Beiträge von Dr. Wolfgang Brune in der Diskussion auf der EIKE-Plattform zu:

Das Zitat aus Bergmann-Schäfer

"Der planetare `Treibhauseffekt` ist die experimentelle Beobachtung, dass die Oberflächentemperatur terrestrischer Planeten höher ist als ihre effektive Strahlungstemperatur." (Lehrbuch der Eperimentalphysik, Band 7 Erde und Planeten, S. 346)

gibt den bekannten Sachverhalt wieder. Nur hat das nichts mit Strahlungsphänomenen zu tun. Der negative Temperaturgradient, der in der Atmosphäre beobachtet wird, kommt zustande, indem sich überall auf der Erde Luftpakete, die vom solar bestrahlten Erdboden aufgewärmt werden, adiabatisch nach oben bewegen, dabei Volumenarbeit zu Lasten ihrer inneren Energie verrichten und sich abkühlen.

Der Sachverhalt wird noch deutlicher, wenn, wie allgemein üblich (z. B.  Raval, Ramanathan, Nature, 1989), als „Treibhauseffekt“ die Differenz zwischen der der globalen Mitteltemperatur von 289 K zugeordneten Bodenabstrahlung von 396 W/m² (nach Trenberth et al., 2009) und der Gesamtabstrahlung ins All von 240 W/m² (= 156 W/m²) definiert wird. Diese Differenz ist die Strahlung, die CO2 und andere „Treibhausgase“ aus der Bodenstrahlung absorbieren und in alle Richtungen, darunter auch nach unten, wieder emittieren sollen... Tatsächlich strahlt jedoch die Erdoberfläche nur (etwa) 63 W/m² ab, womit sich zwangsläufig immer ein negativer Effekt ergibt (63 – 240). Ursache dafür ist just die atmosphärische Gegenstrahlung von im Mittel 333 W/m², die aus der Atmosphäre wieder den Erdboden erreicht und damit den größten Teil der theoretischen Bodenstrahlung kompensiert. Übrig bleiben gerade einmal 63 W/m², also genau die Strahlung, die im atmosphärischen Fenster zwischen 8 und 13 µm bei klarem Himmel direkt vom Boden ins All geht, weil in diesem Wellenlängenbereich keine Absorptionslinien der Haupt-IR-aktiven Gase der Atmosphäre liegen (außer etwas Ozon). D. h. obwohl CO2 und andere IR-aktive Gase auf Strahlung vom Boden „warten“, um sie absorbieren zu können, warten sie vergeblich. Sie kommt nicht, weil der Hauptteil der Bodenwärme als materie-gebundener Wärmestrom in die Atmosphäre tritt, um dann oben ins All abgestrahlt zu werden. Also: Auch wenn Herr Lüdecke in seiner Erwiderung auf Herrn Thüne davon spricht, dass der größte Teil der Wissenschaftler von einem strahlungs-basierten „Treibhauseffekt“ überzeugt ist, ist er physikalisch nicht vorhanden.

#48.     

Der grundsätzlichen physikalischen Bedeutung wegen noch einmal in aller Deutlichkeit: Es gibt keine Wärmestrahlung des Bodens, die von den IR-aktiven Gasen H2O, CO2 und CH4 in der Atmosphäre absorbiert werden könnte.

Von den 396 W/m² (alle Zahlenangaben nach Trenberth et al., 2009), die – der Temperatur 289 K entsprechend – vom Boden emittiert werden würde,

              *  werden 63 W/m² im atmosphärischen Fenster, bei klarem Himmel, ungestört direkt ins All emittiert (bei mittlerem wolkenbedeckten Himmel nur 40 W/m²; die Differenz von 23 W/m² wird durch Wolken absorbiert) - für alle anderen Wellenlängen ist die dichte untere Atmosphäre optisch kompakt

              *  Ausdruck der optischen Kompaktheit der unteren dichten Atmosphäre ist im stationären Fall die atmosphärische Gegenstrahlung von im globalen Mittel 333 W/m², die damit den größten Teil der Bodenstrahlung kompensiert, so dass er nicht mehr in die Atmosphäre eindringen kann

Bei der Kompensation von Strahlung und Gegenstrahlung in Bodennähe wird keine Wärme transportiert; es handelt sich energetisch um ein „Nullsummenspiel“.

Der mittlere negative Temperaturgradient in der Atmosphäre (verursacht durch solare Erwärmung des Bodens) wird durch adiabatisch aufsteigende materie-gebundene Wärmeströme hervorgerufen und aufrechterhalten –

              * begonnen bei der mittleren Globaltemperatur am Boden von 289 K

                * dann mit einer effektiven unteren Temperatur in der Atmosphäre von etwa 277 K, aus der – ab etwa einer optischen Tiefe von 1 – abwärts gerichtete Wärmestrahlung den Boden erreichen kann (die Gegenstrahlung von 333 W/m²)

           * und schließlich mit einer effektiven oberen Temperatur in der Atmosphäre von etwa 255 K, aus der – wieder bei einer optischen Tiefe ab etwa 1 – aufwärts gerichtete Wärmestrahlung endgültig ins All entweicht (in Summe über alle irdischen Emittenten 240 W/m²)

 #56.  

Ich dachte, es wäre deutlich genug, dass der Boden kein Einzelstrahler ist, sondern dass es sich zusammen mit dem unteren Teil der Atmosphäre um ein System aus zwei gegeneinander gerichteten Strahlern handelt. Bereits M. Planck (Theorie der Wärmestrahlung, Leipzig 1923) hat ein solches System von zwei planparallelen Strahlern, die sich gegenüber stehen und mit unterschiedlicher Intensität aufeinander strahlen, untersucht. Derjenige mit höherer Intensität fügt demjenigen mit geringerer Intensität Wärme zu. Umgekehrt kühlt derjenige mit geringerer Intensität denjenigen mit höherer Intensität etwas ab.  Ergänzend müsste man hinzufügen, dass keiner der beiden Strahler den anderen aufwärmt oder abkühlt, wenn beide mit gleicher Intensität zueinander strahlen. Sie kompensieren ihre einander entgegen gerichtete Intensität – mit der Folge, dass beide Strahler ihre Temperatur beibehalten.

Keinesfalls handelt es sich beim System Erdoberfläche/Atmosphäre um Strahlungsreflexion oder um eine sonst wie geartete  Strahlungsumgebung, die eine exotische Wirkung entfaltet.

#62.     

Also machen wir die Energiebilanz an der Erdoberfläche auf:

*solarer Zufluss: 161 W/m² (Zahlenangaben, wie immer entspr. Trenberth et al., 2009)

*Wärmeabfluss: - 63 W/m² radiativ (nur im Strahlungsfenster)

                         - 98 W/m² materie-gebunden

          In Summe: 161 W/m²

*dazu Bodenstrahlung/atmosphärische Gegenstrahlung mit je 333 W/m² gegeneinander (die sich energetisch kompensieren, mit der auch von Ihnen nicht bestrittenen Folge, dass die Temperaturen beider Strahler gleich bleiben: im Mittel 289 K am Erdboden und im Mittel 277 K an der effektiven Höhe, von der zusammengefasst die atmosphärische Abwärtsstrahlung angenommen werden kann); diese Strahlungskompensation findet unmittelbar am Boden bzw. in einer bodennahen Grenzschicht statt, keineswegs jedoch in der kompakten Atmosphäre.

Fazit: Die Wärmebilanz am Boden ist i.O. Es wird dabei nur eine Strahlung von 63 W/m² vom Boden abgegeben, und zwar im atmosphärischen Strahlungsfenster, die damit keine Wechselwirkung mit den hauptsächlichen IR-aktiven Gasen eingeht, allerdings bei mittlerer Bewölkung an den Wolken mit etwa 23 W/m² - und dann nur noch unmittelbar mit 40 W/m² (direkt) ins All.

Zur Vollständigkeit noch die Energiebilanz der Atmosphäre in Höhe der effektiven oberen Temperatur von 255 K (Strahlungsgleichgewichtstemperatur):

*Zustrahlung von der Sonne: 240 W/m² (Albedo von ca. 30 % bereits abgezogen)

          (dav. 161 W/m² Absorption am Boden und 79 W/m² in der Atmosphäre)

*Abstrahlung: - 98 W/m² materie-gebunden vom Boden

                      - 79 W/m² aus solarer Atmosphären-Absorption

                      - 23 W/m² aus Bodenstrahlungsabsorption in den Wolken  (im Strahlungsfenster) 

                      - 40 W/m² direkte Bodenabstrahlung ins All

        In Summe: 240 W/m²

Auch die obere atmosphärische Energiebilanz ist folglich i.O.

Wie bereits von mir ausgesagt, spielt die Bodenabstrahlung in Gänze für die Absorption an den hauptsächlichen IR-aktiven Gasen keine Rolle. Für die Ausbildung des in der Atmosphäre beobachtbaren mittleren Temperaturgradienten sind ausschließlich materie-gebundene Wärmeströme zuständig (wie im Übrigen für alle Planeten mit Atmosphäre). Daher ist es nicht möglich, die Atmosphärenvorgänge nur als Strahlungsvorgänge zu betrachten, sondern immer im Zusammenwirken von Thermodynamik und Strahlungsphysik. Die Thermodynamik kommt vorrangig bei den Transportvorgängen in der Atmosphäre zur Wirkung, die Strahlungsphysik vorrangig am Unterrand und am Oberrand der Atmosphäre, wo die Strahlung aus der Atmosphäre austritt (einmal in den Boden, zum anderen ins All).

          #85.      
 
Gegeben sei ein beliebiger Punkt in einem adiabatisch in der Atmosphäre aufsteigenden Luftpaket, der sich genügend weit vom Unterrand und vom Oberrand der Atmosphäre entfernt befindet. Die IR-aktiven Bestandteile der Atmosphäre – sowohl innerhalb als auch außerhalb der Paketgrenzen – emittieren und absorbieren ständig Wärmestrahlung, und zwar über die Paketgrenzen hinweg. Dabei befindet sich die Strahlungsemission in Konkurrenz mit thermischen Stößen, denen IR-aktive wie auch IR-nicht-aktive Gasmoleküle entsprechend der jeweiligen Lufttemperatur unterliegen, wobei sich mit zunehmender Höhe das Verhältnis zugunsten der Strahlungsemission verändert. Befindet sich das Luftpaket genügend weit vom Unterrand und vom Oberrand der Atmosphäre entfernt, stehen Emission und Absorption im Gleichgewicht.

Anders wird das, wenn sich das betrachtete Luftpaket in der Nähe der Atmosphärenränder aufhält. Dann kommt – von unten bzw. von oben – weniger Strahlung zum Luftpaket zurück, weil sich die Strahlung zunehmend außerhalb der Atmosphäre aufhält: unten, weil sie vom Erdboden (als so genannte Gegenstrahlung) aufgenommen wird (und damit die Bodenstrahlung, die nicht durch das atmosphärische Fenster entweicht, kompensiert, womit beide Strahlungen „ausgelöscht“ werden); oben, weil sie unwiderruflich ins All entweicht. Das Strahlungsgleichgewicht, das in der kompakten Atmosphäre gilt, ist an den Atmosphärenrändern gestört.

Die Abstrahlung ins All erfolgt zu Lasten der inneren Energie des Luftpakets, verbunden mit Abkühlung. Der adiabatische Abstieg des Luftpakets setzt ein, wobei sich die beim Aufstieg im Gravitationsfeld der Erde gewonnene potentielle Energie des Pakets über umgekehrte Volumenarbeit wieder in innere Energie rückverwandelt.

Mit diesem vereinfachten Modell wird klar, dass

            1. Wärmestrahlung immer und überall in der Atmosphäre im Gleichgewicht zwischen Absorption und Emission steht, wenn man nur weit genug von den beiden Rändern entfernt ist;

            2. Wärme auf konvektivem Weg von der Erdoberfläche an den Oberrand der Atmosphäre transportiert und dort abgestrahlt werden kann;

            3. der Großteil der der Temperatur geschuldeten Bodenstrahlung (nämlich der Teil, der nicht sofort über das atmosphärische Fenster entweicht) am Boden bzw. in einer bodennahen Grenzschicht „ausgelöscht“ wird und gar nicht in die eigentliche Atmosphäre eindringen kann.

(Hinweis: Der immer wieder in der Diskussion herangezogene „Satellitentrichter“ des CO2 in den gemessenen Strahlungsspektren sagt nichts darüber aus, wie die Wärme vom Boden in die Atmosphäre eingetragen wird, also ob radiativ oder konvektiv. Er bedeutet nicht mehr und nicht weniger, als dass im oberen Teil der Troposphäre, also in einem sehr kalten Bereich der Troposphäre, auch das CO2 an der Abstrahlung ins All beteiligt ist.)

               #105.

Anstatt die allgemein bekannte übliche Form der Energiebilanz an der Erdoberfläche einfach noch einmal abzuschreiben, hätten Sie sich die Zeit nehmen sollen, darüber nachzudenken, was denn an der von mir benutzten Formulierung (# 62 ) falsch sein könnte oder ob sie nicht im Gegenteil zu einer besseren Wiedergabe des physikalischen Sachverhalts führt:

*ohne dass ignoriert wird, dass Wärmeabstrahlung vom Boden nur im Wellenlängenbereich des atmosphärischen Strahlungsfensters in die und durch die Atmosphäre erfolgen kann – und das sind eben nur 63 W/m²;

*und ohne dass die Sonnenstrahlung (mit der ihr zugrunde liegenden Strahlungstemperatur von 5800 K) und die aus der Atmosphäre stammende Gegenstrahlung (mit der ihr zugrunde liegenden Strahlungstemperatur von etwa 270 bis 290 K) gleichgesetzt werden muss (wobei Sie selbst richtig anmerken, dass die atmosphärische Quelle i.d.R. eine tiefere Temperatur als der Boden besitzt).

Der Einwand jedenfalls, den mir einige Kritiker vorgeworfen haben, dass nämlich jede Strahlung, gleich welcher Intensität, die dem Boden zugeführt wird, ihn immer erwärmen müsse, weil sonst der Energiesatz verletzt wäre, gilt nicht, weil die aus der Atmosphäre dem Boden zugeführten 333 W/m² sich genau mit den vom Boden virtuell abgestrahlten 333 W/m² (die also nicht im Fenster entweichen) kompensieren und sogar noch von vergleichbarer (Temperatur-) Qualität sind.

              #111.

Offenbar entwickelt sich die Frage, ob ein wesentlicher Teil der Bodenabstrahlung, nämlich etwa 333 W/m², gar nicht die Atmosphäre erreicht und dort von den hauptsächlichen IR-aktiven Gasen wie H2O, CO2 und CH4 absorbiert werden kann, zu einer Entscheidungsfrage um den „Treibhauseffekt“.

*“Virtuelle“ Bodenabstrahlung von 333 W/m²: Es ging mir im Zusammenhang mit diesem Begriff um nichts anderes, als dass die Energieerhaltung gewährleistet ist, d. h. dass 330 – 330 = 0 ist, was offensichtlich nicht nur zu Clausius‘ Zeiten, sondern auch heute noch richtig ist.

Im Übrigen habe ich das Problem „virtuell“ , was die Bodenabstrahlung physikalisch anbelangt, offen gehalten (s. beispielsweise #62;85 ): entweder direkt vom Boden – dann wäre „virtuell“ passend – oder von einer bodennahen Grenzschicht aus, im Modell gewissermaßen zwischen Boden und Atmosphäre – dann wäre sowohl die Hinstrahlung als auch die Gegenstrahlung von je 333 W/m² für sich genommen „real“. Entscheidend ist jedoch, dass sie sich kompensieren und dass sie damit weder dem Boden noch der unteren Atmosphäre Wärmestrahlung zuführen, die dort absorbiert werden könnte. –

Ja, und wenn ich wirklich die beiden Differenzen 40 (= 396 – 356) und 63 (= 396 – 333) gleichgesetzt hätte, wäre es wohl mathematisch wie auch physikalisch falsch gewesen. Habe ich jedoch nicht:

*Der Boden strahlt unmittelbar und unbeeinflusst alles ab, was innerhalb der Wellenlängen des atmosphärischen Fensters liegt – das sind (bei wolkenlosem Himmel) 63 W/m² (bei Trenberth et al., 2009, mit 40 + 30 W/m² eingezeichnet);

       - bei (hypothetisch) klarem Himmel über der gesamten Erde geht dabei alles ins All

       - bei real durchschnittlich 60 % Bewölkung sind das nur noch 40 W/m², die direkt ins All gehen  – die Differenz von 23 W/m² wird an den Wolken absorbiert und dann von den Wolken oben wieder abgestrahlt, als Bestandteil des gesamten Abstrahlungsmixes vom System Erde/Atmosphäre ins All: Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf, Methan, Ozon und eben auch Wolken und Boden (insgesamt 240 W/m²)

*Der nicht im Strahlungsfenster abgestrahlte Teil – 333 W/m² – kompensiert sich in der Grenzschicht mit der gleich großen atmosphärischen Gegenstrahlung und spielt folglich (außer der beidseitigen „Warmhaltung“) physikalisch keine Rolle mehr.

Man kann es daher drehen und wenden, wie man will: In der Atmosphäre hält sich Bodenstrahlung nur innerhalb der Wellenlängen des atmosphärischen Fensters auf, sonst nicht. Und diese Strahlung kann von CO₂ und anderen IR-aktiven Gasen praktisch nicht absorbiert werden (außer etwas O₃). Weder bezüglich der gegenwärtigen Gaskonzentration noch bezüglich einer sich vergrößernden Gaskonzentration.

(Hinweis: Eine ganz andere Frage ist es übrigens, dass sich mit verändernder Sonnenstrahlung die Zufuhr von latenter Wärme in die Atmosphäre verändert – mit nachfolgender partieller Kondensation –, und damit auch der pseudo-adiabatische Temperaturgradient und die effektive Abstrahlungshöhe. Das könnte unter Umständen nicht nur durch die Sonne, sondern auch durch anthropogene Einflüsse bewirkt werden.)    

            Nachtrag 1

            (zu #112)

Der augenscheinliche und üblicherweise auch dargebotene physikalische Sachverhalt zum „TE“ darf wohl allgemein als bekannt vorausgesetzt werden. Ich suche jedoch nach Ansatzpunkten, wie er auch anders und, wie ich hoffe, richtig, interpretiert werden kann.

Zu Ihren etwas schulmeisterlichen „Falsch“-„Richtig“-Anmerkungen – vom Grundsatz her:

*Der Erdboden strahlt, als annähernd perfekter Schwarzkörperstrahler angenommen,  – entsprechend seiner mittleren Temperatur von 289 K – im Mittel 396 W/m² ab: Überall dort, wo diese Abstrahlung im stationären Fall auf die atmosphärische Gegenstrahlung trifft, wird sie durch diese kompensiert. Nur im Wellenlängenbereich des atmosphärischen Strahlungsfensters kommt ihm keine Gegenstrahlung entgegen, und wenn man (hypothetisch) annimmt, dass überall auf der Erde ein wolkenloser Himmel herrscht, gingen  damit etwa 63 W/m² der Bodenstrahlung ungehindert ins All. (Wolkenloser Himmel heißt natürlich auch, dass es eben keine Wolken gibt, die in diesem Wellenlängenbereich absorbieren und emittieren könnten. Mit der Sonnenstrahlung hat das nichts zu tun.) Setzt man allerdings die mittlere Bewölkung von etwa 60% an, verringert sich diese maximale Abstrahlung ins All auf reale 40 W/m². Die verbliebenen 23 W/m² werden durch diese Bewölkung absorbiert, dann in den Wolken konvektiv in die Höhe transportiert und oben wieder abgestrahlt – als Bestandteil des gesamten Wärmeabstrahlungsmixes des Systems Erde/Atmosphäre von im Mittel 240 W/m². (Noch einmal: die 40 W/m² direkte mittlere Abstrahlung ins All setzen die mittlere Bewölkung voraus; ohne Wolken muss es zwangsläufig mehr sein, offenbar eben die genannten mittleren 63 W/m²!)

*Dass in der Atmosphäre eine nach oben hin abnehmende Wärmestrahlungsintensität beobachtet werden kann, hat mit längs des vertikalen Strahlungswegs absorbierter Bodenstrahlung nichts zu tun. Sie ist auf  die laufende Emission (und Absorption) der IR-aktiven Atmosphärengase entsprechend der Temperaturabnahme (entsprechend dem mittleren Temperaturgradienten) in der Atmosphäre zurückzuführen. (In jeder Höhenstufe – fern den definierten „Grenzen“ der Atmosphäre – stehen Emission und Absorption nach Kirchhoff im Mittel in einem annähernden Gleichgewicht.) 

             Nachtrag 2            

J.E., was zu befürchten war, ist nun eingetreten. Die Diskussion um die Strahlungsverhältnisse zwischen Erdoberfläche und unterer Atmosphäre beginnt sich im Kreis zu drehen und sollte bei diesem Stand vielleicht erst einmal beendet werden.

*Nach meinen Untersuchungen spielen Transportvorgänge für Wärmestrahlung in der Atmosphäre nur an den Atmosphärenrändern eine bedeutende Rolle, an denen Wärme auf dem Strahlungsweg nach außerhalb der Atmosphäre transportiert wird, unten in den Erdboden, wo sie großenteils die Bodenabstrahlung kompensieren, oben ins All, womit die Wärme des Systems Erde/Atmosphäre abgeführt wird. Darauf habe ich beispielsweise schon im Kommentar # 62 verwiesen. Sie befassen sich allerdings in Ihrer Arbeit mit den Rändern der Atmosphäre gar nicht.

 ....

Es ist schon verwunderlich, dass manchmal selbst einfache physikalische Sachverhalte hartnäckig ignoriert werden, wenn sie nicht in das gewohnte Bild passen, so

*die gegenseitige Kompensation zweier entgegen gerichteter Schwarzkörperstrahler, die die gleiche Strahlungsintensität aufweisen

*das annähernde Strahlungsgleichgewicht zwischen Wärmestrahlungs-Emission und Wärmestrahlungs-Absorption von IR-aktiven Gasen in der kompakten Atmosphäre und dessen Störung an den Rändern der Atmosphäre

*der Wettbewerb von Stoßdeaktivierung und Strahlungsemission nach erfolgter Strahlungsabsorption in der unteren dichten Atmosphäre bei IR-aktiven Gasen

*die Zunahme bzw. Abnahme der potentiellen Energie, die ein masse-behafteter Körper beim Aufstieg bzw. beim Abstieg im Gravitationsfeld der Erde erfährt

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