Liebe Klima-Interessierte, es ist ziemlich ärgerlich, wenn bezüglich des "Treibhauseffekts" immer wieder aufs Neue die sattsam bekannten Argumente "durchgekaut" werden. Vielleicht kann ich mit folgender modifizierter Modellvorstellung etwas zur Klärung beitragen... Zum besseren Verständnis habe ich obiges Schema eingefügt. Grundlage sind die Werte in der Strahlungs- und Leistungsbilanz, die Trenberth et al, 2009, vorgelegt haben. Man füge nun gedanklich einen unteren Rand_ der Atmosphäre ein (wie es E. A. Milne vor etwa 90 a für den oberen Rand getan hat, um die "Unendlichkeit" von Planetenatmosphären zu überwinden). Dann hat man in Nähe der Erdoberfläche 2 plan-parallele Strahler gegenüberstehen, den Erdboden, bei einer Strahlungstemperatur von global 288 K, und die unterste Atmosphärenschicht, bei einer effektiven Strahlungstemperatur nach unten von ca. 277 K (d. h. Strahlung und Gegenstrahlung von 333 W/m²).
Dazu sei weiter die originäre Bodenstrahlung von 396 W/m² (entsprechend 288 K) in 2 Teile aufgetrennt: 333 W/m², die im Wellenlängenbereich > 3 µm, jedoch ohne die Wellenlängen des atmosphärischen IR-Strahlungsfensters, emittiert werden, und (bei klarem Himmel) 63 W/m², die im Bereich des Strahlungsfensters von etwa 8 bis 13 µm emittiert werden. Strahlung (von der Erdoberfläche) und Gegenstrahlung (aus der untersten Atmosphärenschicht) kompensieren sich und tragen somit im stationären Fall weder bei der Erdoberfläche noch in der Atmosphäre zu einer Temperaturveränderung bei. An Strahlung von der Erdoberfläche verbleiben nur die genannten 63 W/m² innerhalb des Strahlungsfensters (dabei werden zur Vereinfachung die O3-Problematik im Strahlungsfenster und eine mögliche Strahlungsreflexion an Wolken ausgeklammert). In diesem Wellenlängenbereich gibt es keine "Gegenstrahlung" aus der Atmosphäre, weil keine Absorber und damit auch keine Emitter wirksam werden. Bei klarem Himmel gelangen diese 63 W/m² direkt als Strahlung ins All (bei einer mittleren globalen Bewölkung von etwa 60% sind das nur noch 40 W/m² - die restlichen 23 W/m² werden im Mittel in den Wolken absorbiert und verbleiben damit in der Atmosphäre).
Damit ist die Energiebilanz unten: materie-gebundene Wärmeströme 98 W/m² plus (Netto-)Strahlung des Bodens 63 W/m² = 161 W/m². Das ist gleich der Insolation des Bodens von 161 W/m².
Die Energiebilanz oben: materie-gebundene Wärmeströme vom Boden 98 W/m² plus 23 W/m² Strahlungsabsorption vom Boden in den Wolken plus 79 W/m² originäre Absorption von Sonnenstrahlung in der Atmosphäre = 200 W/m². Dazu kommen noch die oben genannten 40 W/m² Direktabstrahlung vom Boden (insgesamt bei einer effektiven Temperaturlage in der Atmosphäre von etwa 255 K).
Folglich: Die Bilanz geht unten und oben auf; die Energieerhaltung ist selbstverständlich gewahrt. Die atmosphärische Gegenstrahlung überträgt keine zusätzliche Wärme auf die Erdoberfläche wie auch die Erdoberfläche auf dem Strahlungsweg nicht die Atmosphäre aufwärmt. Die Wärmeabfuhr von ihr in die Atmosphäre erfolgt materie-gebunden (durch adiabatischen Aufstieg von Luftpaketen, die von der solar beheizten Erdoberfläche aufgewärmt werden; durch latente Wärme infolge Wasserverdunstung); hinzu kommt der genannte Teil Direktabstrahlung vom Boden - im Strahlungsfenster. Dieser Strahlungsteil kann zum Beispiel CO2 und Wasserdampf nicht erreichen, weil diese im Fenster nicht absorbieren können (und in anderen Wellenlängenbereichen können IR-aktive Gase ebenfalls nicht absorbieren, weil die entsprechende Bodenstrahlung schon in den untersten Atmosphärenschichten "ausgelöscht" wird und sie folglich gar nicht erreicht).
*J.E., 8.9.2011:
Es geht ja um die Temperaturen, bei denen die Bilanzen stimmen. Und mit mehr CO2 stimmt die Bilanz auch wieder. Vielleicht hilft Ihnen beim Verständnis, wenn Sie die Wellenlängenverteilung der Bilanzen berücksichtigen. Ihre 63 W/m² innerhalb des Strahlungsfensters erhöhen sich beispielsweise auf 65 W/m² und die anderen Größen verändern sich entsprechend, so dass die Bilanz bleibt.
*meine Anmerkung dazu, 10.9.2011:
Im stationären Fall ist die Absorption von
Bodenstrahlung durch CO2 in der Atmosphäre nicht gegeben -
nicht weil CO2 etwa nicht IR-aktiv wäre, sondern weil
1. in den Wellenlängenbereichen > 3
µm, jedoch außerhalb des IR-Strahlungsfensters, die
gesamte Bodenabstrahlung durch die atmosphärische
Gegenstrahlung aus der unteren Effektivlage (ca. 277 K) kompensiert
wird und daher in beiden Richtungen keine Wärme
übertragen wird;
2. in den Wellenlängenbereichen des
IR-Strahlungsfensters CO2 nicht absorbiert und reemittiert.
Steigt die mittlere Globaltemperatur am Boden durch
stärkere Sonneneinstrahlung an, so stellt sich ein neues
Gleichgewicht mit einer neuen Globaltemperatur ein.
Erhöht sich die CO2-Konzentration in der
Atmosphäre (ohne veränderte Sonnenstrahlung, z. Bsp.
wegen erhöhter anthropogener CO2-Zufuhr), treten folgende
Effekte ein:
1. es erhöht sich nach Chilingar et al., 2009, wegen der
veränderten mittleren thermischen Eigenschaften der Luft die
Konvektion der Luft, was zu einer verstärkten
Wärmeabfuhr vom Boden in die Atmosphäre über
materie-gebundene Wärmeströme führt;
2. es erhöht sich die radiative
Wärmeabfuhrmöglichkeit von der oberen Effektivlage
(ca. 255 K) der Atmosphäre ins All;
3. es könnte sich - je nach Anteil des CO2 an
der Strahlungsintensität der unteren Effektivlage in Richtung
Erdoberfläche - auch die Gegenstrahlung erhöhen und
damit die bisherige Kompensation von Strahlung und Gegenstrahlung
stören (mit den zwangsweise verbundenen Rückkoppplungen
der zeitweilig verstärkt erwärmten Erdoberfläche);
jedoch: der Anteil des CO2 an der Gegenstrahlung
dürfte, da sie aus einer sehr warmen unteren
Atmosphärenschicht stammt, relativ gering sein - der Hauptteil
der CO2-Emission der Atmosphäre (um die 15 µm)
findet in einer großen Höhe und damit bei einer sehr
niedrigen Temperatur statt und wirkt sich eher bei der Abstrahlung des
Systems Erde/Atmosphäre ins All aus.
Innerhalb des IR-Strahlungsfensters kann sich der
CO2-Gehalt gar nicht auswirken. Wenn in diesen
Wellenlängenbereichen mehr vom Boden abgestrahlt
würde, ginge mehr direkt ins All (und ein klein wenig mehr in
die Wolkenabsorption).
Fasst man diese Überlegungen zusammen, wirkt
sich in erster Näherung eine Erhöhung des CO2-Gehalts
der Atmosphäre nicht oder kaum auf die globale Bodentemperatur
aus - das Delta der Wärmeabfuhr ins All sollte das
mögliche Delta der Wärmezufuhr zum Boden
übertreffen.
Übrigens: Wasser und Wasserdampf spielen im Vergleich zum CO2 eine wesentlich größere Rolle.
Übrigens: Wasser und Wasserdampf spielen im Vergleich zum CO2 eine wesentlich größere Rolle.