Gegenstrahlung und mittlerer Wassergehalt der Atmosphäre - ein klimatologisches Resümee Anfang 2012 

Fortsetzung der Diskussion um die inhaltlichen Probleme der  Monografie zur "Klimaphysik"

Die atmosphärische Gegenstrahlung ist nicht das Ergebnis von Absorption und Reemission von Bodenstrahlung durch IR-aktive Gase in der Atmosphäre (sondern entsteht im Gefolge der stationären Temperaturschichtung der Atmosphäre beim Aufstieg von solar erwärmten Luftpaketen); ich messe ihr jedoch eine zentrale Rolle beim Verständnis von atmosphärischen Klimavorgängen bei.

1. Ausgangspunkt ist, dass ein (vereinfachend als plan-paralleler Schwarzkörperstrahler angenommener) Emitter der mittleren Temperatur 289 K eine Wärmestrahlung von 396 W/m² aussendet. Die darüber befindliche Erd-Atmosphäre lässt ungeschwächt alle Strahlung - bei global klarem Himmel - durch, die sich innerhalb der Wellenlängen des IR-Strahlungsfensters befindet, das sind maximal etwa 63 W/m² (bei anderen Autoren 70, 61, 65 W/m²); bei global durchschnittlicher Bewölkung sind das noch 40 W/m² - die restlichen 23 W/m² werden an Wolken absorbiert, in den Wolken als Materiestrom nach oben transportiert und dann oben in das All abgestrahlt. Es erfolgt keinerlei Absorption an IR-aktiven Gasen (außer etwas Ozon), darunter v. a. auch nicht an CO₂. Außerhalb der Wellenlängen des IR-Strahlungsfensters verbleibt folglich noch eine potentielle Bodenwärmestrahlung von 396 - 63 = 333 W/m², die in die Atmosphäre eintreten und dort von IR-aktiven Gasen teilweise absorbiert werden und damit eine Temperaturerhöhung verursachen könnte. Das geschieht jedoch nicht, weil ihr gerade eine atmosphärische Gegenstrahlung von gleicher Intensität entgegen kommt und sich beide Strahlungen neutralisieren. Diese Gegenstrahlung wird hervorgerufen durch die stationäre Temperaturschichtung der Atmosphäre (hier von einer Effektivtemperatur der unteren Atmosphäre von etwa 277 K emittiert), die nach unten gerade noch die Erdoberfläche erreicht (und nach oben in der Atmosphäre verbleibt). Es tritt folglich - außer der Boden­strahlung im IR-Strahlungsfenster - keine Wärmestrahlung in die Atmosphäre ein und im Fenster nur durch sie hindurch bzw. sie wird teilweise an Wolken absorbiert und in ihnen nach oben zur Abstrahlung ins All transportiert. Das stimmt mit dem Woodschen Experiment überein; über Strahlung wird der Boden nur mit maximal 63 W/m² gekühlt. Alle andere Wärme wird, wenn nicht behindert, durch materie-gebundene Wärmeströme vom Boden aufwärts transportiert.

Damit erhält die atmosphärische Gegenstrahlung den ihr gebührenden physikalischen Platz. Sie ist nicht eine relativ belanglose Größe, mit der man mathematische Spielchen treiben könnte, ein "Phantasieprodukt", "physikalischer Nonsens", eine "absurde Idee" usw., wie sie manchmal bezeichnet wird. Sie sorgt dafür, dass beide Emitter, der Boden und die untere Atmosphäre, warmgehalten und die stationäre Temperaturschichtung der Atmosphäre nicht durch Strahlungsvorgänge gestört wird.

2. Allein die Schlussfolgerung, dass CO₂ keinen Erwärmungs- (und Abkühlungs-)Effekt für die Atmosphäre und den Erdboden hat, reicht nicht aus, den "Treibhauseffekt" zu bewerten: Das Wasser muss unbedingt in die Klimabetrachtungen einbezogen werden. Seine Rolle beschränkt sich aber auch keineswegs auf die Rolle der Wolken.  Der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre hat insgesamt einen bestimmenden Einfluss auf das Klima: Er bestimmt entscheidend das Klima, weil er direkt Einfluss auf die stationäre Temperaturschichtung der Atmosphäre hat - mit steigendem Wasserdampfgehalt sinkt der Temperaturgradient (und gleichzeitig steigt die mittlere Abstrahlungshöhe ins All an). Ich habe das in meinem Buch „Klimaphysik“ vereinfachend durch die linearen Gleichungen für mittleres G-feucht (Gradient) sowie effektives  X-feucht (Abstrahlungshöhe) ausgedrückt:

*mittleres G_f = G_tr / (1 + cw*) bzw.

*effektives X_f = X_tr ∙ (1 + cw*)

mit G - Temperaturgradient [K/km]

      X - Abstrahlungshöhe [km]

w* - ein charakteristischer spezifischer Wassergehalt der Atmosphäre

c - Proportionalitätskonstante

Dabei muss man sich im Klaren sein, dass Wasser nicht nur durch solare Flüssigwasser­verdunstung in die Atmosphäre eingetragen werden kann, also durch Absorption von Sonnenstrahlung entsprechend der mittleren Solarkonstanten. Unter bestimmten Umständen kann auch die (periodische) Schwankung der Sonnenstrahlung klimatische Auswirkungen haben, nämlich durch Hinzutreten der 3. Phase, in der sich Wasser auf der Erde befindet, als Festkörper (Vereisung und dann wieder Enteisung; zwangsweise damit verbunden auch mit einem außerordentlichen Anstieg bzw. Abfall des Meeresspiegels). Sonst wäre die perio­dische Folge von Kalt- und Warmzeiten im Pleistozän klimatologisch nicht erklärbar (Periode etwa 100 000 Jahre). Ein periodisches geringes Nachlassen der Insolation kann dazu führen, dass über eine sehr lange Zeit Wasser aus der Atmosphäre entfernt wird, ohne in den üblichen Wasserkreislauf (der Weltmeere) einbezogen zu werden, sondern ihm langandauernd entzogen zu werden (großräumige Vereisung, mit sekundären klimatologischen Folgen wie Verschwinden von Wäldern und Veränderung der Erdalbedo usw.). Dazu reicht eine insgesamt sehr geringe, aber sehr lang andauernde globale Wasserentzugsrate (0,1 ∙ 10⁹  t/a).

Beim anschließenden Übergang in eine neue Warmzeit, der analog durch ein geringfügiges Ansteigen der Insolation eingeleitet wird, ist ebenfalls eine relativ geringe, lang anhaltende Wasserzufuhrrate (1 ∙ 10⁹ t/a), die zusätzlich aus der großflächigen Enteisung der Erd­oberfläche gespeist wird, ausreichend, um den Wassergehalt der Atmosphäre ansteigen - und mit ihm auch die globalen Temperaturen ansteigen - zu lassen.

Die zusätzlichen Energiemengen, die solar den Prozess jeweils einleiten, sind vernachlässig­bar gering zur Grundeinstrahlung der Sonne auf die Erde. Dann ist es jedoch auch verständlich,  dass es später - nach der Beendigung der Eiszeitfolge (höchstwahrscheinlich anthropogen bedingt) - auch möglich war, dass durch die menschliche Wirtschaftstätigkeit diese geringen, jedoch lang andauernden Mengen an Wasser der Atmosphäre zusätzlich zugeführt bzw. aus ihr abgeführt worden sind, ohne dass die dazu erforderliche Energie merklich gegen die solare in Erscheinung getreten wäre, allein durch materielle Zuführung bzw. Abführung von Wasser auf lange Zeit und damit Veränderung des Temperaturgradienten der Erdatmosphäre, den der globale adiabatische Aufstieg von solar-grund-erwärmten Luftpaketen generiert.

Das globale Klima auf der Erde ist in dem Maße unveränderlich, in dem der mittlere globale Wasser­gehalt der Atmosphäre unveränderlich ist.

© by Wolfgang Brune, 2012

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