Kleine linke Klimaserie (XVI): Der Treibhauseffekt: Himmelskörperberechnungen mit Rettungsversuch

»Alle Gründe der Vernunft und alle Erfahrung
können einen Menschen doch nicht überzeugen,
wenn er mit dem Gefühl an etwas hängt.«

Frida Ichak
Schneiderin, Philosophin, SED‐Funktionärin
in: Das Perpetuum mobile (1914)

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

[Warnung des Obersten kommunistischen Imaginationskomitees: Der besonders unter jüngeren Menschen der imperialistischen Zentren verbreitete Glaube an eine menschengemachte Klimakatastrophe fördert mit seinem wachsenden Fatalismus maßgeblich deren Abneigung, in den Dritten Weltkrieg zu ziehen. Dessen Vorbereitung hat außer in den Systemmedien und in der Politik auch in der Wirtschaft und an Schulen konkretere Formen angenommen. Zusätzlich verteuern »Klimaschutz«-Maßnahmen die Waffenproduktion, wodurch Widerstand wahrscheinlicher wird. Aus diesen Gründen sind Infragestellungen des Glaubens an eine Klimakatastrophe, wie sie dieser MagMa-Beitrag darstellt, bis auf Weiteres als schädlich bis gefährlich einzustufen. Klima­katastrophen­gläubige werden daher gebeten, diesen Beitrag erst nach dem Sturz der Oligarchien der imperialistischen Zentren zur Kenntnis zu nehmen. Klima­katastrophen­ungläubige seien gewarnt, bis dahin nicht zu seiner Verbreitung beizutragen. Ende der Warnung.]

Die letzte Folge führte grob vor, wie übliche universitäre Lehrmaterialien erklären, weshalb die mittlere globale Lufttemperatur von rund ‑18 °C in 5 Kilometern Höhe auf rund 15 °C nahe der Erdoberfläche steigt. Das ist eine Temperatursteigerung um 15 – (-18) = 33 °C. Prozesse, wie sie nur Treibhausgase mit ihrer Vorliebe für bestimmte Infrarot‐​Frequenzen hinbekommen, spielen in den universitär üblichen Erklärungen des 33 °C‑Unterschieds keine Rolle. Stattdessen geht es dort um die Gasgleichung, um Druck, Masse, Gravitation, Wärmekapazitäten und Konvektion.¹

Gewisse Kreise etikettieren den 33 °C‑Unterschied trotzdem als »Treibhauseffekt« oder genauer: als »natürlichen Treibhauseffekt«. Dadurch kann der Eindruck entstehen, Prozesse, wie sie nur Treibhausgase hinbekommen, bewirkten diesen Unterschied. Manche Kreise, zum Beispiel der Weltklimarat (IPCC) oder auch die NASA‐​Kinderabteilung, lassen es dabei bewenden, den Eindruck durch die Wortwahl bloß zu erwecken. Andere Kreise, zum Beispiel das deutsche Umweltbundesamt und die Weltorganisation für Meteorologie (WMO), erklären Prozesse, wie sie nur Treibhausgase hinbekommen (ich nenne sie im Folgenden »Treibhausgasprozesse«), ausdrücklich zur Ursache des 33 °C‑Unterschieds.²

³

Zur Vertiefung der letzten Folge werden zunächst zwei Positionen skizziert, die mit den üblichen Lehrmaterialien harmonieren, repräsentiert durch das Gelehrtengespann Zeller & Nikolov und den Ingenieur Robert Ian Holmes. Klimaschützerinnen werfen diesen Positionen »Klimawandel­leugnung« und »Wissenschafts­leugnung« vor. Anschließend wird eine Position diskutiert, die zur Behauptung des Umweltbundesamts und der WMO passt, Treibhausgasprozesse bewirkten den 33 °C‑Unterschied. Präsentiert wird diese Position vom prominenten Professor Ganteför in einem YouTube‐​Video. Professor Ganteför gehört zu den wenigen Leuten im Treibhauseffekt­gläubigen­lager, die sachlich auf Argumente des Treibhaus­effekt­ungläubigen­lagers eingehen, so dass man von ihm einiges lernen kann.

1 Himmelskörperberechnungen nach Zeller & Nikolov

Karl Zeller ist ein Meteorologe mit Doktorarbeit zur Strömungsmechanik und Ned Nikolov ein Forstwissenschaftler mit Doktorarbeit zu ökologischer Modellierung. Die beiden kriegen von beiden Seiten der Klimadebatte reichlich auf den Deckel – von der einen Seite sowieso und von der anderen, weil deren Vertreterinnen die Infragestellung des »natürlichen Treibhauseffekts« als etwas, das Treibhausgasprozesse bewirken, dermaßen abwegig finden, dass sie das Ansehen ihrer kritischen Haltungen zur Klimafrage gefährdet sehen.⁴

In nicht vom wissenschaftlichen Mainstream anerkannten Publikationen erklären Zeller und Nikolov straff zusammenzitiert:

»Die globale mittlere oberflächennahe Gleichgewichtstemperatur eines Planeten ist hauptsächlich durch die […] Sonneneinstrahlung und den atmosphärischen Oberflächendruck bestimmt.«⁵

»Der Druck wird durch die atmosphärische Masse, die [Größe der] Erdoberfläche und die Schwerkraft bestimmt, während das Volumen [die räumliche Ausdehnung] der Troposphäre von der Sonneneinstrahlung kontrolliert wird. Das atmosphärische Volumen variiert mit der Sonneneinstrahlung bzw. ‑erwärmung, wie der beobachtete Unterschied in der Tropopausenhöhe zwischen Äquator und Polen zeigt, während der Luftdruck an der Oberfläche weitgehend unabhängig von Sonneneinstrahlung und Temperatur ist.«⁶

»Algorithmen [Rechenmethoden], die die Oberflächentemperatur als Funktion der atmosphärischen optischen Infrarot‐​Tiefe (anstelle des Drucks) beschreiben, indem sie den Strahlungstransport künstlich vom konvektiven Wärmeaustausch entkoppeln, […] führen zu mathematisch und physikalisch falschen Lösungen in Bezug auf die Oberflächentemperatur. […]

[D]ie gut dokumentierte verstärkte Absorption von Wärmestrahlung durch bestimmte Gase bedeutet nicht, dass diese Gase in der Lage sind, Wärme in einer offenen atmosphärischen Umgebung einzuschließen. Dies liegt daran, dass in gasförmigen Systemen Wärme in erster Linie durch Konvektion (d.h. durch Strömungsvorgänge) und nicht durch Strahlungsaustausch übertragen (abgeführt) wird.«⁷

Die »globale Erwärmung« der vergangenen Jahrzehnte führen Zeller und Nikolov hauptsächlich auf eine sinkende Albedo zurück: durch eine Verminderung der durchschnittlichen Wolkenbedeckung gelangte mehr Sonnenenergie auf die Erdoberfläche. Derartige Veränderungen führen zu Fluktuationen der mittleren oberflächennahen Gleichgewichtstemperatur.⁸

Innovativ wurden Nikolov und Zeller durch ihren Versuch, für Himmelskörper mit fester Oberfläche und Atmosphäre eine Formel zu finden für etwas, das sie zu Deutsch ungefähr »Atmosphärische Thermalverstärkung« nennen (ATE – Atmospheric Thermal Enhancement).

Die ATE ist das Verhältnis zwischen der oberflächennahen Durchschnittstemperatur eines Himmelskörpers (T_s) und der Temperatur, die an der Oberfläche des Himmelskörpers ohne Atmosphäre herrschen würde (T_na).

Auf der Suche nach der ATE‐​Formel berücksichtigten Zeller und Nikolov verschiedene in Frage kommende Einflussfaktoren, darunter auch die atmosphärischen Konzentrationen von Treibhausgasen. Als Ausgangsbasis zum Finden der Formel verwendeten sie aus nicht‐​willkürlichen Gründen, die sie erklären, Datenmaterial zur Erde, zur Venus, zum Mond und Mars, zum Titan (Saturn‐​Mond) und Triton (Neptun‐​Mond).

Die am besten passende ATE‐​Formel, die sie finden konnten, sieht gezeichnet so ähnlich aus wie die Poisson‐​Gleichung der letzten Folge:

Atmosphärische Thermalverstärkung (ATE)
nach Nikolov & Zeller 2017⁹
Titan tanzt etwas aus der Reihe, was laut Nikolov & Zeller daran liegen könnte, dass seine Durchschnittstemperatur nicht genau genug bekannt ist.

Hingeschrieben wirkt die ATE‐​Formel einigermaßen gruselig:

Im T_na unten links, der Temperatur ohne Atmosphäre, stecken unter anderem Werte zur Sonneneinstrahlung und zur Wärmespeicherkapazität der Oberfläche. Rechts vom Gleichheitszeichen stehen Angaben zum oberflächennahen Atmosphärendruck (P) und zum Druck, bei dem auf dem jeweiligen Himmelskörper Wasser zugleich flüssig, fest und gasförmig sein kann (Tripelpunkt P_r).¹⁰

Die physikalische Bedeutung der Zahlen in der Formel wartet auf’s Erforschtwerden. Ob sich das lohnen könnte oder die Formel Quatsch ist, wage ich nicht zu beurteilen.

Sonnensystem¹¹

2 Himmelskörperberechnungen nach Holmes

Ein einfacher zu verstehender Bezweifler des »natürlichen Treibhauseffekts« als etwas, das Treibhausgasprozesse bewirken, ist der Bergbau‐ und Umweltingenieur Robert Ian Holmes. Auch er bekommt von beiden Seiten der Klimadebatte reichlich auf den Deckel, unter anderem von Nikolov.¹²

Unter Weglassung der Aussagen, an denen Nikolov Anstoß nahm, und weiterer Aussagen, an denen ich Anstoß nehme oder auch nicht, erklärt Holmes:¹³

Wenn man folgende drei Dinge über Himmelskörper mit Atmosphären ab einem Atmosphärendruck von etwa 10000 Pascal weiß, kann man ziemlich genau deren oberflächennahe Durchschnittstemperatur ausrechnen:

• Druck p
  Atmosphärendruck nahe der Oberfläche
• molare Masse M
  Molare Masse der Teilchen, aus denen die Atmosphäre im Großen und Ganzen besteht.
  Die »molare Masse« ist die Masse, die man in der Hand hätte, wenn man sich 6,02214076 · 10²³ Teilchen, genannt »ein Mol«, aus einer Substanz greifen könnte. Bei einem Gas aus reinem Kohlendioxid hätte man mehr Kilogramm in der Hand als bei einem Gas aus reinem Sauerstoff, weil Kohlendioxid‐​Moleküle (CO₂) durch ihr C‑Atom mehr Masse haben als Sauerstoff‐​Moleküle (O₂).¹⁴
• Dichte d
  Masse der Teilchen pro Kubikmeter, aus denen die Atmosphäre nahe der Oberfläche besteht. (Ein Gas enthält pro Kubikmeter bei hohem Druck mehr Teilchen als bei niedrigem Druck.)

Laut Holmes eignet sich zur näherungsweisen Berechnung der oberflächennahen planetaren Durchschnittstemperatur T die Mol‐​Variante der Gasgleichung. Sie lautet:¹⁵

T = (p · M) / (R · d)

Der Faktor R ist weltallweit immer dieselbe Zahl 8,314, genannt »universelle Gaskonstante«.
R ist gleich Boltzmann‐​Konstante mal ein Mol:
R = k_B · ein Mol = 1,380649·10⁻²³ · 6,02214076 · 10²³ ≈ 8,314 J /​(mol · K).

Ich fragte die künstliche Intelligenz Grok nach Werten für p, M, d und T von Himmelskörpern im Sonnensystem und wandte die Mol‐​Variante der Gasgleichung an. Folgendes kam dabei heraus (Himmelskörperdaten nur so ungefähr und teilweise weniger gemessen als modelliert, sagt Grok):

Bis auf den Mars passen die Temperaturberechnungen mit der Gasgleichung sehr gut zu den Temperaturangaben von Grok. Sollten Groks Quellen – NASA usw. – ebenfalls die Gasgleichung verwendet haben, um auf ihre Angaben zu kommen, wie manche sagen, wären die Passgenauigkeiten wenig erstaunlich.

Was mich dennoch erstaunt, ist die Allgemeinheit und physikalische Einfachheit der Zusammenhänge.

Mars hat eine dünne Atmosphäre mit geringem Druck, so dass Strahlung mitsamt ihren Treibhausgasprozessen eine größere Rolle spielt und die Gasgleichung, die das nicht berücksichtigt, unpassende Ergebnisse liefert. Für die anderen Himmelskörper gilt weitgehend die Gasgleichung bzw. deren Mol‐​Variante, wobei Grok für die Gas‐ und Eisplaneten den Druck 100 kPa (Kilo‐​Pascal, gleich tausend Pascal) mangels messtechnisch identifizierbarer Oberflächen als »oberflächennah« nur definiert hat.

Aber auch schon beim Vergleich von Venus und Erde wird deutlich: Dieselbe Gleichung T = (p · M) / (R · d) passt bei CO₂-Atmosphären ebensogut wie bei Stickstoff‐ Atmosphären. Sagt das nicht etwas über die Bedeutung von Treibhausgasprozessen aus? Könnten Treibhausgasprozesse zu unwichtig sein, um sie beim Ausrechnen von Himmelskörper­temperaturen beachten zu müssen?

Außer Treibhausgasprozessen taucht beim Ausrechnen der Himmels­körper­temperaturen mit der Gasgleichung auch etwas anderes nicht auf: die Stärke der Sonnenstrahlung. Ist die ebenfalls zu unwichtig, um beachtet werden zu müssen?

In der Tabelle oben sind die Himmelskörper nach ihrer Entfernung zur Sonne sortiert. Die oberflächennahen Durchschnittstemperaturen verändern sich entsprechend.

Wo in den drei Rechenfaktoren Druck p, molare Masse M und Dichte d könnten sich die Sonneneinstrahlung und vielleicht auch Treibhausgasprozesse verstecken?

Auf die molare Masse M oder auch die gewöhnliche Masse m wirken Treibhausgase wie alle anderen Teilchensorten durch ihre Masse, durch ihre Anwesenheit, nicht durch ihre Ausstrahlung. Sonnenstrahlen verändern die Massen von troposphärischen Teilchen eher nicht.¹⁶

Der Druck p nahe der Oberfläche wird laut üblichen Lehrmaterialien und auch nach Zeller&Nikolov durch die Masse der Atmosphäre (m), die Größe der Himmelskörperoberfläche (F_H) und die Gravitationsbeschleunigung (g) bestimmt:

p = (m /​F_H) · g

Auf die Erde angewendet ergibt das ungefähr:
p = ( 5,15 · 10¹⁸ /​510000000000000 ) · 9,81 = 99062 Pa ≈ 100000 Pa.¹⁷

Da in der Bestimmung des Drucks keine Sonneneinstrahlung und Treibhausgasprozesse vorkommen, ist der Druck ebenfalls kein geeignetes Versteck für die beiden.

Das Sonnen‐ und Treibhausgasgeheimnis kann nur in der Dichte d verborgen sein!

Die Dichte, die Holmes benutzt, ist definiert als gewöhnliche Masse m der atmosphärischen Moleküle pro Volumen V:

d = m /​V.

Ein Gas mit viel CO₂ hat aufgrund seiner größeren Masse eine höhere Dichte als die irdische Durchschnittsluft.¹⁸ Die Mol‐​Variante der Gasgleichung sagt, dass höhere Dichte die Temperatur niedriger werden lässt, da die Dichte unter dem Bruchstrich steht. Andererseits steigt durch die größere Masse von CO₂-Molekülen auch der Druck p, der über dem Bruchstrich steht.

Setzt man die Dichte‐​Definition in die Mol‐​Variante der Gasgleichung ein, ergibt sich:
T = (p · M) /​(R · d)
T = (p · M) /​(R · m /​V)
T = (p · M · V) /​(R · m)
T /​V = (p · M) /​(R · m)

Auf der rechten Seite des Gleichheitszeichens stehen nun ausschließlich Dinge, die bei einer Troposphäre mit einigermaßen stabilen Teilchen weder von Sonnenstrahlen noch von Treibhausgasprozessen beeinflusst werden: Druck, molare Masse, universelle Gaskonstante und gewöhnliche Masse. Damit ist das Verhältnis von Temperatur und Volumen links vom Gleichheitszeichen, T / V, unabhängig davon, ob viel oder wenig Sonnenstrahlen reinkommen oder ob in der Troposphäre dollere oder weniger dolle Treibhausgasprozesse stattfinden.

Wenn Sonneneinstrahlung und vielleicht auch Treibhausgasprozesse die durchschnittliche Oberflächentemperatur von Planeten mit dickeren Atmosphären (ab ca. 10000 Pascal) beeinflussen, müssen sie demnach in einer Weise in T / V stecken, die das Verhältnis zwischen T und V nicht ändert.

Tatsächlich sagt T / V über die Höhe der Temperatur T gar nichts aus.
1 /​2 ist genauso viel wie 1000 /​2000, obschon T im einen Fall 1 K wäre und im anderen 1000 K.

Jetzt könnte man Druck, Wärmekapazitäten, Gravitation und dieses ganze Zeug rechts liegen lassen und sagen: Naja, Holmes zeigt, wie wunderbar die Gasgleichung funktioniert. Na und?! Durch Sonnenstrahlen und Treibhausgase wird T höher und V eben entsprechend!

Aber da ist ein kleiner Haken – vorgebracht vom Mann der schrecklichen Zahl und des wohlklingenden Namens: Amadeo Avogadro. Um 1811 herum fand er:

Gleiche Volumina verschiedener Gase, die sich ideal verhalten, enthalten bei gleichem Druck und gleicher Temperatur die gleiche Anzahl von Teilchen (Moleküle oder Atome).¹⁹

Auf diesem »Prinzip von Avogadro« und dem Umstand, dass sich reale Gase nahezu wie ideale verhalten, baut die Gasgleichung auf und auch die Universalität der universellen Gaskonstante R.

Die Anzahl der Teilchen, N, taucht in der Teilchenzahlvariante der Gasgleichung auf:²⁰

k_B = (p · V) /​(N · T)
T /​V = p /​(N · k_B)

Wenn T /​V nicht von Treibhausgasprozessen abhängt und p und die Boltzmann‐​Konstante k_B ebenfalls nicht und dann auch noch nach dem »Prinzip von Avogadro« die Teilchenanzahl N teilchensorten‐​unspezifisch bezüglich T ist, kann T nicht von Treibhausgasprozessen abhängen.

Dieses Ergebnis passt zu denen der Folgen 9 und 10 der Kleinen linken Klimaserie: Beim Ausrechnen von Gastemperaturen muss man auf Druck, Volumen, Masse und Freiheitsgrade bzw. Wärmekapazitäten achten. Treibhausgasprozesse beteiligter Teilchen, deren spezielle Fähigkeiten zum Einfangen von Photonen, sind egal.

Eine Chemielehrerin bei YouTube fasst – wohl ohne klimapolitische Hintergedanken – zusammen:

»Anhand des Avogadroschen Gesetzes folgerten die Wissenschaftler:innen, dass das makroskopische Verhalten von Gasen nicht wesentlich von der chemischen Identität der Teilchen beeinflusst wird.«²¹

Mit »chemischer Identität« ist die Teilchensorte gemeint, Wasserstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff …, mit »makroskopischem Verhalten« unter anderem die Temperatur.

Trotz allem: Da CO₂ eine größere Masse hat als die Durchschnittsluft, sollte nach der Gasgleichung die Vermehrung von CO₂ in der Atmosphäre Auswirkungen auf die oberflächennahe Durchschnittstemperatur haben. Haben sie die?

Bei der Vermehrung von CO₂ in der Atmosphäre werden O₂-Moleküle durch CO₂-Moleküle ersetzt. Von der Erdoberfläche oder aus ihr stammender Kohlenstoff verbindet sich in Verbrennungsprozessen mit atmosphärischem Sauerstoff. Das erhöht die Masse der Luft um diejenige des C‑Atoms.

Meinen Rechenkünsten zufolge würde eine Ersetzung des gesamten atmosphärischen O₂-Bestands, der 21 % beträgt, durch CO₂ die Temperatur massebedingt um rund 25 K auf 313 K (40 °C) erhöhen. Die totale Katastrophe! Verdoppelt man den jetzigen CO₂-Bestand von rund 0,04 % auf 0,08 %, würde sich die Temperatur massebedingt um rund 0,1 K auf rund 288,2 K (15,05 °C) erhöhen. Von Lebewesen und Messinstrumenten praktisch nicht bemerkbar.

Holmes bekommt in seiner Schätzung bei CO₂-Verdoppelung ähnlich wie ich 0,11 K heraus.²² Der »Weltklimarat« (IPCC) bekommt 2 bis 5 K Erhöhung heraus, da er davon ausgeht, dass Treibhausgasprozesse eine Rolle spielen. Andere bekommen noch anderes heraus.

Nach Holmes kann zusätzliches CO₂ in der Atmosphäre eine Temperaturerhöhung bewirken, weil die Atmosphärenmasse zunimmt. Mit Treibhausgasprozessen hat diese Temperaturerhöhung nichts zu tun.

Um Holmes’ Punkt zu verdeutlichen: In einem Gedankenexperiment könnte man sämtliches CO₂ und Methan CH₄ aus der Erdatmosphäre entfernen und durch massegleiche Edelgas‐​Teilchen ersetzen: zum Beispiel die CO₂-Moleküle in Zweierpaaren gegen jeweils ein Helium‐ und ein Krypton‐​Atom und je drei CH₄-Moleküle gegen zwei Helium‐ und ein Argon‐​Atom. In dieser teilchenzahlgleichen und nahezu massegleichen Atmosphäre würden die Temperaturen in Oberflächennähe und in 5 km Höhe nach der Gasgleichung jeweils nahezu gleich bleiben. Auch hier käme es zwischen 5 km Höhe und Erdoberfläche zu einem Temperaturunterschied von etwa 33 °C.

Holmes’ Fazit:

»Entweder ist das ideale Gasgesetz richtig oder die Treibhausgas‐​Hypothese […]; beide können nicht richtig sein.«²³

Sprachlich kann man damit in zwei Weisen umgehen, was in Diskussionen manchmal für Verwirrung sorgt:

• Man kann sagen: »Einen natürlichen Treibhauseffekt gibt es, aber der hat nichts mit den speziellen Fähigkeiten zu tun, die Treibhausgase von anderen Gasen unterscheiden.« In diesem Fall wird der Ausdruck »natürlicher Treibhauseffekt« als Bezeichnung verstanden, die einen falschen Eindruck erweckt.
• Man kann sagen: »Einen natürlichen Treibhauseffekt gibt es nicht, aber es gibt eine Temperaturerhöhung mit zunehmender Nähe zur Oberfläche.« In diesem Fall wird der Ausdruck »natürlicher Treibhauseffekt« nicht bloß als Bezeichnung verstanden, sondern als Kurzbeschreibung eines Phänomens, das nicht vorliegt.

Holmes bekommt auch dafür auf den Deckel, dass er die
Temperatursteigerung bei wachsendem Druck »Autokompression« nennt.
Doch im Bergbau heißt das traditionell so.

3 Professor Ganteförs Rettungsversuch

Gerd Ganteför ist ein bekannter Physiker und Autor mit einer mäßigenden Position zum Klimathema. Dafür, dass er diese Position in populärwissenschaftlichen Sachbüchern, in Vortragsreisen und in seinem YouTube‐​Kanal Grenzen des Wissens öffentlich vertritt, wird er vom zur Zeit in der EU mächtigeren Lager der Klimadebatte angefeindet, von einigen Leuten des anderen Lagers eher bloß kritisiert.²⁴

Im Juni 2024 veröffentlichte Ganteför ein Video, »Scheinbar kein TREIBHAUSEFFEKT ???«, in dem er Positionen wie die von Zeller&Nikolov und Holmes zu entkräften versucht. Anhand dieses Videos gibt’s einiges zu lernen!

Im Video sagt Ganteför:

»Es gibt […] einen Temperaturunterschied zwischen der Unterkante der Atmosphäre und der Oberkante der Atmosphäre: oben ist kalt, unten ist warm. So. Und jetzt geht’s darum, dass da ein Energietransport stattfindet von Warm unten nach oben, ist kalt, und da gibt es zwei Möglichkeiten: einmal Strahlung – dann haben wir den Treibhauseffekt mit der Treibhausgaswirkung – oder Konvektion. Und wenn es Konvektion wäre, dann würde CO₂ keine Rolle spielen, weil es ja nur ganz wenig von diesem Treibhausgas gibt in der Atmosphäre. Ja, das ist so ein Gegenargument von Leuten, die also sagen: das mit dem CO₂, das stimmt alles gar nicht, und wir können weiter normal Auto fahren.« (Minute 0:25)

Ganteför stellt hier klar, dass die Behauptung, der 33 °C‑Unterschied sei nicht durch Treibhausgasprozesse verursacht, sondern entstehe im Zusammenhang mit Masse, Sonneneinstrahlung usw. durch Konvektionsprozesse, aufgrund niederer Beweggründe aufgestellt wird: selbstsüchtige Leute wollen weiter normal Auto fahren. Da weiß man gleich, was man von diesem »Gegenargument« zu halten hat.

In ein »Gegenargument« verwandelt sich die in herkömmlichen Lehrmaterialien behandelte Konvektion mit ihrem 33 °C‑Unterschied durch eine mit sozialer Macht ausgestattete Behauptung, der 33 °C‑Unterschied sei durch Treibhausgasprozesse verursacht.

Ganteför ist sich dennoch nicht zu schade, seine Erklärungen ebenfalls »Gegenargument« zu nennen und sich damit in Augenhöhe mit der Gegenposition zu stellen (Minute 35:40) – in der hiesigen Politkultur keine Selbstverständlichkeit. Den anfänglichen Schlag unter die Gürtellinie von Treibhauseffekt­ungläubigen gleicht Ganteför wieder aus:

»Also, CO₂ spielt [bei der Konvektion] deswegen keine Rolle, weil die anderen Gase auch Konvektion machen, also Sauerstoff und Stickstoff, und das ist ja viel mehr, und das bisschen CO₂ mit 0,4 Promil […] macht […] bei der Konvektion keinen Unterschied – ja also, ein ziemlich wichtiges Argument eigentlich.« (21:09)

Eine Frage, die Ganteför aufwirft, lautet: Wann dominiert Konvektion und wann Strahlung? Diese Frage findet er aus folgendem Grund wichtig:

»Der letzte Schritt ins Weltall geschieht durch Infrarot, aber zwischendurch, durch die Atmosphäre, gibt es zwei Möglichkeiten […] für den Energietransport [zwischen] Unterkante Atmosphäre – Oberkante Atmosphäre: Strahlung oder Konvektion […] Wenn es Konvektion wäre, dann würde das CO₂ nicht zur Erwärmung beitragen. Ja, dann kollabiert die ganze Hektik mit der Dekarbonisierung und allem«. (20:21)

Soweit sich in der letzten Folge insbesondere aus dem zitierten Text der NASA‐​Wissenschaftler ergab, dominiert bei einem Atmosphärendruck von weniger als etwa 10000 Pa die Strahlung. Ist der Druck höher, werden die Teilchen meistens durch Mitteilchen angebollert, bevor sie durch interne Beruhigungsverfahren Photonen ausspucken können. Beim Kollidieren geben sämliche Teilchensorten Energie durch Berührung weiter (Konduktion) und emittieren laut NASA‐​Lehrmaterialien der letzten Folge elektromagnetische Energie (ebenfalls Photonen), die mehr oder weniger ins Weltall verduften kann und so für Kühlung sorgt.

Um zwei weitere Beispiele aus angesehenen Quellen zu zitieren, die der Dominanz der Konvektion in der Troposphäre das Wort reden:

Lehrbuch von 1952:
»Der untere Bereich der Atmosphäre kann […] in zwei Bereiche unterteilt werden. Im unteren Teil (Troposphäre) wird die Temperaturverteilung durch Konvektion gesteuert (die Bodentemperatur wird durch die Sonneneinstrahlung festgelegt), im oberen Teil (Stratosphäre) ist der steuernde Faktor die Strahlung.« ²⁵

Artikel von 2022:
»Die thermischen Strukturen von Sonnensystematmosphären sind sehr unterschiedlich, aber es gibt gemeinsame Aspekte, die auch für Exoplaneten [Planeten außerhalb des Sonnensystems] zutreffen dürften. […] In den meisten Fällen gibt es eine untere Region (typischerweise bei Drücken von ∼0,1 bar [= 10000 Pascal] und mehr; Robinson & Catling 2014), in der die Konvektion dominiert (die Troposphäre), und eine obere Region, in der die Konvektion gehemmt ist und ein Strahlungsgleichgewicht herrscht (die Stratosphäre).« ²⁶

Der Übergang zur Konvektion scheint fließend zu sein, wie sich oben am Mars mit seinem 610 Pa Atmosphärendruck andeutet. Nach Holmes zu urteilen, könnte ein einfacher Test darauf, ob Konvektion dominiert, die Gasgleichung sein: kommen keine passenden atmosphärischen Temperaturen damit raus, spielt Konvektion eine geringere oder keine Rolle.

Der Übergang zur Konvektion hängt aber auch von anderem als nur vom Druck ab. So besteht auf der Erde nach der Internationalen Standardatmosphäre ein Druck von 10000 Pa in rund 16 km Höhe. Die Tropopause der Standardatmosphäre, d.h. die Höhe, in der der troposphärische Temperaturgradient schlapp macht, liegt aber schon bei 11 km und 22632 Pa.²⁷ So hoch wollen wir aber gar nicht hinaus.

Ganteför muss dafür sorgen, dass zwischen der Erdoberfläche und den ersten grob 5 km Höhe, in denen durchschnittlich etwa ‑18 °C herrschen, Strahlung dominiert, damit der 33 °C‑Unterschied der Strahlung und damit den Treibhausgasprozessen zugeschrieben werden kann. Um das zu schaffen, muss er irgendwie die Konvektion aus dem Weg räumen. Das gelingt ihm (meiner Meinung nach nicht so gut) durch zwei Manöver: eins betrifft die Sonne und das andere Adiabaten.

Sonne

Als sich selbst heizende Angelegenheit funktioniert die Sonne reichlich anders als die Erde. Ganteför zieht sie trotzdem in die Sache hinein. Man wird sehen, wozu.

In einem äußeren Bereich hat die Sonne, soweit Bescheidwissende vermuten, eine Schicht, in der Konvektion dominiert: die Konvektionszone. Aber darunter – also umgekehrt zur Erde – hat die Sonne eine Schicht, in der Strahlung dominiert. In dieser Strahlungszone herrscht bei Temperaturen von 2 bis 7 Millionen Kelvin ein Druck von 10¹¹ bis 10¹³ Pa, sagt mein dubioser Freund Grok.

Aufbau der Sonne²⁸

Ganteför zitiert aus einem NASA‐​Text, der die Konvektions‐ und Strahlungszone der Sonne erklärt. Weniger stark gekürzt als in Ganteförs Video lautet der Text:

»Die Strahlungszone ist durch die Methode des Energietransports – Strahlung – gekennzeichnet. Die im Kern [der Sonne] erzeugte Energie wird durch Licht (Photonen) transportiert, das von Teilchen zu Teilchen durch die Strahlungszone hüpft. Obwohl sich die Photonen mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, prallen sie in diesem dichten Material so oft auf, dass ein einzelnes Photon etwa eine Million Jahre braucht, um schließlich die [äußere] Grenzschicht [des Sonneninneren] zu erreichen. […]

Die Konvektionszone ist die äußerste Schicht des Sonneninneren. […] An der Basis der Konvektionszone beträgt die Temperatur etwa 2000000 °C. Das ist ›kühl‹ genug für die schwereren Ionen (wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Kalzium und Eisen), um einige ihrer Elektronen zu behalten. Dadurch wird das Material undurchsichtiger, so dass die Strahlung schlechter durchdringen kann. Die Wärme wird daher eingeschlossen, macht die Flüssigkeit schließlich instabil und bringt sie zum ›Kochen‹ oder Konvektieren.

** Konvektion tritt auf, wenn der Temperaturgradient (die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur mit der Höhe oder dem Radius abfällt) größer wird als der adiabatische Gradient (die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur fallen würde, wenn ein Materialvolumen ohne Wärmezufuhr nach oben bewegt würde). Wenn dies geschieht, ist ein nach oben bewegtes Materialvolumen wärmer als seine Umgebung und steigt weiter an. **

Diese Konvektionsbewegungen transportieren die Wärme recht schnell an die Oberfläche. Die Flüssigkeit dehnt sich aus und kühlt sich beim Aufsteigen ab. An der sichtbaren Oberfläche ist die Temperatur auf 5700 K gesunken.«

Der von Ganteför in Minute 26:00 zitierte Abschnitt ist durch zwei Sternchen ** markiert.

Was Ganteför mit dem zitierten Abschnitt rüberbringen möchte, scheint zu sein: Konvektion dominiert in der Troposphäre nur manchmal, weil spezielle, Gradientensteigungen betreffende, Bedingungen vorliegen müssen, damit es zur Konvektion kommen kann. So bekommt die Strahlung Gelegenheit, in der Troposphäre wenigstens dann zu dominieren, wenn keine speziellen Bedingungen vorliegen. Dann gilt:

»Also, der Energietransport durch unsere Atmosphäre findet nicht statt durch Konvektion, sondern durch Strahlung.« (32:17)

Aber das sagen die zitierten Quellen mit »Region …, in der die Konvektion dominiert« nicht aus. Mit »Region …, in der die Konvektion dominiert« beziehen sie sich auf eine Atmosphärenschicht, die sie »Troposphäre« nennen, nicht auf Vorgänge innerhalb der Troposphäre, die manchmal stattfinden und oft genug nicht. Der Sonnentext in Ganteförs Video verschleiert diese Unstimmigkeit.

Adiabaten

Nachdem die Konvektion zu einer Angelegenheit spezieller Bedingungen innerhalb der Troposphäre gemacht wurde, bleibt ein Temperaturunterschied zu erklären, der kaum bis nichts mit Konvektion zu tun haben darf.

Dazu dient der »adiabatische Gradient« im Sonnentext oben. Seine irdische Entsprechung ist eine Geistesschöpfung, die den vertikalen Temperaturverlauf – die Temperaturänderung der Höhe nach – einer idealisierten Troposphäre repräsentiert. Es gibt ihn in zwei Hauptvarianten: »feuchtadiabatisch« und »trockenadiabatisch«, und in vielen Untervarianten, die in der Augenschmerzgrafik der letzten Folge eingezeichnet sind.

Um die Wetterlage eines Gebietes einzuschätzen, ordnen Meteorologinnen einem Luftpaket, dass sie sich bloß vorstellen, die Gradientenvariante zu, die den realen Umweltbedingungen im betreffenden Gebiet am nächsten liegt.²⁹

Die realen Umweltbedingungen messen Meteorologinnen vor Ort mit Hilfe von Radiosonden in Wetterballons oder anderen Flugvehikeln aus. Die Messungen umfassen den vertikalen Temperaturverlauf, der als »Umgebungsgradient« bezeichnet wird, sowie den Luftdruck und die Luftfeuchtigkeit in unterschiedlichen Höhen.

Um einzuschätzen, ob eine Wetterlage stabil, labil oder indifferent ist, stellen Meteorologinnen sich ein Luftpaket vor, das sie durch die Kraft des Geistes nach oben schubsen und das beim Aufstieg die Temperaturen annimmt, die dem ihm zugeordneten idealisierten adiabatischen Gradienten entsprechen. Dann vergleichen die Meteorologinnen diese imaginären Luftpaket‐​Temperaturen mit den wirklichen, gemessenen Temperaturen des Umgebungsgradienten. Abhängig davon, ob die imaginären Luftpaket‐​Temperaturwerte beim Aufstieg niedriger oder größer oder gleich den wirklichen Temperaturen in der jeweiligen Höhe werden, sagen die Meteorologinnen: Das Luftpaket wird in die Ausgangslage zurückkehren (stabile Wetterlage), sich weiter von der Ausgangslage entfernen (labile Wetterlage) oder in den betrachteten Höhen schweben bleiben (indifferente Wetterlage). Bei einer labilen Wetterlage sagen sie: Konvektion findet statt. Bei einer stabilen oder indifferenten Wetterlage sagen sie: Konvektion findet nicht statt. Das Wort »Konvektion« bedeutet in diesem Zusammenhang: vertikale Luftbewegungen mit Wärmetransporten innerhalb einer gegebenen Luftumgebung.³⁰ Der Ausdruck »keine Konvektion« bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass statt Konvektion ein Energietransport durch Strahlung stattfindet (wie es der Sonnentext nahelegt), sondern, dass das imaginierte Luftpaket keine Wärme nach oben transportiert. Über Luftbewegungen und damit verbundene Wärmetransporte der Umgebung außerhalb des Luftpakets wird dadurch nichts ausgesagt.

Ganteför erklärt:

»Konvektion als Energietransport durch die Atmosphäre: ja, aber [… ] für trockene Luft ist es hauptsächlich Strahlungstransport. Also hier noch mal die Erinnerung: Konvektion, wenn der tatsächliche Gradient größer wird als der adiabatische. Also Energietransport durch unsere Atmosphäre ist hauptsächlich durch Strahlung. [… Bei] feuchter Luft mit Kondensation ist die Sache ein bisschen komplizierter, aber es ist hauptsächlich durch Strahlung. Und dann ist die Welt wieder in Ordnung, also in Ordnung soweit, dass der ganze Aufwand mit der Dekarbonisierung […] ist vielleicht doch richtig, weil für den Strahlungstransport die Infrarotabsorption der Treibhausgase dann ganz entscheidend wird, weil sie den Strahlungstransport behindern. Also Konvektion würden sie nicht behindern, aber den Strahlungstransport.« (33:11)

Zur Berechnung adiabatischer Temperaturgradienten, ob trocken oder feucht, werden in den üblichen Lehrbüchern Formeln verwendet, die Strahlungen als eigenständigen Faktor und Treibhausgasprozesse komplett ignorieren:³¹

Trockenadiabat

Feuchtadiabat – ungesättigt (d.h. es passt noch Wasserdampf rein)

Feuchtadiabat – gesättigt

g : Gravitationsbeschleunigung
c_pd : spezifische Wärmekapazität trockener Luft bei flexiblem Volumen
r_v  : Mischungsverhältnis des Wasserdampfs mit der Luft
L_v  : spezifische Verdampfungswärme von Wasser
R : Gaskonstante trockener Luft
ϵ : Verhältnis der Gaskonstanten von trockener Luft und Wasserdampf
T : Temperatur.

All diese Gradienten geben ein Maß an, in dem die Luft nach oben hin kälter bzw. nach unten hin wärmer wird. Das Maß, in dem die Luft nach oben hin kälter bzw. nach unten hin wärmer wird, hängt nach den Formeln allgemein von der Schwerkraft (Gravitationsbeschleunigung) ab und wird durch den Wasserdampfgehalt in der Luft verändert. Überhaupt zu einer Temperaturveränderung der Höhe nach kommen kann es dadurch, dass warme Luft nach oben steigt und kalte Luft absinkt, d.h. durch Konvektion. Indem man diese Gradienten wie gezeigt berechnet und nicht durch Strahlungsrechnungen, sagt man: Konvektion dominiert.³²

Wenn in der Meteorologie idealtypische Temperaturen imaginierter Luftpakete mit denen des jeweiligen Umgebungsgradienten verglichen werden, erscheint der Umgebungsgradient als Hintergrund mit einer stabilen Temperaturänderung der Höhe nach. Das bedeutet nicht, dass in der Umgebungsluft keine vertikale Luftbewegung mit Wärmetransport, keine Konvektion stattfindet.

Das Ausmaß der konvektiven Wärmetransporte in der Umgebungsluft ist ziemlich wechselhaft. Teilweise sind Luftbewegungen so geringfügig, dass man Mühe hat, sie zu messen.³³ Bei Inversionen ist die Bewegung unterer Luftschichten nach oben gehemmt, so dass Konvektionsrunden auf die unteren Luftschichten beschränkt bleiben. Manchmal kommt es vor, dass ein nach der Luftpaket‐Methode

»ausgewerteter Radiosondenaufstieg, der als stabil erkannt wurde, nach dem vollzogenen Hebungsvorgang [der Luftschicht, deren Umgebungsgradient beim Radiosondenaufstieg gemessen wurde,] plötzlich labil in Erscheinung tritt. Diese Art der Instabilität wird als potentielle Labilität bzw. in der amerikanischen Literatur auch als konvektive Labilität bezeichnet.«³⁴

Die Luftschichten, die die Umgebung bilden, in der der Umgebungsgradient herumlungert, haben ihrerseits Umgebungen – im Äußersten eine sich über hundete von Kilometern erstreckende Luftmasse wie die »Subpolarluft« oder die »Tropikluft« oder eine Resultante verschiedener solcher Luftmassen. Bewegungen dieser Luftmassen veranlassen vertikale Konvektionsänderungen, die sich teilweise erst nach vielen Tagen stabilisieren.³⁵

Doch auch, wenn man alle konvektiven Luftbewegungen ignoriert, bedeutet deren Fehlen nicht, dass in der Troposphäre »hauptsächlich Strahlungstransport« stattfindet. Nach dem Zitat von David Brunt in der letzten Folge ist »Strahlungstransport« kein Wärmetransport und ersetzt ihn auch nicht. Erst, nachdem Strahlung von einem körperlichen Objekt absorbiert und die Strahlung in Bewegungsenergie (kinetische Energie) verwandelt wurde, kann sie eine Wärmewirkung haben.

Inwieweit Strahlungstransport von Energie stattfindet, hängt hauptsächlich davon ab, mit welcher Wahrscheinlichkeit Moleküle durch Mitmoleküle angebollert werden, bevor sie Gelegenheit haben, eingefangene Photonenenergie durch interne Beruhigungsverfahren wieder als Photonen in die Welt zu schicken. Grok sagt:

»In den unteren 5 km der Atmosphäre kollidiert ein CO₂-Molekül etwa 4 Milliarden bis 40 Milliarden Mal mit anderen Luftmolekülen, bevor es ein [15 µm] Photon emittieren kann, abhängig von der genauen Strahlungslebensdauer [radiative lifetime] (0,1 bis 1 s) und den örtlichen Bedingungen. Diese hohe Kollisionshäufigkeit bedeutet, dass in diesem Bereich die kollisionelle Relaxation gegenüber der Strahlungsemission oft überwiegt.«³⁶

Das Wort »oft« ist bei einem Verhältnis von 4 Milliarden zu Eins reichlich untertrieben. Zu sagen: »In der unteren Atmosphäre kommt es fast nie zu Strahlungsemissionen«, wäre wohl passender.

Gasriesen

Konvektion als etwas zu verstehen, das nur dann und wann passiert und deshalb nicht die Troposphäre »dominiert«, liegt nahe, wenn man Gleichgewicht als Unveränderlichkeit und Veränderlichkeit als Gleichgewichtsstörung auffasst. Eine permanente Konvektion, eine ständige Veränderung, passt schlecht zu diesem Verständnis – mögen auch manche Universitätsgelehrte behaupten, dass »die untere Atmosphäre ständig durch Konvektion umgewälzt wird«³⁷ und die Menschheit aufgrund sich anhäufender Luftverschmutzungen nur mit Gasmasken überleben, wenn es nicht so wäre.

Professor Ganteför erklärt seine Gleichgewichtsvorstellung, die er als »thermisches Gleichgewicht« bezeichnet (16:38)³⁸, anhand von Gasriesen.

Gasriesen haben wie die Erde Temperaturgradienten:

Temperaturgradienten von Jupiter und Saturn³⁹
Die unterschiedlichen Molekülsorten der verschiedenen Schichten mit ihren
unterschiedlichen Treibhausgasfähigkeiten scheinen die Gradienten nicht zu beeindrucken.

Das Gas, aus dem Gasriesen wie Jupiter und Saturn bestehen, sagt Ganteför, werde »zusammengehalten durch die eigene Gravitation« (14:26). Warte man lange genug, werde die innere Wärme der Gasriesen, die aus ihrer Entstehungszeit stamme, verschwinden und in der Folge auch ihre Temperaturgradienten, denn:

»Es wird immer Wärme von wärmeren Orten zu kälteren fließen, bis wir einen perfekten Temperaturausgleich haben«. (15:42)

Im weiteren Verlauf trennt Ganteför Druck und Temperatur, damit sich der Druck in Abhängigkeit zur Höhe verändern kann, ohne dass daraus Temperaturkonsequenzen entstehen, denn die Temperaturen sollen ja Sache der Strahlen sein, die sich als masselose Photonen um die Gravitation nicht zu kümmern brauchen.

»Temperatur hat in erster Linie erstmal nichts mit dem Druck zu tun, […] außer ich strahle da mit ’ner Sonne Energie ein oder ich habe noch Energie übrig aus der Bildungsphase des Gasriesen. Deswegen ist es in den […] Gasriesen eben im Innern dann sehr, sehr heiß. Aber das kommt noch aus der Bildungsphase des Sonnensystems.

Jetzt hoffentlich habe ich [… ein] bisschen die Idee gebracht, was thermisches Gleichgewicht bedeutet, […] und dass Druck und Temperatur da erst mal entkoppelt sind. […] Sie sind […] im realen System gekoppelt, wenn sich Gasmassen bewegen.« (16:13)

Aufgrund der Trennung von Druck und Temperatur kann Ganteför sagen:

»Wenn wir also nur Gase hätten, die keine Infrarotabsorption hätten, dann hätten wir überall die gleiche Temperatur oder [einen] sehr geringen Treibhauseffekt und dann wäre es nicht auf dem Berg kälter als im Tal. Aber mit dem Treibhauseffekt ist es auf dem Berg kälter als im Tal. So jedenfalls mein Verständnis all dieser Dinge. Oder anders gesagt: die Atmosphäre ist ein dicker Pullover, der isoliert wegen des Treibhauseffektes und der […] Berg piekt schon bisschen durch den Pullover durch, und deswegen ist es für den Berg […] an der Bergspitze eben kälter.« (34:57)

Abgesehen davon, dass andere behaupten, Pullover hielten uns vor allem durch Hemmung der Konvektion warm,⁴⁰ während Strahlungseffekte eher mit den Pulloverfarben zusammenhängen, sind Temperatur und Druck nach Lehrmeinung untrennbar miteinander verbunden. Beide sind Ausdruck der Geschwindigkeiten, mit denen die Teilchen eines Gases im Raum herumfliegen. Die Temperatur ist ein Maß für deren Durchschnittsgeschwindigkeit und der Druck hängt mit den Geschwindigkeiten zusammen, mit denen die Teilchen gegen eine (gedachte) Fläche stoßen.

Steigt mit wachsender Nähe zur Himmelskörperoberfläche bzw. zum Masseschwerpunkt des Himmelskörpers der atmosphärische Druck, ändert sich die Temperatur vielleicht dennoch nicht.

An der Teilchenzahlvariante der Gasgleichung gezeigt:
T = (p · V) /​(N · k_B)
T = p · (V /​ N) · (1 /​k_B)
Mit steigendem Druck p steigt die Temperatur T. Aber unter Verhältnissen der Gravitation steigt in Richtung Oberfläche bzw. Masseschwerpunkt die Anzahl der Teilchen N pro Volumeneinheit. Dadurch wird V / N kleiner. Würde V / N doller kleiner als p ansteigt, könnte die Temperatur trotz steigendem p gleich bleiben oder sogar sinken.

In der Standardatmosphäre haben wir zum Beispiel bei einer Temperatur von 255,15 K (-18 °C) in rund 5 km Höhe folgendes V / N:

255,15 = 53466 · (V_5km /​N_5km) · (1 /​k_B)
V_5km /​N_5km = k_B · 255,15 /​53466 = k_B · 0,00477 ≈ 6,6 · 10^-26

Für die Temperatur 288,15 K (15 °C) in 0 m Höhe kommt in der Standardatmosphäre folgendes V / N heraus:

288,15 = 101300 · (V₀ /​N₀) · (1 /​k_B)
V₀ /​N₀ = k_B · 288,15 /​101300 = k_B · 0,00284 ≈ 3,9 · 10^-26

Um dafür zu sorgen, dass die Temperatur in 0 m Höhe trotz steigenden Drucks gleich 255,15 K bleibt, bräuchte man so ein V / N:

V₀ /​N₀ = k_B · 255,15 /​101300 = k_B · 0,00252 ≈ 3,5 · 10^-26

Mit einem V₀ /​N₀ kleiner als 3,5 · 10^-26 würde die Temperatur sogar sinken:

V₀ /​N₀ = k_B · 235,15 /​101300 = k_B · 0,00232 ≈ 3,2 · 10^-26

Veranschaulichung des Verhältnisses
zwischen Druck, Temperatur und Volumen
Für Pilotinnen wichtig zu wissen, um nicht auf falsch eingestellte
Höhenmessgeräte hereinzufallen und gegen Berge zu knallen⁴¹

In den Troposphären der Erde, von Jupiter und Saturn und weiteren sich nicht selbst heizenden Himmelskörpern scheint sich im Großen und Ganzen V / N so zu verhalten, dass die Temperatur mit steigendem p steigt. Weshalb ist das so?

Eine Temperaturerhöhung mit zunehmendem Druck folgt aus dem Zusammenhang zwischen Dichte d und Druck p, den die Mol‐​Variante der Gasgleichung beschreibt:

T = (p · M) /​(R · d)

Danach gibt es bei gegebener atmosphärischer Zusammensetzung (ausgedrückt mit M) zu jedem Temperatur/​Druck‐​Paar eine »passende Dichte«.

Die »passende Dichte« repräsentiert einen Zustand, in dem sich im Durchschnitt auf‐ und absteigende Luftmengen die Waage halten. Bei gegebener atmosphärischer Zusammensetzung lässt sich die »passende Dichte« einfacher mit einer spezifischen Gaskonstanten R_s der betreffenden Atmosphäre schreiben als

d = R_s · T /​p

Nach dieser »thermischen Zustandsgleichung«⁴² muss die »passende Dichte« denselben Verlauf nehmen, den p im Verhältnis zu T nimmt. Abweichungen von der »passenden Dichte« bringen Luft in eine unausgewogene konvektive Bewegung, mit der sie die »passende Dichte« zu erreichen versucht.⁴³

Druck‐ und Dichteverlauf
in der idealisierten Erdatmosphäre
Der Dichteverlauf ist um den Faktor R
relativ zu dem des Drucks verschoben.⁴⁴

Zum Verständnis der Dichte fand ein Naturwissenschaftsstudent in einem Forum allgemeinverständliche Worte:

»Das aktuelle Dichteprofil der Atmosphäre ist das Gleichgewicht zwischen Wärme, die das Gas auseinander treibt, und Schwerkraft, die es nach unten zieht.«⁴⁵

Ohne die wärmende Sonne würden demnach die atmosphärischen Teilchen herunterfallen und nicht wieder aufsteigen können. Die ehemalige Atmosphäre würde eine flüssige bis eisige Schicht um den Globus legen.⁴⁶

Dazu passt Ganteförs Hinweis, dass allein durch Druckunterschiede kein Temperaturgradient entstehen könnte (15:31).

Auf eine Behauptung, Druckunterschiede allein könnten Temperaturunterschiede bewirken, ist die Fraktion der Treibhausgasprozesse‐​arbeitslos‐​Machenden nicht angewiesen. Nikolov zum Beispiel schreibt:

»Unsere Theorie behauptet nicht, dass Druck an sich (d.h. isoliert) dem System eine absolute Energiemenge zuführt. Wir sagen, dass der Druck […] eine relative Erhöhung in die thermische Umgebung bringt. Die absolute kinetische Energie (und die Temperatur) eines Gases ist ein Produkt aus Druck, Kraft • Gasvolumen. Auf planetarer Ebene wird das Atmosphärenvolumen vollständig durch die Sonnenerwärmung gesteuert. Die Sonnenstrahlung ist hier die aktive Komponente. […]

Sonneneinstrahlung und Luftdruck erklären etwa 99,6 % der Oberflächentemperatur. Es gibt jedoch einen Anteil von 0,4 % an der absoluten mittleren Oberflächentemperatur, dessen Veränderung von […] der globalen Wolkenbedeckung abhängt. Auf der Erde entspricht dies einer globalen Temperaturveränderung von 1 [bis] 2 K. […]

Druckveränderungen [der Atmosphäre] treten auf einer Zeitskala von Zehntausenden bis Zehnmillionen von Jahren auf.«⁴⁷

Unter Verhältnissen der Gravitation befinden sich die troposphärischen Temperaturen dann in einem Gleichgewicht (einer Situation, in der netto kein vertikaler Wärmefluss stattfindet), wenn in allen Höhen Druck/​Dichte und Temperatur zueinander passen. Um welche Höhen es dabei jeweils geht, bestimmt die Sonneneinstrahlung in Kombination mit dem Atmosphärendruck bzw. der Gravitation und Atmosphärenmasse: je höher der Druck, je massiger die Atmosphäre, desto mehr hat eine gegebene Sonneneinstrahlung »zu tun«, um die Teilchen auseinanderzutreiben und das Volumen zu vergrößern.

Für Ganteförs Gasriesen folgt aus dem Bisherigen: dessen Atmosphäre erlangt in allen Höhen dieselbe Temperatur, die des Weltalls, sobald die Atmosphäre keine Druckunterschiede mehr aufweist. Das wird passieren, sobald sich der Gasriese als solcher im Weltraum verflüchtigt.

Nicht nur beim Wetteramt von Australien gehen Meteorologinnen
wie selbstverständlich davon aus, dass jede Höhe in Abhängigkeit
zum Luftdruck ihre je eigene Gleichgewichtstemperatur hat.

Fahrradausflug

In Debatten zum Verhältnis zwischen Druck und Temperatur taucht hier und da eine Anklage auf, die Ganteför in seinem Video nicht erhebt: Der Druck in Fahrradreifen ist höher als der Luftdruck der Umgebung. Also muss die Temperatur in Fahrradreifen höher sein als die der Umgebung. Ist sie aber nicht! Bätsch!

Für eine Umgebungstemperatur von 15 °C spuckte Grok oben folgende Werte aus:

Angenommen, der Luftdruck im Fahrradreifen beträgt fünf Mal so viel wie in der oberflächennahen Umgebung:
101300 · 5 = 506500 Pa.

Damit im Fahrradreifen 15 °C = 288,15 K herrschen, muss nach der Mol‐​Variante der Gasgleichung für die Dichte im Fahrradreifen Folgendes gelten:⁴⁸

T = (p · M) /​(R · d)
288,15 = (506500 · 0,02897) /​( 8,314 · d)
d = (506500 · 0,02897) /​( 8,314 · 288,15) = 6,125 kg/​m³

Das ist fünf Mal so hoch wie die Dichte der Umgebung:
1,225 · 5 = 6,125 kg/​m³

Die Temperatur im Fahrradreifen wäre höher als in der Umgebung, wenn im Fahrradreifen eine Dichte herrschen würde, die nicht zum Druck im Fahrradreifen passt. Dazu kommt es erfahrungsgemäß nur beim Mitführen des Fahrrads auf Klimaschutz‐Demos.

Perpetuum Mobile

Würden gravitationsbedingte Druckunterschiede einen Temperaturgradienten – unten warm, oben kalt – erzeugen: Wäre es dann möglich, ein Perpetuum Mobile zu bauen, wie Ganteför nahe legt (12:34)?

Falls der Temperaturgradient durch gravitationsbedingte Druckunterschiede in Kombination mit der Sonneneinstrahlung entsteht, stellt sich die Frage des Perpetuum Mobiles ebenso wenig wie etwa bei einer Wassermühle.

Die Sonnenenergie sorgt dafür, dass Wasser verdunstet und als Wasserdampf aufsteigt. Fällt das Wasser in günstigen Gegenden nieder, so dass es Flüsse speist, die gravitations‐ und anderweitig bedingt in eine bestimmte Richtung fließen, kann eine Wassermühle laufen. Theoretisch spricht nichts dagegen, konvektive Luftbewegungen ähnlich zu nutzen wie Flusswasser für Wassermühlen. Praktisch wird das nicht gemacht, wohl weil bei derzeitigen technologischen Möglichkeiten die Energieausbeute den nötigen Aufwand nicht rechtfertigt. Versuche, die Energieausbeute durch hohe Türme zu verbessern, wurden wieder aufgegeben (Wikipedia: Aufwindkraftwerke).

Sollten gravitationsbedingte Druckunterschiede für sich gesehen, auch ohne Sonnenenergie, einen Temperaturgradienten verursachen, wäre das nach Meinung mancher, zu denen vielleicht Ganteför gehört, ein Verstoß gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann in der makroskopischen Welt Wärme spontan nur von einem wärmeren Körper zu einem kälteren Körper fließen, aber nicht umgekehrt. Danach müsste die Luft, wenn keine Energiezufuhr wie z.B. Sonnenstrahlung anderes veranlasst, nach einer Weile in allen Höhen dieselbe Temperatur annehmen – Druckunterschiede hin oder her.

Allgemein muss, wenn Wärmeübertragung ständig nur in einer Richtung geschieht, früher oder später ALLES dieselbe Temperatur annehmen. Das wird als »Wärmetod des Universums« bezeichnet.⁴⁹

Im Jahr 1876 zweifelte der Physiker und Chemiker Josef Loschmidt diese Sache an. Dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik im obigen Verständnis schrieb Loschmidt einen »terroristischen Nimbus« zu, »welcher ihn als vernichtendes Prinzip des gesamten Lebens des Universums erscheinen lässt«.⁵⁰

Loschmidt meinte: Unter Bedingungen der Gravitation können Körper und auch Gase nur in ein thermisches Gleichgewicht gelangen, wenn sich ihre Temperaturen in Abhängigkeit zur Höhe ändern. Konkreter gesagt: Richtet man auf der Erdoberfläche eine lange mit Luft gefüllte Säule auf, in der die durchschnittliche Lufttemperatur zum Beispiel 10 °C beträgt, und sorgt man dann dafür, dass die Luft in der Säule von allen Wärmeübertragungen von und zur Außenwelt abgeschirmt ist, dann wird es nach einer Weile spontan unten in der Säule wärmer als 10 °C werden und oben kälter als 10 °C. Die Durchnittstemperatur der Luft, die Energie in der Luft, bleibt gleich, wird aber umverteilt. Gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstößt dieser gravito‐​thermische Effekt laut Loschmidt nur scheinbar durch unzutreffende Verallgemeinerungen.

Loschmidts Auffassung widersprach denen wissenschaftlicher Berühmtheiten wie Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann, so dass sie lange in der Versenkung verschwand.

Inzwischen haben mehrere Wissenschaftler den gravito‐​thermischen Effekt in verschiedenen Experimenten nachgewiesen und ausgemessen.⁵¹ Manche sagen, er ermögliche die Konstruktion eines Perpetuum Mobiles der zweiten Art. Man könne den Temperaturunterschied dauerhaft nutzen, um zum Beispiel elektrische Energie zu generieren, ohne dabei die Energiemenge in der Luftsäule oder einer vergleichbaren Vorrichtung zu vermindern.

Der Physiker Andreas Trupp schlug vor, den zweiten Hauptsatz wie folgt an die Beobachtungen anzupassen:

»Wärme wird nicht von einem Körper zum anderen übertragen, wenn eine solche Übertragung den Gleichgewichtszustand stören würde. Ein Gleichgewichtszustand […] ist ein Zustand, in dem der Netto‐​Wärmefluss null geworden ist. Anders ausgedrückt: Wenn der Wärmefluss zwischen zwei Körpern zum Stillstand gekommen ist, wird dieser Fluss nicht von selbst wieder in Gang kommen, sondern nur durch Einwirkung von außen.« ⁵²

Einige Jahre später kam eine im Journal der European Physical Society erschienene Arbeit zu dem Schluss, »dass die Schwerkraft die einzige Kraft ist, die in thermischen Gleichgewichtszuständen Temperaturgradienten erzeugen kann, ohne die Gesetze der Thermodynamik zu verletzen.«⁵³

Soweit ich verstanden habe, hat die Nichtverletzbarkeit des zweiten Hauptsatzes damit zu tun, dass bei Nutzung der Schwerkraft, zum Beispiel zur Erzeugung von Strom, das Nutzungs­instrumentarium ebenfalls der Schwerkraft unterworfen ist bzw. mit viel Energie davon befreit werden müsste.

Weitere Diskussionen um das Perpetuum Mobile könnten interessant sein. Zum Beispiel könnte man fragen, weshalb Umgebungsgradienten nachts ohne Sonne oder halbjährlich an den Polen stehen bleiben, anstatt zusammenzuklappen.

Doch um begründen zu können, weshalb der 33 °C‑Unterschied der untersten 5 km der irdischen Atmosphäre eine Folge der Konvektion ist und nicht eine Folge von Treibhausgasprozessen, braucht die Entstehung der Konvektion – ob mit oder ohne gravito‐​thermischen Effekt – nicht geklärt zu sein. Es genügt, die in den üblichen Formeln zur Berechnung von troposphärischen Temperaturen auftauchenden Komponenten zur Kenntnis zu nehmen und zu prüfen, inwieweit diese Formeln Ergebnisse liefern, die mit den Beobachtungen übereinstimmen. Abhängig davon, ob oder inwieweit oder zu welchen räumlichen oder zeitlichen oder sonstigen Gelegenheiten die Formeln durch Einbeziehung von Treibhausgasprozessen beobachtungsnähere Ergebnisse bringen, kann man den Treibhausgasprozessen eine größere oder kleinere oder keine Beteiligung am troposphärischen Temperaturgeschehen zusprechen.

4 Fazit

Professor Ganteför erklärt in seinem Video, was es bedeuten würde, sollte der 33 °C‑Unterschied der unteren fünf Kilometer der Atmosphäre kein Effekt von Treibhausgasprozessen sein: »Dann kollabiert die ganze Hektik mit der Dekarbonisierung und allem« (20:45).

Dem liegt folgender Gedankengang zugrunde: Wenn Treibhausgasprozesse bei der Temperatursteigerung um 33 °C keine Rolle spielen, liegt kein vernünftiger Grund vor, von zusätzlichen Treibhausgasen in der Atmosphäre zu erwarten, dass sie bei einer Temperatursteigerung eine Rolle spielen.

Ganteförs Video führt vor, was zu tun ist, um begründen zu können, dass Treibhausgasprozesse bei der Temperatursteigerung um 33 °C eine Rolle spielen. Unter anderem muss man die Gasgleichung mit ihrem Zusammenhang zwischen Temperatur und Druck opfern, damit die Temperatur auch bei höheren Drücken, wie sie in der Troposphäre herrschen, den Freiheitsgrad gewinnt, von Strahlungsprozessen der Treibhausgase in einem praktisch bedeutsamen Ausmaß beeinflusst zu werden.

Für das allgemeine Lebensniveau könnte die Opferung der Gasgleichung nur dann schlimme Konsequenzen haben (nicht funktionierende Kühlschränke, abstürzende Flugzeuge usw.), wenn ein konsequentes Denken vorherrschen würde. Erfahrungsgemäß kommen zumindestens westliche Gesellschaften prima damit klar, sachliche Zusammenhänge je nach wirtschaftlichen und politischen Opportunitäten als gegeben und nicht gegeben zu betrachten. Dadurch fliegen zum Beispiel Raketen und Drohnen aus der Ukraine ohne aktive operative Beteiligung von in Deutschland sitzenden US‐​Militärs treffsicher im russischen Staatsgebiet herum.

Wer fanatischerweise darauf bestehen möchte, dass die Gasgleichung auch in der popularisierten und schulisch vermittelten Klimawissenschaft gelten soll, kommt nur mit kognitiven Dissonanzen und/​oder ausreichendem Wissensmangel drumherum, den »natürlichen Treibhauseffekt« nicht nur deswegen für eine irreführende Bezeichnung zu halten, weil ein »Treibhaus« ganz anders funktioniert als der »natürliche Treibhauseffekt«, sondern auch deshalb, weil der »natürliche Treibhauseffekt« kein Effekt von Treibhausgasen ist.

Propagandatechnisch ist das »Treibhaus« eine Strohpuppe: man gibt eine Irreführung zu, um die fundamentalere zu verdecken. Das nicht zu bemerken, scheint mit naturwissenschaftlichem Studium schwieriger zu sein als ohne. Aber Experimente wie die von Solomon Asch zeigen⁵⁴, dass es auf’s Wissen wenig ankommt.

Sollte das eigene Wissen den psychosozialen Anpassungsbedürfnissen allzu sehr im Wege stehen, kann man sich mit Halbwissen aus anderen Themengebieten, etwa mit Sonnenschichten und meteorologischen Luftpaketen, genügend selbst verwirren, um nicht merken zu müssen, was die Anpassungsfähigkeit, und damit womöglich auch Einkommensquellen, gefährdet.

Von solchen Effekten, die in anderen Zusammenhängen überlebenswichtige Stärken sein können, sind nur wenige frei – auch nicht unbedingt diejenigen, die behaupten, es gebe keinen »natürlichen Treibhauseffekt«. Bei vielen sind bloß andere psychosoziale Konstellationen im Spiel, ohne dass sie die Sachfrage gründlich untersucht hätten.

Einigen allerdings, die ihren Ruf und ihre Karriere opfern, indem sie in der Klimadebatte mit dem herumwedeln, was zum Rest der Naturwissenschaften passt und seit mindestens 70 Jahren in üblichen Lehrmaterialien steht, werden vielleicht mal Denkmäler gesetzt werden – in einer Zukunft, in der die sozialen und wirtschaftlichen Bedingungen der wissenschaftlichen Arbeit den menschlichen Schwächen und dem Zerstörungspotenzial der Wissenschaft und Industrie angemessen sind: diskussionsoffen und ohne wirtschaftliche, politische und mediale Verzerrungen durch Machtkonzentrationen in Cliquen, die etwas davon haben, ihren eigenen menschheits­geschichtlich überfälligen Untergang mit einem der Welt zu identifizieren.

In der nächsten Folge werden gängige Treibhauseffekt‐​Theorien untersucht und eine überfällige Unterscheidung vorgenommen: die Unterscheidung zwischen einer Durchschnittstemperatur von ‑18 °C, die in ungefähr 5 km Höhe herrscht, und einer aus der Abstrahlung der Erde errechneten Temperatur von ‑18 °C.

Anmerkungen

Bild: Jakowlew Andrej Aleksejewitsch: Der Haushalt der Ingenieurin Nadezhda Kuryschewa, 1979 (https://t.me/SocialRealm)