Treibhauseffekt - ein reines Strahlungsphänomen? 

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

 Dr. Wolfgang Brune

*Brune an Fachkollegen, 17.10.2011:  

Bezüglich der Schlussfolgerung gilt es …  zu beachten, dass ein Ergebnis, das 2 (oder auch mehr) Autoren in etwa derselben Größe erhalten, nicht automatisch richtig sein muss - wenn die Autoren nämlich von etwa denselben Grundvoraussetzungen an die Aufgabe herangehen. Diese hat Herr P.D. kürzlich noch einmal spezifiziert, indem er den Treibhauseffekt als "strahlungsphysikalischen Effekt" interpretierte. Genau darin liegt das eigentliche Problem:

1. Da jeder Strahler entsprechend seiner Temperatur strahlt, handelt es sich bei der Betrachtung der Strahlung eines bestimmten Emitters (zum Beispiel modellhaft eines durchschnittlichen Elements der globalen Erdoberfläche) immer um eine Nettostrahlung: Die Abstrahlung ist immer die Differenz von temperatur-bestimmter Strahlung und jeglicher Gegenstrahlung, die die Fläche erreicht. Also, wenn die Gegenstrahlung zum Beispiel 333 W/m² beträgt, kann die Erdoberfläche (Temperatur ca. 289 K) nur mit maximal 396 - 333 W/m² = 63 W/m² ausstrahlen. Auf diese Weise kann folglich kein Treibhauseffekt (als Differenz zwischen Bodenabstrahlung und Systemabstrahlung von Erde und Atmosphäre) formuliert werden; [er wäre immer negativ].

2. Andererseits erzeugt jeder adiabatische Aufstieg von Luftpaketen, die von der Erdoberfläche erwärmt werden, einen Temperaturgradienten in der Atmosphäre (in Nähe des Bodens warm, nach oben immer kühler), der in einer bestimmten Höhe, bei einer effektiven Abstrahlungstemperatur, beendet ist, weil die inzwischen erreichte geringe Luftdichte dafür sorgt, dass der atmosphärische "Strahlungskörper" ins Weltall strahlt, ohne dass von dort 
wieder [terrestrische] Wärmestrahlung zurückkäme. Damit kann ein atmosphärischer Temperatureffekt als mathematisches Produkt des Temperaturgradienten und der Abstrahlungshöhe definiert werden (beide Größen hängen nur vom Wassergehalt der Atmosphäre ab; zum Beispiel bei mittlerer Feuchte Gradient 6,5 K/km und effektive Abstrahlungshöhe etwa 5,2 km).

Schlussfolgerung: Zumindest wäre es sehr einseitig, wie bisher meist geschehen, den Treibhauseffekt  nur als ein Strahlungsphänomen aufzufassen.

*Brune an P.D.,  20.10.2011:

Ich komme nochmals auf Ihre Mail vom 18.10.11 zurück. Dort schrieben Sie:

...>Dies wird allgemein als TREIBHAUSEFFEKT bezeichnet.
> Ich glaube dass dieser Effekt im Prinzip/Modell nur durch
> Strahlungsphysik erklärbar ist, stimme Ihnen aber zu daß er natürlich
> durch Thermodynamik der Atmosphäre beeinflußt wird - z.B. bildet die
> Feuchtkonvektion einen (reduzierenden) Bypass zum Strahlungstransport.
> Auch durch Adiabatik, lateralen Wärmetransport, Verdunstung,
> Niederschläge sowie Tag/Nacht-Dynamik und Ozeane, Wolken und
> Klimazonen (Tropen, Pole) ergeben sich zusätzliche Einflüsse. Ich sehe
> aber mit unseren bescheidenen Mitteln keine Möglichkeit, diese Dinge,
> die über eine grobe Abschätzung hinausgehen, einigermaßen korrekt zu
> berechnen.

Auch an anderer Stelle haben Sie darauf verwiesen, dass im Wesentlichen die Wärmeabfuhr von 
der Erdoberfläche auf dem Strahlungswege erfolgt und die materie-gebundenen Wärmeströme 
gewissermaßen nur ein wenig als Bypass wirken.
Dem ist m E. nicht so, wenn Sie nochmals die globale mittlere Energie-, Leistungsbilanz an der Erdoberfläche
heranziehen:

*Wärmeabfuhr materie-gebunden (mit Trenberth 2009) 98 W/m²

*Wärmeabfuhr durch direkte Bodenabstrahlung ins All 40 W/m² (im IR-Strahlungsfenster)

*Wärmeabfuhr durch Bodenabstrahlung, die in der Bewölkung absorbiert wird, 23 W/m² (im IR-Strahlungsfenster)

Nur 23 W/m² der gesamten Wärmeabfuhr des Bodens in Höhe von 161 W/m² erfolgt über Absorption von Strahlung in der Atmosphäre - und nicht an CO2 oder anderen Spurengasen, sondern an Wolken; das sind nur reichlich 14 %.
Damit wird ein Betrag von 98 + 23 = 121 W/m² auf einem Weg in die Atmosphäre eingetragen, der nichts mit CO2 (oder anderen Spurengasen) zu tun hat. Hinzu kommt ein Betrag von 79 W/m² aus der Absorption von Sonnenstrahlung in der Atmosphäre; macht zusammen 200 W/m², die in Summe durch Erhöhung der inneren Energie von adiabatisch aufsteigenden Luftpaketen in die Atmosphäre eingetragen und dann oben abgestrahlt werden, wenn die Atmosphärendichte so gering geworden ist, dass immer mehr Wärmestrahlung von allen dazu fähigen Emittern (aus unterschiedlichen Höhen, wozu man letztlich auch die Abstrahlung des Bodens im Bereich des IR-Strahlungsfensters mit 40 W/m² rechnen kann) ohne Rückkehr ins All abgestrahlt wird.
In diesen Betrachtungen spielt CO2 keine Rolle - außer natürlich 1. dass es zur Abstrahlung ins All beiträgt (aus einer sehr großen Höhe) und 2. dass es, bei anwachsender Konzentration, mit hoher Wahrscheinlichkeit zur verbesserten Konvektion der Luft beiträgt. Strahlungseffekte sind wichtig in der Atmosphäre, jedoch nur an den beiden postulierten Rändern der Atmosphäre (oben, was schon lange Zeit Bestandteil der Rechnungen ist, und nun wohl auch unten). An
beiden Rändern verlässt Strahlung die ansonsten kompakte Atmosphäre, oben zur Kühlung des gesamten Atmosphärensystems, unten, indem sie auf die temperatur-bestimmte Bodenstrahlung, vermindert um die Strahlung, die direkt im IR-Strahlungsfenster vom Erdboden entweicht, trifft und sie kompensiert. Damit ist es gerade die atmosphärische Gegenstrahlung, die auf Grund der effektiven Atmosphärentemperatur der unteren 
Atmosphärenschichten emittiert wird, die das Zustandekommen eines TE auf dem Strahlungsweg verhindert.

[Herr P.D., ich darf noch einmal zusammengefasst darauf verweisen, dass es nach dem von mir vorgestellten Modell mit dem Unterrand der Atmosphäre außerhalb der Wellenlängen des IR-Strahlungsfensters so gut wie keine Durchstrahlung der Atmosphäre mit Bodenwärmestrahlung gibt; und innerhalb des Fensters nur einen geringen Anteil (im Mittel die genannten 23 W/m²), und auch diese eben nicht in Wechselwirkung mit CO2 und anderen Spurengasen, sondern mit Wolken.]

 

*J.E. an Brune, 21.10.2011:

die Atmosphäre ist zweigeteilt: oben die konvektionsarme Stratosphäre wo die Strahlungsverhältnisse temperaturbestimmend sind und unten die konvektionsreiche Troposphäre, wo die Gasdynamik den Temperaturgradienten bestimmt und die Strahlungsverhältnisse fast keinen Einfluß haben.

Durch mehr CO2 nimmt die Dicke der Stratosphäre ab, so daß die optische Dicke der Stratosphäre trotz mehr CO2 fast konstant bleibt.

Dadurch nimmt die Dicke der Troposphäre zu - und wegen des konstanten Temperaturgradienten auch die Temperaturdifferenz über der Troposphäre. Diese Zunahme der Temperaturdifferenz verteilt sich zu ca. 1/4 auf die Zunahme der Oberflächentemperatur und zu ca. 3/4 auf die Abnahme der Stratosphärentemperatur.

*Kurzer Standpunkt dazu, 23.10.2011:
[Ich habe die optische Dicke der Stratosphäre nicht untersucht.
Was ich jedoch sagen kann, ist, dass bei den von mir ausgewiesenen 200 W/m² effektiver Abstrahlung der Atmosphäre ins All der aus der Stratosphäre emittierte Anteil enthalten ist, so wie auch in den 79 W/m² Absorption von Sonnenstrahlung in der Atmosphäre der stratosphäreische Anteil enthalten ist.]
 

© by Wolfgang Brune, 2011

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