioniers der Klimamodelle, Mitbegründers der planetaren Treibhauseffekt‐​Temperaturanalyse und Nobelpreisträgers Syukuro Manabe von 2019:

»Unter der Annahme, dass das System Erde‐​Atmosphäre als Schwarzer Körper nach dem Stefan‐​Boltzmann‐​Gesetz für Schwarzkörperstrahlung strahlt, kann man die effektive Emissionstemperatur des Planeten abschätzen. Die so ermittelte Temperatur beträgt ‑18,7 °C. Sie ist um∼33 °C kälter als +14,5 °C, d.h. die globale Mitteltemperatur der Erdoberfläche. Das bedeutet, dass die Erdoberfläche um bis zu 33 °C wärmer ist, als sie es ohne die Atmosphäre wäre. Mit anderen Worten: Die Atmosphäre hat einen so genannten Treibhauseffekt, der die Temperatur der Erdoberfläche um bis zu 33 °C erhöht. Die Satellitenbeobachtung der ausgehenden langwelligen Strahlung hat den überzeugendsten Beweis für die Existenz des Treibhauseffekts der Atmosphäre erbracht.«³

Obschon viele vielleicht wissen, dass das Zeichen ~ »ungefähr« bedeutet, leidet auch diese Erklärung unter Allgemeinverständlichkeitsmangel. Zudem fordert die Beteuerung, es gebe Beweise, Zweifel heraus, und irritieren die Wortwendungen »unter der Annahme«, »abschätzen« und »bis zu« … zwei Euro sparen, oder was? Das geht besser! Zum Beispiel beim Deutschen Wetterdienst:

»[D]ie Strahlungsgleichgewichtstemperatur der Erde [liegt] bei ‑18 °C. Gäbe es auf unserem Planeten keinen Treibhauseffekt, dann wäre genau diese auch die frostige mittlere Temperatur an der Erdoberfläche. Durch die Zusammensetzung der Luft ergibt sich jedoch eine Erhöhung der genannten Temperatur auf einen deutlich höheren Wert. Somit ermöglicht erst der Treibhauseffekt das menschliche Leben auf der Erde.«⁴

Höhere Instanzen bestätigen die Bedeutung des Treibhauseffekts. Laut Umweltbundesamt der Bundesrepublik Deutschland ist er nicht nur für »das menschliche Leben auf der Erde« entscheidend:

»Ohne die natürlicherweise vorkommenden Treibhausgase (insbesondere Wasserdampf) wäre ein Leben auf unserem Planeten gar nicht möglich. Statt der jetzt herrschenden globalen, bodennahen Mitteltemperatur von knapp 15 Grad Celsius, hätten wir ohne natürlichen ⁠Treibhauseffekt⁠ eine mittlere Temperatur von etwa ‑18 Grad Celsius und die Erde wäre vereist.«⁵

Zur Abgrenzung von anderen Treibhauseffekt‐​Begriffen könnte man den vom Umweltbundesamt als »amtlichen 33‐​Grad‐​Treibhauseffekt« bezeichnen. Da das aber der wirklich wichtige und nicht bloß für Klima‐​Spezis interessante Treibhauseffekt ist, soll er im folgenden »der Treibhauseffekt« genannt werden.

Die vom Umweltbundesamt genannten Zahlen ‑18 und 15 sind als über den Daumen gepeilte Werte gemeint, um eine Vorstellung von der Größenordnung des »natürlichen Treibhauseffekts« zu vermitteln. Auf einen Grad mehr oder weniger soll es auf der grundsätzlichen Ebene nicht ankommen.

Die oberflächennahen 15 °C kann man bei übertrieben guten Willen als Beobachtungswert betrachten. Aber wie kommt der Wert ‑18 °C zustande?

Er kann nur – wie Manabe nicht verschweigt – aus theoretischen Überlegungen stammen, denn beobachten lassen sich ‑18 °C Durchschnittstemperatur nahe der Erdoberfläche nicht. Man überlegt: Wie hoch wäre die Temperatur nahe der Erdoberfläche, wenn die Atmosphäre zum Teil keine Treibhausgase enthielte?⁶

Beim Treibhauseffekt geht es demnach um einen Unterschied zwischen einem hypothetischen Wert und einem halbwegs beobachtbaren Wert. Damit ist er günstigstenfalls eine Theorie im weiten alltagssprachlichen Sinn, nicht ein beobachtbares Phänomen oder eine Art Naturgesetz.

Die Theorie vom Treibhauseffekt deutet halbwegs beobachtbare Phänomene und nicht beobachtbare Voraussetzungen in einer Weise, dass eine durch Treibhausgase erzeugte globale Erwärmung herauskommt, und zwar in einer Größenordnung von 15 – (-18) = 33 °C. In der Theorie enthalten ist die Aussage: Der Temperaturunterschied von 33 °C wird im Wesentlichen von Treibhausgasen verursacht. Andere Faktoren sind an der Erwärmung kaum oder nicht beteiligt.

Daran finden viele Nichtbescheidwissende, wie es die meisten von uns sind, nichts fragwürdig. Für sie ist der Treibhauseffekt ein beobachtbares, messbares Phänomen. So weit, dass unmessbare oberflächennahe ‑18 °C und eine Ausschlussbehauptung bezüglich anderer, vielleicht wichtiger, temperaturerhöhender Faktoren Fragen aufwerfen könnten, wird selten gedacht.

In der Akzeptanz der Theorie des Treibhauseffekts durch Nichtbescheidwissende liegt etwas Gruseliges, das auch in der Covid‐​Zeit zu beobachten war: die Bereitschaft, den Ansagen von Autoritäten eher zu vertrauen als dem eigenen Erleben. Mit diesem Mangel an Selbst‐​Vertrauen scheint eine andere Bereitschaft einher zu gehen: die Bereitschaft, Menschen, die den Ansagen der Autoritäten widersprechen, mit Wut zu begegnen und niederzumachen bzw. durch dazu für befugt Erklärte niedermachen zu lassen. Bewährte mechanistische Küchentischpsychologie führt den Wutantrieb auf eine zur Verdrängung nötige Energie zurück.

Im Fall des Treibhauseffekts wären zum Beispiel Erlebnisse der wärmenden Wirkung der Sonne zu verdrängen. Eine Atmosphäre ungefähr gleicher Zusammensetzung haben wir Tag und Nacht, im Sommer und Winter, unter einem schattigen Baum und in praller Sonne um uns herum. Wie sollte die Sonne bloß ‑18 °C zustande bringen können? Erzeugen viele kleine Lebenserfahrungchen nicht eine Oberwelle, die als zu unterdrückendes, weil für irrational erklärtes Bauchgefühl sagt: irgendwas kann da nicht stimmen?

Diese und die nächsten Folgen der kleinen linken Klimaserie möchten ein paar Bretter legen, um die selbstvertrauensbedingte Nichthinterfragbarkeit des Treibhauseffekts zu überbrücken und an ihn nicht bloß glauben oder nicht glauben zu müssen.

Ein erstes Brett heißt »Konvektion« und betrifft den Energietransport durch Objekte, die keine Luftpostsendungen sind.

Luftpakete

Ein »Luftpaket« ist laut Wörterbuch der Amerikanischen Meteorologischen Gesellschaft:

»ein imaginäres Luftvolumen, dem einige oder alle der grundlegenden dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften der atmosphärischen Luft zugeordnet werden können.

Ein [Luft-]Paket ist groß genug, um eine sehr große Anzahl von Molekülen zu enthalten, aber klein genug, damit die ihm zugewiesenen Eigenschaften in ihm annähernd einheitlich sind und seine Bewegungen gegenüber der umgebenden Atmosphäre keine ausgeprägten Ausgleichsbewegungen hervorrufen. Eine genaue numerische Definition ist nicht möglich, aber ein Kubikfuß Luft [rund 30 cm3] dürfte in den meisten Zusammenhängen, in denen von Luftpaketen die Rede ist, gut passen«.⁷

Zu den »ausgeprägten Ausgleichsbewegungen«, die man im Luftpaket wegimaginiert, gehört der Wärmeaustausch mit der Umgebung. Der Nicht‐​Wärmeaustausch wird »adiabatisch« genannt.⁸

Konvektion

Aufstiege passieren, so eine Lebenserfahrung in vielen Gesellschaften, selten aufgrund von Eigenleistungen. In der Regel findet eine Art von Hochschubsen statt. Entsprechend erklärt die Wetter‐ und Ozeanografiebehörde der USA (NOAA):

»Die Gravitation zieht die kühlere, dichtere Luft in Richtung Erdoberfläche. Wenn die dichtere Luft die Erdoberfläche erreicht, breitet sie sich aus und verdrängt die weniger dichte Luft, was wiederum die weniger dichte Luft nach oben drückt und in Bewegung versetzt, so dass sie aufsteigt.«⁹

Weniger dicht wird Luft, indem sie sich durch Berühren einer wärmeren Erdoberfläche, sei es Land oder Gewässer, aufwärmt. Bescheidwissende nennen das »Konduktion«. Mehr Wärme bedeutet dollere Zusammenstöße der Teilchen (Atome oder Moleküle) und erhöhten Raumbedarf, Expansion des Volumens.¹⁰ Zusätzlich verdunstet Wasser, das sich in der Erde, in Grünzeug, auf unserer Haut und allem Möglichen, nicht zuletzt in Gewässern, befindet. Je wärmer die Luft, desto mehr H2O‑Moleküle mag sie aufnehmen und auch aus flüssigen oder festen Verbindungen herauskicken. Die H2O‑Moleküle im Gaszustand machen die Luft pro Volumeneinheit leichter. Um so eher lässt sie sich als imaginiertes Luftpaket von kälterer Luft nach oben schubsen.

Ungleichmäßig temperierte Luft nahe der Erdoberfläche gibt es aus vielen Gründen. Beispielsweise liegen manche Teile der Oberfläche im Schatten, andere in praller Sonne. Der Sonnenstand ändert sich ständig und je nach Materialbeschaffenheit bleiben Oberflächenteile mehr oder weniger lange warm. Hier und da versperren Wolken den Sonnenstrahlen den Weg oder auch nicht. Winde schubsen an der Luft herum …

Luftpakete in Aktion
Rechts: molare Massen von Stickstoff, Sauerstoff und Wasser¹¹
(Zum Vergrößern Bild in neuer Registerkarte öffnen.)

Eine durch Konduktion und Verdunstung gekühlte Erdoberfläche hinter sich lassend, die daraus gewonnene Energie in sich tragend, durchquert das imaginierte Luftpaket auf seiner Reise in die Höhe eine Umwelt gravitationsbedingt sinkenden Atmosphärendrucks. Dieser Umwelt passt sich das opportunistische Luftpaket an, indem es nach und nach sein Volumen ausdehnt und seine Temperatur verringert. (»Adiabatisch« ist das, weil der Temperaturverlust nicht durch Wärmeabgabe an die Umgebung geschieht, sondern durch Volumen­vergrößerung/​Druck­verringerung.)¹²

Mit sinkender Temperatur bzw. wachsender Kälte des Luftpakets geraten die darin enthaltenen H2O‑Moleküle in Schwierigkeiten. Ab einem bestimmten Punkt, »Wolkenkondensationszone« genannt, beginnt das Luftpaket, H2O‑Moleküle auszubürgern, wodurch diese niederfallen oder Wolken bilden und die Verhältnisse pseudo‐ bis nichtadiabatisch werden.¹³

Je nach ursprünglichem H2O‑Gehalt, Windverhältnissen und weiteren Umständen kommen dadurch in unterschiedlichen Höhen unterschiedliche Arten von Wolken zustande. Deren Lumpenproletariat wird »Nebel« genannt.¹⁴

Bei der Verwandlung von Wasserdampf in Wassertröpfchen oder Eiskristalle wird jene Energie frei, die in Oberflächennähe zur Verdunstung des Wassers aufgewandt wurde. Sie beträgt rund 2260 Joule pro Gramm H2O. Bei einem durchschnittlichen Wolkengewicht von 500.000 kg summiert sie sich auf rund 1.130.000.000.000 Joule pro Durchschnittswolke.¹⁵

Während seines Aufstiegs überlegt so ein imaginäres Luftpaket ständig (hier endet die Vergleichbarkeit mit bestehenden Gesellschaften), ob es nicht lieber absteigen möchte. Zum Absteigen entscheidet sich das Luftpaket, sobald es dichter und damit kälter wird als seine Umgebung. Nicht selten ist die Umgebung des Luftpakets verwirrt: auf der einen Seite warm und nicht ganz dicht, auf der anderen kalt und total dicht. Zudem verwirbeln Winde und andere öko­anarchistische Prozesse die Verhältnisse. Da fällt die Entscheidung nicht leicht – was sich in Wettervorhersagen bemerkbar macht.¹⁶

Sinkt ein Luftpaket, so durchquert es bei seinem Niedergang eine Umwelt steigenden Atmosphärendrucks, da es vom Gewicht einer wachsenden Atmosphärenmasse über sich belastet wird. Dieser Umwelt passt sich das immer noch opportunistische Luftpaket an, indem es sich verdichtet und entsprechend wärmer wird. (»Adiabatisch« ist das, weil der Zugewinn an Wärme nicht durch Wegnahme von Wärme aus der Umgebung geschieht, sondern durch Volumen­verkleinerung/​Druck­erhöhung.)¹⁷

Der Druck in einem Luftpaket entspricht immer dem der Umgebung.
Seine Dichte (= Masse/​Volumen) und Temperatur können
von denen der Umgebung abweichen.

Gasgleichung

Den beschriebenen Luftaktivitäten liegt die universelle Gasgleichung zugrunde, die anlässlich der Untersuchung populärer CO2-Verarschungsexperimente in Folge 9 auftauchte:¹⁸

p : Gasdruck, z.B. in Pascal (Pa)
V : der den Gasteilchen zum Herumfliegen verfügbare Raum, Volumen, z.B. in m3
N : Anzahl der Teilchen (Moleküle, Atome) im Gas
T : Temperatur in Kelvin (K)
kB : Boltzmann‐​Konstante 1,380649·10−23 J /​K.

Die Gleichung besagt: Verändert sich der Druck p, müssen sich das Volumen V, die Temperatur T und/​oder die Teilchenanzahl N ändern, damit der Kram rechts vom Gleichheitszeichen der Boltzmann‐​Konstanten kB gleich bleibt. Verändert sich die Temperatur T, müssen sich der Druck p, das Volumen V und/​oder die Teilchenanzahl N ändern, damit der Kram rechts vom Gleichheitszeichen der Boltzmann‐​Konstanten kB gleich bleibt. Undsoweiter.

Die Gasgleichung bezieht sich auf idealisierte Gase. Für Anliegen hoher Genauigkeit gibt es verfeinerte Varianten wie die van der Waals‑, die Redlich‐​Kwong‐ und die Peng‐​Robinson‐​Gleichung¹⁹ … denen allen wie der Gasgleichung die Strahlungs­frequenz­vorlieben beteiligter Moleküle und Energiequellen am Arsch vorbei gehen.

Daraus lässt sich eine Treibhauseffekt‐​Infragestellung stricken:

Wenn es zur einigermaßen genauen Berechnung der Temperatur eines Gases genügt, Druck, Teilchenanzahl und Volumen sowie die für alle Gasteilchensorten gleiche Boltzmann‐​Konstante zu kennen, wenn bei so einer Berechnung unabhängig von Herumstrahlereien beteiligter Moleküle dieselbe Temperatur herauskommt: Welche nicht‐​marginalen Temperaturwirkungen sollten dann Treibhausgase haben?

Folge 11 ergab: Treibhausgase wie H2O, CO2 usw. fangen Energie aus Infrarotstrahlung ein, mit denen Gasteilchen wie Stickstoff und Sauerstoff (fast) nichts anfangen können. Den Aspekt der Energiezufuhr decken die Gasgleichung und ihre Verfeinerungen nicht ab. Steigt bzw. fällt die Temperatur im Verlauf von Energieaufnahmen/​Photonenabsorptionen bzw. Energieabgaben bei unterschiedlichen Gaszusammensetzungen unterschiedlich, passen sich Druck und Volumen an, so dass den Gasgleichungen und ihren Verfeinerungen Genüge getan ist. Voraussichtlich wird die nächste Folge an dieser Argumentation einen Haken aus der Werkstatt Avogadros finden, aber bis dahin kann man ruhig mal davon ausgehen, dass Treibhauseffekt und Gasgleichung einander nicht widersprechen.

Besonderheit von Wasser

Wolken‐ und Niederschlagsbildungen erhöhen die Temperaturen in höheren Luftschichten. Dies hängt mit der eigenartigen Fähigkeit von Wasser zusammen, bei Phasenübergängen zwischen Eis, flüssigem Zustand und Wasserdampf viel Energie abzugeben bzw. viel latente Energie »aufzubewahren«. In Situationen solcher Phasenübergänge kann man die Gasgleichung in der Wasserpfeife rauchen.

Der hohen latenten Energie und damit verbundenen Lahmarschigkeit des Übergangs zum Wasserdampf haben wir es zu verdanken, dass wir in herkömmlichen Töpfen und bei ungenauer Energiezufuhr Kartoffeln kochen können, ohne dass uns zwischendurch alles Wasser weg‐ oder der Kram um die Ohren fliegt:

Aggregatzustände und Phasenübergänge von Wasser
Oben rot: latente Wärmeenergie

Strahlungsbezogen mag H2O bloß ein infrarot‐​aktiveres Gas als CO2 und andere Treibhausgase sein. Doch energiebezogen ist H2O eine eigene mächtige Nummer. So steht es in einem Atmosphären‐​Buch von 1896:

»Hinsichtlich des Kreislaufs des Lebens konstituieren die Millionen Kubikfuß von Wasserdampf in der Luft, aus denen Wolken und Regen entstehen, das wichtigste Element der Atmosphäre. […] Man hat die Menge der Wärme ermittelt, die zur Verdunstung des Wassers von der Erdoberfläche erforderlich ist. Das Volumen des jährlich verdunstenden Wassers lässt sich durch die Menge des Wassers repräsentieren, das in diesem Zeitraum aus der Atmosphäre [auf die Erdoberfläche] fällt. […] Die Menge der Wärme, die nötig ist, um solch ein Volumen von Wasser zu verdunsten, würde laut Daubrée genügen, um eine den gesamten Globus umschließende Eisschicht von fast 33 Fuß [10 Meter] Höhe zu schmelzen.«²⁰

Troposphäre und Stratosphäre

Aufsteigende Luftpakete stoßen in gewissen Höhen an eine Grenze, ab der die Konvektion zum Erliegen kommt.

Ab einem bestimmten Luftdruck wird die Luft zu dünn, um einen Strom zu bilden und konvektive Strömungs­wärme­transporte hinzubekommen. Fast alle H2O‑Moleküle sind aus dem gasförmigen Zustand in den flüssigen oder festen Zustand übergegangen, zu Wolken geworden oder als Niederschlag niedergeschlagen. Hier beginnt die ruhigere Welt der Tropopause, über sich eine Stratosphäre gespannt, die mit ihrer Ozonschicht viele kurzwellige Sonnenstrahlen fängt.²¹

Die deutschsprachige Wikipedia erklärt:

»In der Troposphäre ist die Luftzirkulation mit ihren adiabatischen Eigenschaften bestimmend für den Temperaturverlauf. In den Schichten darüber tritt die Bedeutung der Konvektion zurück und das Strahlungsgleichgewicht ist bestimmend.«²²

Etwa 75 bis 80 % sämtlicher Teilchen der Atmosphäre befinden sich in der Troposphäre, 24 bis 29 % in der Stratosphäre und knapp 1 % in darüber gelegenen Atmosphärenschichten.²³

Ein Artikel von NASA‐​Wissenschaftlern in der Zeitschrift Nature Geoscience beschreibt den Unterschied zwischen Troposphäre und Stratosphäre etwas genauer und himmelskörperübergreifend:

»In den Atmosphären der Erde, des Titans, des Jupiters, des Saturns, des Uranus und des Neptuns tritt bei einem Druck von etwa 0,1 bar [10.000 Pascal] eine minimale atmosphärische Temperatur bzw. Tropopause auf, trotz großer Unterschiede in der Zusammensetzung der Atmosphäre, der Schwerkraft, der internen Wärme und der Sonneneinstrahlung.

In all diesen Körpern trennt die Tropopause eine Stratosphäre mit einem Temperaturprofil, das durch die Absorption kurzwelliger Sonnenstrahlung gesteuert wird, von einer darunter liegenden Region, die durch Konvektion, Wetter und Wolken gekennzeichnet ist. Es ist jedoch nicht klar, warum die Tropopause bei einem bestimmten Druck nahe 0,1 bar liegt. […]

[W]ir zeigen, dass bei einem Atmosphärendruck von weniger als 0,1 bar die Transparenz für Wärmestrahlung [Infrarotstrahlung] die kurzwellige Erwärmung dominieren lässt, wodurch eine Stratosphäre entsteht. Bei höheren Drücken wird die Atmosphäre für Wärmestrahlung undurchlässig, wodurch mit zunehmender Tiefe die Temperaturen steigen und Konvektion entsteht.«²⁴

An dieser Stelle könnte man sich vielleicht fragen, ob in Erklärungen zum Treibhauseffekt Bilder wie das folgende, in denen ganz klar Strahlen die Troposphäre dominieren, einen angemessenen Eindruck vermitteln:

Screenshot aus einem Vortrag von
Paul Cockshott: The basic physics of global warming. 2.9.2021

Temperaturgradient der Troposphäre

In der Troposphäre mit ihrem 75‐ bis 80‐​prozentigen Materialanteil steigt die Temperatur mit zunehmender Oberflächennähe im Rahmen von Konvektionsprozessen. In der Stratosphäre steigt die Temperatur mit abnehmender Oberflächennähe im Rahmen von Strahlungsprozessen.

Solange Luftpakete ihr H2O gasförmig bei sich behalten oder H2O gar nicht erst mitführen, beträgt die durchschnittliche vertikale troposphärische Temperaturänderung laut Bescheidwissenden etwa 9,8 °C pro 1000 Meter. Dieser Temperaturgradient wird »trockenadiabatisch« genannt. Kommt es zu Kondensationen, beträgt die Temperaturänderung infolge der dabei in verschiedenen Höhen frei werdenden latenten Energie des Wasserdampfs nur noch etwa 5 bis 7 °C pro 1000 Meter – »feuchtadiabatisch« genannt.²⁵

Übliches Lehrmaterial und Luftfahrtorganisationen geben einen in der Praxis relativ häufig anzutreffenden Feuchtadiabaten von 6,5 °C pro 1000 Meter als Standardwert an.

Atmosphärische Temperaturgradienten der
Troposphäre und Stratosphäre
nach der Internationalen Standardatmosphäre.
Rechts: grobe Illustration zur höhenabhängigen Teilchendichte.²⁶

Der Temperaturgradient von 6,5 °C pro 1000 Meter der Internationalen Standardatmosphäre lässt sich als etwas verstehen, das Durchschnittsbedingungen in Balance darstellt. Luft mit durchschnittlichem Wasserdampfgehalt steigt in ausgeglichener Weise auf und ab, so dass sie im Durchschnittszustand in ihren jeweiligen Höhen zufrieden ist und keinen Anlass zu Auf‐ und Abbewegungen hat.

Atmosphärische Balance /​hydrostatisches Gleichgewicht
besteht, wenn die Kraft, die eine Luftschicht nach oben drückt (pu · A),
so groß ist wie die Gewichtskraft der Luftschicht (deren Masse mal Erdanziehung)
plus die Kraft, die sie nach unten drückt (po · A).²⁷

Temperaturgradienten der wirklichen Welt sind überall und ständig aus unzähligen Gründen anders, als der Standardgradient der Standardatmosphäre, aber oft gar nicht sooo anders:

Gemessene Temperaturgradienten aus dem Jahr 1909
A, B und C: Ballonmessungen am gleichen Ort in verschiedenen Wetterlagen.
S: Standardgradient mit 6,5 °C Steigung pro 1000 m.²⁸

Für die besonders interessanten Temperaturen 15 °C und ‑18 °C gilt laut Internationaler Standardatmosphäre:

Mit dem Standardgradienten 6,5 °C pro 1000 m hängen diese Angaben wie folgt zusammen:
-18 + 6,5 · 5077 /​1000 = 15 °C.²⁹

Hier findet eine Temperaturerhöhung um 33 °C statt!
Wo ist der Treibhauseffekt?

Nach den bisherigen Beschreibungen kommt es bei Konvektionsprozessen mit zunehmender Höhe zu einer Temperatursenkung und mit wachsender Oberflächennähe zu einer Temperaturerhöhung, die beide mit Gravitation und Druck zu tun haben. Die von der Sonne stammende Energie wird so umverteilt, dass es unten in der Troposphäre wärmer ist als im Mittel und oben in der Troposphäre kälter als im Mittel. Das Mittel liegt in der Standardatmosphäre ungefähr bei ‑18 °C in 5077 Metern Höhe.

Laut üblichen Lehrmaterialien lassen sich troposphärische Temperaturgradienten (TG) ohne Berücksichtigung besonderer Strahlungs­frequenz­vorlieben beteiligter atmosphärischer Teilchen berechnen: Man nehme die Anziehungskraft des Planeten (g) und teile sie durch die mittlere spezifische Wärmekapazität der Teilchen, aus denen die jeweilige Troposphäre besteht:³⁰

TG = g / cspez

(Konventionell wird rechts vom Gleichheitszeichen ein Minuszeichen angebracht – ich lasse es zur Vorbeugung von Kopfknoten weg.)³¹

Die Anziehungskraft g, offiziell »Gravitationsbeschleunigung«, der Erde beträgt etwa 9,81 m/​s2 in Oberflächennähe und 9,79 m/​s2 in 5077 m Höhe.

Spezifische Wärmekapazitäten cspez tauchten anlässlich einer vertiefenden Untersuchung populärer CO2-Verarschungsexperimente in Folge 10 auf. In der hier verwendeten Fassung bedeuten sie: die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes um 1 °C (gleich 1 K) zu erwärmen. Spezifische Wärmekapazitäten ergeben sich aus dem Aufbau der Teilchen, nicht aus deren Strahlungs­frequenz­vorlieben – wobei sich letztere ebenfalls aus dem Aufbau der Teilchen ergeben.

Spezifische Wärmekapazitäten werden in zwei Varianten angegeben. In atmosphärischen Dingen ist die Variante mit flexiblem Volumen entscheidend, denn mangels Weckglasdeckel darf sich die Luft bei Erwärmung ausdehnen.³²

Im Zusammenhang mit dem veränderlichen Volumen ist die Troposphäre in verschiedenen Gegenden und zu verschiedenen Zeiten um einige Kilometer aufgeblähter als in und zu anderen:

Höhe der Tropopause von Pol zu Pol
zu verschiedenen Jahreszeiten→ etwa 9 km Unterschied³³

Höhe der Tropopause zu verschiedenen Tageszeiten
gemessen per Radar in Gadanki (Indien), Dezember 2004
→ etwa 1,5 km Unterschied³⁴

Temperaturwirkungen

Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes kann sich ändern, wenn der Stoff wärmer oder kälter wird, und auch, wenn der Stoff unter größerem oder geringerem Druck steht. Deshalb kommen mit der Formel TG = g / cspez unterschiedliche Temperaturgradienten heraus, je nachdem, auf welchen Druck und auf welche Temperatur bezogen man cspez ermittelt.

Leute, die sich mit Atmosphärenpysik und Meteorologie befassen, tragen den natürlichen Komplexitäten mit komplizierter Mathematik und Augenschmerzern wie diesem Rechnung:³⁵

Emagramm (Energie‐​Masse‐​Diagramm)
Die diagonalen durchgezogenen Linien stellen den Gradienten 9,8 °C pro 1000 Meter dar.
Sobald Kondensation und Verdunstung eine Rolle spielen,
wird aufgrund von deren Temperaturabhängigkeit
die Neigung der Gradienten temperaturabhängig (gestrichelte Linien).³⁶

Einfache Schulalgebra mag reichen, um das Verhalten von Temperaturgradienten anzudeuten.

Mit den Werten der Tabelle oben finden sich in der (noch?) kostenlos verfügbaren Datensammlung eines Instituts des Handelsministeriums der USA folgende spezifische Wärmekapazitäten cspez für die Hauptkomponenten der Luft. Aus ihnen lässt sich die Wärmekapazität trockener Luft (enhaltend N2, O2, Ar und 415 ppm CO2, jedoch kein H2O) berechnen:³⁷

Aus diesen Wärmekapazitäten kann man nach dem Muster
TG = g / cspez = 9,79 /​1009,1 ≈ 0,00970
auf 1000 Meter bezogen: 1000 ⋅ 0,00970 = 9,70 °C

folgende Temperaturgradienten basteln:

Der hier mit einfachsten Mitteln errechnete Temperaturgradient von trockener Luft mit 415 ppm CO2 ‒ 9,70 °C pro 1000 m ‒ passt recht gut zum üblicherweise angegebenen trockenadiabatischen Gradienten von 9,8 °C pro 1000 m.³⁸

Sämtliches CO2 aus der Luft rauszuschmeißen (Spalte ganz rechts), würde praktisch keinen Unterschied machen – von der Tötung sämtlicher Landlebewesen abgesehen.

Bestünde die Atmosphäre jedoch nicht nur zu 0,04 %, sondern komplett aus CO2 (vorletzte Spalte), so hätte sie mit gemittelt 11,92 °C pro 1000 m einen deutlich höheren Temperaturänderungsbetrag als die trockene Luft. Eine reine Argon‐​Atmosphäre hätte einen noch höheren.³⁹ Grafisch entspricht dies einer Abflachung der Gradienten:

Verdunstung und Kondensation machen Temperaturgradienten deutlich steiler. Bei höheren CO2-Konzentrationen werden Gradienten flacher. Würde die Gradientenabflachung höhere Temperaturen in Oberflächennähe und niedrigere in der Höhe mit sich bringen?

Trotz intensiver Suche konnte ich nichts Panikmacherisches in Richtung CO2-bedingte Änderungen von Wärmekapazitäten der Luft finden. Deren Ausmaß wird demnach trotz medientechnologisch maximal verdummbarer Öffentlichkeiten nicht als panikmachgeeignet angesehen. Hoffentlich liegt das nicht bloß an einem Interesse einflussreicher Kreise, keine Aufmerksamkeit auf Nichtstrahlungsthemen zu lenken. Denn die Zunft der Paläoklimatologie nimmt Wärmekapazitäten durchaus ernst:

»Wir stellen fest, dass eine höhere atmosphärische Masse tendenziell zu einem Anstieg der oberflächennahen Temperatur führt, was vor allem auf eine Erhöhung der Wärmekapazität der Atmosphäre zurückzuführen ist […].

Außerdem nimmt die vertikale Advektion von Wärme durch Eddies [Zuführung von Wärme durch Wirbelströmungen] mit zunehmender atmosphärischer Masse ab, was zu einer weiteren Erwärmung in Oberflächennähe führt.«⁴⁰

Temperaturgradienten für sich sagen nichts darüber aus, auf welcher Temperatur ihre Füße nahe der Erdoberfläche zu stehen kommen. Ihre Berechnung mit g / cspez sagt nichts darüber aus, wie lang die Gradienten sind bzw. in welcher Höhe die Tropopause beginnt und auch nichts darüber, wie schnell konvektionelle und kondensationsbedingte Temperaturänderungen passieren. Könnte bei wärmerer Oberfläche der adiabatische Kram vielleicht schneller vonstatten gehen?

Für Antworten auf solche Fragen wären die Gradienten in weitergehenden Zusammenhängen zu betrachten. Einer davon betrifft energetische Gleichgewichtsbedingungen:

Damit einigermaßen ausbalancierte Bedingungen im System Erde/​Atmosphäre eintreten, müssen Temperaturgradienten von ihrer Neigung und Höhe her rechnerisch über kurz oder lang insbesondere mit folgender Gleichgewichtsbedingung zusammenpassen: Das Gesamtsystem Erde/​Atmoshpäre muss so viel Energie ans Weltall abgeben wie es von der Sonne ständig neu dazubekommt.

Energieabgaben ans Weltall sind nur durch Strahlung möglich, da im Weltall Teilchen für Konvektionen und zum Gegeneinanderbollern fehlen.

Manche sagen, ohne Treibhausgase könnte das System Erde/​Atmoshpäre überhaupt keine Energie ans Weltall abgeben und würde vor Hitze verpuffen, da nicht‐​infrarot‐​aktive Luftmoleküle wie O2 und N2 zur strahlungsmäßigen Kühlung nicht geeignet seien. NASA‐​Lehrmaterialien sagen was anderes:

»In Festkörpern schwingen die Moleküle und Atome ständig. In einem Gas rasen die Moleküle regelrecht herum und stoßen ständig aneinander. […] Je heißer das Material ist, desto schneller schwingen oder bewegen sich seine Moleküle.

Elektromagnetische Strahlung wird immer dann erzeugt, wenn elektrische Ladungen beschleunigt werden, d.h. wenn sie entweder die Geschwindigkeit oder die Richtung ihrer Bewegung ändern. In einem heißen Objekt vibrieren die Moleküle ständig (bei einem Festkörper) oder stoßen aneinander (bei einer Flüssigkeit oder einem Gas), so dass sie sich gegenseitig in verschiedene Richtungen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen. Jeder dieser Zusammenstöße erzeugt elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen im gesamten elektromagnetischen Spektrum. […]

Jede Materie, die über den absoluten Nullpunkt hinaus erwärmt ist, erzeugt elektromagnetische Energie.«⁴¹

Inversionen und nächtliche Kühlung

Temperaturgradienten der wirklichen Welt können Knicke aufweisen. Bereits in den Ballonmessungen von 1909 tauchen sie auf:

Die Gradienten‐​Knicke – Luftschichten, in denen die Temperaturen mit zunehmender Höhe steigen, anstatt zu fallen – heißen »Inversionen«.

Eine Studie von 2022 mit Messdaten von knapp 500 weltweit verteilten Wetterballons aus der Zeit zwischen 1989 und 2019 fand, dass in den unteren 300 Metern der Atmosphäre rund 50 % der Messungen Inversionen aufweisen.⁴²

Inversionen können unter anderem durch horizonale Einströmungen kalter Luftmassen entstehen. Die häufigste Art von Inversion entsteht jedoch nachts.

Lehrmaterialien der Universität von Northern Vermont, Lyndon State College, erklären:

»• Während der Nachtstunden heizt keine SW [kurzwellige Strahlung] den Boden auf, so dass sich der Boden schnell abkühlt. • Daher findet eine Wärmeübertragung von der warmen Luft auf den kalten Boden durch Konduktion statt. • Diese Wärmeübertragung erfolgt in einer flachen Schicht in Bodennähe, da Luft ein schlechter Leiter ist. • Es bildet sich eine ›Strahlungsinversion‹: eine flache Luftschicht nahe der Erdoberfläche, in der die Temperatur mit der Höhe zunimmt.«⁴³

Ein Meteorologe erklärt es auf den staatlichen Wetterseiten der USA etwas strahlungsorientierter, ohne Konduktion:

»Die Erde wird nachts durch die Abstrahlung langwelliger Strahlung in den Weltraum abgekühlt. Dies ist in klaren Nächten mit wenig Wind und trockener Luft am stärksten. Die Luft in der unteren PBL [, der planetaren Grenzschicht (planetary boundary layer),] kühlt sich nachts viel schneller ab als die Luft im oberen Teil der PBL. Dies führt zu einer Inversion, die zuweilen recht beeindruckend sein kann. Diese Inversionen bilden sich im Allgemeinen schnell zurück, sobald die Erwärmung der Tagesstunden die untere PBL erwärmt.«⁴⁴

Beide Erklärungen passen zusammen: die Abkühlung der untersten Luftschicht geschieht durch Berührung (Konduktion) der kälteren Erdoberfläche; die Abkühlung der Erdoberfläche geschieht durch Abgabe langwelliger Strahlung.

Nachts und über den 30 % Landflächen, über die unsere Erde verfügt, kommt endlich das Treibhausgasige von Treibhausgasen als eigenständiger Wirkungsfaktor zur Geltung!

Nach üblichen Lehrmaterialien sieht das etwa so aus:

Energieflüsse an der Erdoberfläche (Land)
links: tagsüber, rechts: nachts
Die Pfeillängen deuten »typische« Energieverteilungen über Land an.
Grafik unten: »typische« Energiefluss‐Werte
über feuchter Landoberfläche mit feuchter Luft.⁴⁵

Man kann sich leicht vorstellen, dass infrarot‐​aktive Gase wie H2O und CO2 die nächtliche Abkühlung der Erdoberfläche behindern, indem sie deren langwellige Strahlung »einfangen«. Erhöhte CO2-Konzentrationen müssten demnach die nächtlichen Temperaturen relativ zu den Tagestemperaturen nach oben verschieben, so dass der Unterschied zwischen Nacht‐ und Tagestemperaturen kleiner wird. In welchem Ausmaß findet diese Verringerung des Tagestemperaturbereichs (DTR – diurnal temperature range), wie das fachleutisch genannt wird, statt?

Im sechsten IPCC‐​Sachstandsbericht von 2021/​2023 wird die Verringerung der DTR als »Fingerabdruck« für eine durch höhere CO2-Konzentrationen verursachte globale Erwärmung bezeichnet (Seite 182), aber nicht anhand von Daten nachgewiesen. Auf Seite 324 heißt es bloß, was vor 1950 mit der DTR los war, sei unbekannt. Für die Zeit »nach 1950 gingen die Schätzungen übereinstimmend davon aus, dass die DTR weltweit abgenommen hat, wobei der größte Teil dieses Rückgangs im Zeitraum 1960 – 1980 zu verzeichnen war.«

Eine Studie von 2020 konnte zwischen 1983 – 2017 keinen globalen Trend der DTR feststellen und machte in Gebieten, in denen es nachts doller wärmer wurde als am Tag, Wolken verantwortlich.⁴⁶

Abkühlungshemmungen durch Treibhausgase wären genauere Nachforschungen wert. Bezüglich der Frage des Treibhauseffekts – also des Treibhauseffekts – würden sie aber kaum weiterhelfen. Der Treibhauseffekt bewirkt laut Umweltbundesamt eine Erwärmung von ‑18 auf 15 °C, nicht bloß eine gehemmte Abkühlung, bei der zu fragen wäre, woher die Wärme kommt, die abgekühlt werden kann.

Temperaturgradienten und CO2

Die folgenden Grafiken illustrieren Einschätzungen des Zusammenhangs zwischen CO2 und atmosphärischen Temperaturgradienten IPCC‐​naher Kreise.

Temperaturgradienten bei
unterschiedlichen atmosphärischen CO2-Konzentrationen
Links: nach Manabe & Wetherald (1967/​2019)⁴⁷
Rechts: nach modernen Lehrmaterialien⁴⁸

In den Illustrationen wird der troposphärische Temperaturgradient, d.h. der Gradient unterhalb von rund 11000 Metern Höhe, durch höhere atmosphärische CO2-Konzentrationen nicht in seiner Neigung verändert, wie es nach traditionellen Berechnungen zu erwarten wäre. Stattdessen bewirken höhere CO2-Konzentrationen eine Parallelversetzung.

Wäre nicht eine Änderung der Gradientenneigung zu erwarten? Etwa ein Steilerwerden wie im Emagramm oben, da mit höheren Temperaturen mehr Wasserdampf in die Luft gelangt? Bei 71 % Ozeanoberfläche auf der Erde herrscht an Wasserverdunstungsmengen auf der hier betrachteten Prinzipienebene kein Mangel.⁴⁹

Strahlungsangelegenheiten

Als Beispiele für wissenschaftliche Darstellungen des Verhältnisses zwischen Strahlungsflüssen und troposphärischem Temperaturgradienten bzw. Konvektion einige Zitate aus hochseriösen Quellen:

Grundlagenartikel 1978:
»Konvektion unterstützt die Strahlung beim Transport von Energie von der Oberfläche des Planeten in die Atmosphäre. […] Das Temperaturprofil wird im Wesentlichen durch die vertikale Verteilung der solaren und langwelligen Strahlungsflüsse bestimmt, die wiederum von der vertikalen Verteilung der optisch aktiven atmosphärischen Gase, Aerosole und Wolken sowie von den optischen Eigenschaften der Oberfläche, der Wolken, der atmosphärischen Gase und der Aerosole abhängen. Die wichtigsten optisch aktiven Gase sind die […] Spurengase H2O, CO2 und O3.«⁵⁰

Studie 2019:
»Auf globaler Ebene muss die zeitlich gemittelte Abkühlung der Atmosphäre durch Strahlung von der […] Erwärmung ausgeglichen werden durch Kondensation und Zufuhr fühlbarer Wärme von der Oberfläche. Diese sehr einfache energetische Anforderung an die globale Atmosphäre ist als Strahlungs‐​Konvektions‐​Gleichgewicht (RCE – radiative convective equilibrium) bekannt geworden. […] Trotz seiner weit verbreiteten Verwendung in Modellstudien […] ist nur wenig über das RCE aus Beobachtungen bekannt, einschließlich der Skalen, auf die es anwendbar ist, und seiner Beziehung zur Struktur der Konvektion.«⁵²

Studie 2022:
»Um die Bedeutung von Änderungen des Temperaturgradienten für die Kühlung durch Strahlung besser einschätzen zu können, vergleichen wir die Ergebnisse eines globalen Klimamodells, bei dem die Temperaturprofile annähernd feuchtadiabatisch bleiben, mit denen eines Wolkenauflösungsmodells mit begrenztem Bereich [Modell, das Konvektionsvorgänge in Wolken darstellen kann, sich dafür aber nicht auf den gesamten Globus bezieht], bei dem der Temperaturgradient mit zunehmender Erwärmung des Klimas in der mittleren Troposphäre zunehmend von einem feuchten Adiabat abweicht. Eine mögliche Erklärung für die Unterschiede zwischen den beiden Modellergebnissen ist, dass die Abkühlung der Luftpakete durch den Einzug trockener Luft den Temperaturgradienten erhöht.«⁵³

Forschungsbrief 2023:
»Das Verständnis der Oberflächentemperatur ist wichtig für die [Einschätzung der] Habitabilität [von Planeten]. Jüngste Arbeiten zum Mars ergaben, dass die Abhängigkeit der Oberflächentemperatur von der Höhe (Temperaturgradient der Oberfläche [d.h. etwa: von Tal bis Bergspitze]) im Grenzfall einer dünnen CO2-Atmosphäre gegen Null konvergiert. Die Mechanismen, die den Temperaturanstieg an der Oberfläche steuern, sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Es bleibt unklar, wie der Temperaturgradient der Oberfläche sowohl vom Treibhauseffekt als auch vom Oberflächendruck abhängt.«⁵⁴

Um dem CO2 und anderen Treibhausgasen wissenschaftlich begründbar Fähigkeiten zur Erwärmung der Erdoberfläche zuschreiben zu können, ist es wichtig, in troposphärische Konvektions‐ und Verdunstungs‐​/​Kondensationsangelegenheiten frequenzspezifische Strahlungsangelegenheiten reinzubringen – wenn man erstere schon nicht komplett unter Strahlungsangelegenheiten subsummieren kann (worauf der Grundlagenartikel von 1978 noch zu hoffen scheint).

Heute angewandte Methoden der Durchdringung troposphärischer Konvektions‐ und Verdunstungs‐​/​Kondensationsangelegenheiten mit Strahlungsangelegenheiten gehen auf die 1960er Jahre zurück. Damals wurden leistungsfähige Computer für den nichtmilitärischen Gebrauch preiswert genug, um komplexere Klimamodelle aufbauen zu können. Der eingangs zitierte Syukuro Manabe machte sich mit anderen Mitarbeitenden der NOAA daran, in Form eines Computermodells

»Strahlungsflüsse in das allgemeine Zirkulationsmodell der Atmosphäre zu integrieren.« (Manabe & Wetherald 1967)⁵⁵

Die Integration bestand darin, Konvektion als Korrekturfaktor zu verwenden, der eingesetzt wird, wenn Strahlungsrechnungen physikalischen Unsinn ergeben. Man nennt das »konvektive Korrektur« oder auch »konvektive Anpassung«. In den Worten eines NOAA‐​Wissenschaftlers 2011:

»Integriert man ein solches [RCE‐] Modell bis zum Gleichgewicht ohne jegliche konvektive Umverteilung von Energie – d.h. berechnet man ein reines Strahlungsgleichgewicht – wird das Ergebnis in der Nähe der Oberfläche gravitativ stark instabil. […] MW [Manabe & Wetherald] passen nicht wirklich an den trockenen adiabatischen [Temperaturgradienten‐] Wert an. Wenn man das tut, ist die Tropopause zu niedrig und der troposphärische Temperaturgradient zu groß. Der beobachtete, global gemittelte Temperaturgradient beträgt etwa 6,5 K/​km. MW verwenden einfach diesen beobachteten Wert als kritischen Temperaturgradienten, was zu einer vernünftigen Tropopausenhöhe führt.«⁵⁶

Mit den Jahren setzte sich die »konvektive Anpassung« mehr und mehr durch. Einer Studie von 2003 zufolge hatten einige Beteiligte Gewöhnungsprobleme:

»Obwohl viele terrestrische Modelle jetzt konvektive Parametrisierungen von unterschiedlicher Komplexität enthalten (siehe z.B. Emanuel, 1994), sind die meisten Modelle der vertikalen Struktur planetarer Atmosphären radiativ‐​konvektive Modelle vom Typ ›konvektive Anpassung‹ […]

Diese Modelle geben den konvektiven Wärmestrom oft nicht explizit an, und auch die zugehörige Literatur enthält ihn in der Regel nicht. Dieser wird als interner Parameter betrachtet, der einfach dazu dient, das Modell so einzustellen, dass es unterhalb eines bestimmten kritischen Temperaturgradienten bleibt. Dieser kritische Temperaturgradient wird manchmal als Trockenadiabat festgelegt, obwohl für terrestrische Modelle typischerweise der globale durchschnittliche Temperaturgradient von 6,5 K/​km (etwas weniger als das Trockenadiabat von 10 K/​km) genommen wird.

Diese Wahl stellt ein gewisses ›Tuning‹ der Modelle dar, das in einigen Fällen die zugrundeliegenden Phänomene und die sich daraus ergebenden Effekte verschleiern kann«.⁵⁷

Klima‐​Lehrbücher, soweit ich kostenlosen Zugriff darauf habe, erklären Atmosphären­berechnungen als Versuch‐​und‐​Irrtums‐​Aktion:

»1. Löse zunächst die Strahlungstransportgleichungen für das Strahlungsgleichgewicht [Gleichgewicht des Systems Erde/​Atmosphäre mit der eintreffenden Sonnenenergie].

2. Schätze die Höhe der Tropopause und erhalte so die Temperatur bis zum Erdboden.

3. Integriere die Gleichungen für den Strahlungstransport von oben nach unten. Auf diese Weise wird das Strahlungsgleichgewicht erreicht, aber es gibt keine Balance an der Oberfläche, wenn die Temperatur kontinuierlich verläuft. Das heißt, σTg4 ≠ U (z = 0).

4. Ändere die Höhe der Tropopause, finde eine andere Lösung und wiederhole den Vorgang, bis die Strahlungsbilanz der Oberfläche erreicht ist.

Eine Alternative ist die Spezifikation der Oberflächentemperatur und die Integration der Strahlungstransportgleichungen entlang eines bestimmten Temperaturgradienten vom Boden bis zu einer bestimmten Höhe, jenseits derer wir annehmen, dass ein Strahlungsgleichgewicht besteht. Dieses Verfahren ergibt nicht die richtige Abstrahlung, so dass das Verfahren wiederholt durchlaufen werden muss.«⁵⁸

Zusammenfassung

Nach üblichem physikalischen und meteorologischen Grundwissen lassen sich die Temperaturen der Troposphäre im Wesentlichen durch Prozesse beschreiben, in denen spezielle Fähigkeiten atmosphärischer Teilchen zur Absorption und Emission von Strahlung ignorierbar sind, ohne dass dadurch Ergebnisse herauskommen, die mit Beobachtungsdaten nicht zusammenpassen würden.

Die Gravitationsbeschleunigung g und das Vorhandensein einer Atmosphäre mit genügend vielen Teilchen, so dass gravitationbedingt ein Mindestdruck entsteht, erzeugen bei gegebener Sonneneinstrahlung ein Temperaturregime, das von Zusammenhängen entsprechend der traditionellen Wärmelehre mit ihrer Gasgleichung bestimmt ist.

Mit zunehmender Nähe zur Oberfläche steigt die Gewichtsbelastung atmosphärischer Schichten durch die darüberliegenden Schichten. Dadurch steigen mit zunehmender Nähe zur Oberfläche in der Atmosphäre der Druck und die Temperatur. Nach üblichen Lehrbuchformeln kommen dementsprechend mit und ohne Treibhausgase geneigte Temperaturgradienten heraus.

Das Ausmaß der Temperatursteigerung, die Steilheit des durchschnittlichen troposphärischen Temperaturgradienten, zu der ein Planet mit konvektionsfähiger Atmosphäre befähigt ist, hängt hauptsächlich ab

• von der Masse des Planeten, die über g entscheidet
• von den Massen und dem Aufbau der Teilchen, aus denen die Troposphäre besteht, und die über deren spezifische Wärmekapazitäten entscheiden
• vom Ausmaß bzw. Vorhandensein von Verdunstung und Kondensation.

Methoden, in die vertikale Temperaturänderung auf spezielle Infrarot‐​Absorptionsfähigkeiten beziehbare Strahlungsberechnungen reinzubringen, sind nicht durch direkte Messungen von Strahlungswirkungen überprüfbar, so dass man auf Computermodelle angewiesen ist. Nach dem, was ich in der kostenlos zugänglichen Wissenschaftsliteratur finden konnte, geht es dabei eher um Theorien, über die diskutiert wird, als um gesicherte Erkenntnisse.

Das wundert vielleicht Leute weniger, die irgendwo aufgeschnappt haben, dass sich das Temperaturverhältnis zwischen höher gelegenen Gegenden und Erdoberfläche bei trockener Luft allein aus Luftdrücken und Wärmekapazitäten berechnen lässt:

Poisson‐​Gleichung

R ist die universelle Gaskonstante 8,314. cp ist die mol‐​bezogene spezifische Wärmekapazität der Luft bei flexiblem Volumen.⁵⁹

Poisson‐​Gleichung der Erde⁶⁰
bei trockener Luft: R/​cp = 0,286

Gleichungen wie die von Poisson, die Gasgleichung oder auch die Temperaturgradienten‐​Formel unterstellen eine idealisierte Welt. Energietransporte durch Verdunstung und Konvektion von Wasser, komplizierte Vorgänge der Strömungsmechanik, die zum Beispiel mit der Drehung der Erde um sich selbst zu tun haben, und Unzähliges mehr hat messbare Einflüsse auf die Temperaturen und kann sogar für Inversionen sorgen.

Wie spielt in all das die Strahlung hinein?

Gestrahlt wird überall und ständig. So gesehen ist Strahlung in den Thermo‐ und hydrodynamischen Gleichungen eingebettet und wird von den Messgeräten erfasst, jedoch nicht getrennt von massebehafteter Körperlichkeit.

Der mit Ehrungen dekorierte Meteorologe David Brunt, Sohn eines Minenarbeiters und Namensgeber des Brunt‐​Eisschelfs in der Antarktis sowie der Brunt‐​Väisälä‐​Frequenz (was immer das ist), teilte in den 1930ern die Energie, die er als »meteorologisch wichtig« einschätzte, in vier Klassen ein:

»(1) Kinetische Energie [Bewegungsenergie] der allgemeinen Zirkulation sowie der Strömungen in Tiefdruckgebieten und Antizyklonen [Hochdruckgebieten].

(2) Turbulente Energie oder die mit den Eddies der Hauptströmungen [wirbelförmige Strömungen der Atmosphäre und Ozeane] verbundene Energie.

(3) Potentielle Energie (Gravitationsenergie) [Energie der Höhenlage, die beim Herunterfallen zu kinetischer Energie wird].

(4) Thermische Energie [kinetische Energie, die sich als Temperaturänderung äußert].«⁶¹

Dazu merkte Brunt an:

»Es wird darauf hingewiesen, dass in der obigen Klassifizierung die Strahlungsenergie nicht enthalten ist. Meteorologisch gesehen ist diese Energie unwirksam, bis sie von der Atmosphäre absorbiert wird, was sich in einer Änderung der Positionen 3 und 4 der Klassifizierung zeigt.«⁶²

Wissenschaftliche Begriffserklärungen

Trotz vieler offener Fragen ist an dieser Stelle hoffentlich genug gelernt, um wissenschaftliche Erklärungen des Begriffs »Treibhauseffekt« angemessen würdigen zu können.

Die bis heute gültige, seriöseste aller seriösen wissenschaftlichen »Treibhauseffekt«-Begriffserklärungen wurde in der Anfangszeit des Klimaschutzes geprägt. Sie findet sich beispielsweise in einem Artikel von Mitarbeitenden des Goddard Institute for Space Studies (GISS) der NASA von 1981. Hauptautor ist James Hansen, damaliger Direktor des GISS und Vorreiter einer verantwortlichen Klima(-anlagen-)politik (siehe Folge 5). Im GISS‐​Artikel heißt es:

»Die effektive Strahlungstemperatur der Erde, Te, wird dadurch bestimmt, dass die Infrarotstrahlung des Planeten die absorbierte Sonnenstrahlung ausgleichen muss […] dies ergibt Te ~ 255 K.

Die mittlere Oberflächentemperatur beträgt Ts ~ 288 K. Der Überschuss, Ts ‒ Te, ist der Treibhauseffekt von Gasen und Wolken, die bewirken, dass das mittlere Strahlungsniveau oberhalb der Oberfläche liegt.

Eine Schätzung der Treibhaus‐​Erwärmung [Original: greenhouse warming] ist
Ts ~ Te + ΓH

wobei H die strahlungsflussgewichtete mittlere Höhe der Emission in den Weltraum und Γ der mittlere Temperaturgradient (lapse rate) zwischen der Oberfläche und H ist.«⁶³

Γ ist ein offizieller Buchstabe für Temperaturgradienten, ein griechisches großes Gamma. Als »strahlungsflussgewichtete mittlere Höhe der Emission« H macht der GISS‐​Artikel 5 bis 6 km aus. Diese Höhe passt gut zu den 5077 Metern der heutigen Standardatmosphäre.

Laut obigem Zitat ist der Temperatur‐​Unterschied zwischen Erdoberfläche und rund 5 Kilometern Höhe, Ts ‒ Te, der mit der Gradienten‐​Formel TG = g / cspez ergänzt durch Wasserangelegenheiten berechnet werden kann und der nach der Poisson‐​Formel, abgesehen von Wasserangelegenheiten, mit Luftdrücken und Wärmekapazitäten beschreibbar ist, der »Treibhauseffekt«.

Das sieht zunächst nach einer simplen Etikettierung des troposphärischen Temperaturgradienten als »Treibhauseffekt« aus – mit dem praktischen Effekt, dass so ein »Treibhauseffekt« konkret nachmessbar und beim Bergwandern sogar fühlbar ist.

Im GISS‐​Artikel wird aber nicht nur etikettiert, sondern auch gerechnet. Dem mit Gasgleichung und Wärmekapazitäten zusammenhängenden konvektiven Energietransport wird ein Summand hinzugefügt, der einen separaten strahlungsbasierten Energietransport repräsentieren soll. Kommt Quatsch dabei heraus, wird entsprechend der Methode der »konvektiven Korrektur« ein Temperaturgradient von 6,5 °C pro 1000 m gesetzt. »Dieser Grenzwert parametrisiert die Auswirkungen der vertikalen Durchmischung und der großräumigen Dynamik«, heißt es im GISS‐​Artikel dazu. Das, was einen 33 °C‑Unterschied bewirkt, ist zu einem Parametrisierungselement der Strahlenberechnung geworden.

Treibhauseffekt‐​Formel aus Hansen et al. 1981
Man geht von einer höhenabhängigen Temperatur T aus,
die wie auch immer entstanden sein mag. Strahlungswirkungen
bringt ein Summand dFr/​dh beim Warten um eine Zeitspanne Δt
nach Hinzufügen von Treibhausgasen zustande.

Der Treibhauseffekt‐​Begriff im GISS‐​Artikel entspricht nicht dem zu Anfang zitierten des sechsten IPCC‐​Sachstandsberichts. Dieser nennt den 33 °C‑Unterschied nicht »Treibhauseffekt«.

Im Glossar des dritten IPCC‐​Sachstandsberichts von 2001 war die Anerkennung der konvektiven sonnen‐ und gravitationsbedingten Temperaturänderung als eigenständiger Faktor noch etwas deutlicher formuliert als im sechsten Sachstandsbericht:

»Treibhausgase absorbieren effektiv die Infrarotstrahlung, die von der Erdoberfläche, von der Atmosphäre selbst und von den Wolken abgegeben wird. Die atmosphärische Strahlung wird nach allen Seiten abgestrahlt, auch nach unten zur Erdoberfläche. Die Treibhausgase halten also die Wärme im System Oberfläche‐​Troposphäre zurück. Dies wird als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet.

Die atmosphärische Strahlung ist stark an die Temperatur der Höhe gekoppelt, in der sie emittiert wird. In der Troposphäre nimmt die Temperatur im Allgemeinen mit der Höhe ab. Die in den Weltraum abgestrahlte Infrarotstrahlung hat ihren Ursprung in einer Höhe mit einer durchschnittlichen Temperatur von ‑19°C, die im Gleichgewicht mit der einfallenden Nettosonnenstrahlung steht, während die Erdoberfläche eine viel höhere Temperatur von durchschnittlich +14°C aufweist.«⁶⁴

Anders als das IPCC setzt die eingangs zitierte Begriffserklärung von Manabe wie der GISS‐​Artikel den 33 °C‑Unterschied mit dem »Treibhauseffekt« gleich. Manabes »effektive Emissionstemperatur des Planeten« ist die »effektive Strahlungstemperatur der Erde« im GISS‐Artikel.

Begriffsverständnisse sind weder falsch noch richtig, nur manchmal für Nichtbescheidwissende vielleicht etwas missverständlich.

Wer nichts von Konvektion und Adiabaten weiß, merkt von der Gleichsetzung nichts, und kann leicht glauben, Treibhausgase verursachten den 33 °C‑Unterschied.

Zu den Gläubigen könnten Leute beim deutschen Umweltministerium zu gehören oder – schlimmerenfalls? – auch nicht. Deren Ansage »Ohne die natürlicherweise vorkommenden Treibhausgase … hätten wir … eine mittlere Temperatur von etwa ‑18 Grad Celsius und die Erde wäre vereist.« passt nicht zu den üblichen Lehrbuch‐Formeln.

Im Manabe‐​Zitat und im GISS‐​Artikel – und auch im Zitat beim Deutschen Wetterdienst, wenn man genau drauf achtet⁶⁵ – taucht demgegenüber keine Behauptung auf, der 33 °C‑Unterschied werde durch Treibhausgase verursacht. Sie nennen bloß »Treibhauseffekt«, was nach Absorption von Sonnenenergie durch gravitationsbedingte Wärmeumverteilungen passiert.

In der nächsten Folge wird ein bekannter Professor den strahlungserzeugten 33 °C‑Treibhauseffekt trotzdem verteidigen. Als Kontrast dazu werden anderthalb unmögliche, da Lehrbuch‐​konforme, Positionen gegen den strahlungserzeugten 33 °C‑Treibhauseffekt skizziert.

Fußnoten

Bild: Brodsky Isaac Israelievich »Versammlung des Revolutionären Militärrates der UdSSR unter dem Vorsitz von K.E. Woroschilow« 1928 (https://t.me/SocialRealm)