"...nach nunmehr schon sehr langer Zeit hält ...die Diskussion um den natürlichen Treibhauseffekt (nur wenn es einen solchen gibt, kann es auch einen zusätzlichen, eben anthropogenen Treibhauseffekt geben) an, und zum Beispiel die Frage, ob denn atmosphärische Gegenstrahlung die Erdoberfläche aufwärmen kann oder ob sie kühlt (wie schon Max Planck in seinem Gedankenexperiment angedeutet hat), erhitzt nach wie vor die Gemüter. Geradezu verzweifelt wird versucht, Zustimmung dazu erlangen, dass jede Form von Strahlungsabsorption im absorbierenden Material eine Erwärmung hervorruft - gleichgültig wie klein sie ist. Dabei wird kräftig die Keule des Energieerhaltungssatzes geschwungen. Das alles, um die Gegenstrahlung aus der Atmosphäre irgendwie hoffähig zu machen. Dabei wird verkannt, dass zwischen Sonnenstrahlung und erdgebundener Wärmestrahlung ein "grundsätzlicher" Unterschied klafft: Dahinter steckt einmal die Sonne mit ihrer Temperatur von etwa 5800 K und zum anderen erdgebundene Wärmestrahlung mit einer Temperatur um 255...288 K. Dazu ist eigentlich nur zum wiederholten Mal zu sagen: Die Temperaturen in der Atmosphäre sind im Normalfall immer kleiner als die globale Erdoberflächentemperatur; sie können diese nicht zusätzlich zur Sonne aufwärmen. Der Wärmeinhalt der Atmosphäre besteht in jedem Fall aus "entwerteter" Sonnenenergie bzw. auch "entwerteter" Wärme von der Erdoberfläche, wie eine einfache Entropiebilanz aufzeigt. Sie kann nach unten nur kühlen, nicht wärmen.

Insgesamt bleibt der grobe physikalische Mangel, das Klimageschehen im System Erde/Atmosphäre vorrangig auf Strahlungsvorgänge zu reduzieren und zu verkennen, dass eine "natürliche" Temperatursenkungsrate durch die Wirkung der Gravitation auf das als ideales Gas angenommene Atmosphärengas entsteht (http://en.wikipedia.org/wiki/Lapse_rate). Diese "natürliche" Temperaturschichtung wird durch die Aufwärmung der Atmosphäre durch die Erdoberfläche stabilisiert (die zuvor eine Beheizung durch Sonnenstrahlung erfahren hat und diese Wärme im Wasser und im Gestein gespeichert hat, so dass die Beheizung auch nachts fortgeführt werden kann). Also: Die Atmosphäre als Gasmasse ist hauptsächlich zuständig für den so genannten natürlichen Treibhauseffekt, nicht die Strahlungseigenschaften von atmosphärischen Spurengasen. In Form von vor allem Wasserdampf und Wolken besorgen sie allerdings die Kühlung des Systems Erde/Atmosphäre. Und schließlich: eine mehr oder weniger dichte Wolkendecke kann selbstverständlich auch als "gärtnerisches Treibhaus" wirken, indem sie den Konvektionsstrom von der Erdoberfläche nach oben und damit die Kühlung behindert. Klimarelevant kann das allerdings nur werden, wenn sich der Wassergehalt und damit die Bewölkung grundsätzlich und andauernd verändern, wie z. Bsp. im Eiszeitalter."

 

Globale Energiebilanz des Systems Erde/Atmosphäre nach H. Ozawa, A. Ohmura, R. D. Lorenz, T. Pujol: The second law of thermodynamics and the global climate system: a review of the maximum entropy production principle. Review of Geophysics, 41, 4/ 1018 2003, allerdings mit Zahlenwerten aus dem 4. IPCC-Bericht 2007, WG 1.
Ts - Strahlungstemperatur der Sonne; Ta - eine charakteristische Temperatur der Erdatmosphäre; To - Oberflächentemperatur der Erde.
Alle Zahlenwerte in Klammern geben Energie- bzw. Strahlungsflüsse an.

2. Es ist einsichtig, dass mit einem solchen einfachen vertikalen Modell erhebliche Vereinfachungen verbunden sind: So wird bezüglich Erdoberfläche und Atmosphäre auf breitenabhängige, sozusagen horizontale Wärmeströme verzichtet. Die Temperatur der Atmosphäre wird auf eine einzige charakteristische Temperatur vereinfacht, die sich aus dem Strahlungsgleichgewicht zwischen Sonnenzustrahlung und Wärmeabstrahlung der Erde ermittelt. Wichtig ist jedoch - als "Rudiment" der eigentlich in der Atmosphäre vorhandenen Temperatursenkungsrate - dass diese Temperatur niedriger als die der Erdoberfläche ist. Ebenso wird eine charakteristische mittlere globale Temperatur der Erdoberfläche gebildet - gewissermaßen als Unterscheidungsmerkmal beispielsweise zur Venus.
Trotz der Vereinfachungen lassen sich wesentliche Erkenntnisse zu den energiegesteuerten Vorgängen im System Erde/Atmosphäre gewinnen.

3. Die genannte trocken-adiabatische Temperatursenkungsrate lässt sich aus der Gravitationskonstanten g und der spezifischen Wärmekapazität cp der als ideal angenommenen Atmosphärengase Stickstoff und Sauerstoff bestimmen:

dT/dh = - g/cp = - 9,8 K/km

In trockener Luft sinkt die Temperatur je Kilometer um etwa 10 K. Es gibt oberhalb der Erdoberfläche auf Dauer keinen Bereich, der eine Temperatur gleich oder höher der Oberflächentemperatur hätte. Jeder Wärmestrom, der ggf. von oben auf die Erdoberfläche gerichtet ist, kann diese im Mittel nur kühlen, niemals erwärmen.
Mit der Differenz der beiden Temperaturen 288 K und 255 K aus dem Modell, dem atmosphärischen Temperatureffekt,  ergibt sich damit eine effektive Abstrahlungshöhe des Systems Erde/Atmosphäre in den Weltraum von etwa 33K/9,8 K/km = 3,3 km.
Eine Modifizierung erfährt das System Erde/Atmosphäre dadurch, dass die Erde ein "Wasserplanet" ist. Damit entsteht durch Kondensation von Wasserdampf in der Atmosphäre, verbunden mit einem entsprechenden Wärmeeintrag, eine niedrigere Temperatursenkungsrate. Die mittlere feucht-adiabatische Temperatursenkungsrate beträgt etwa - 7 K/km. Gleichzeitig steigt die Abstrahlungshöhe an. Die mittlere effektive Abstrahlungshöhe beträgt nunmehr etwa 4,6 km. Auffällig ist, dass der atmosphärische Temperatureffekt (als mathematisches Produkt von Temperatursenkungsrate und Abstrahlungshöhe) in etwa gleich bleibt; er erweist sich als eine planetare Klimakonstante.
Mit den angegebenen Größen, erweitert um den mittleren Wassergehalt der Atmosphäre, ist der atmosphärische Temperatureffekt des Systems Erde/Atmosphäre vollständig beschrieben, und zwar völlig unabhängig vom Gehalt der Atmosphäre an sonstigen klimarelevanten Spurengasen (nur der Wasserdampf ist für das Klima von Bedeutung).
[Literatur:
*http://en.wikipedia.org/wiki/Lapse_rate
*Jelbring, H.: The "greenhouse effect"as a function of athmospheric mass. Energy & Environment, Vol. 14, Nos. 2 & 3, 2003.
*Brune, W.:Atmosphäreneffekt, Klimabedingung... Klimabuch2.html]

4. Mit den im Modell angegebenen Daten wird ein Energiegleichgewicht (= Strahlungsgleichgewicht) am oberen Rand der Atmosphäre gebildet:

Zustrahlung 235 W/m² in das System Erde/Atmosphäre [die planetare Albedo wurde herausgerechnet] = Abstrahlung 235 W/m² aus dem System Erde/Atmosphäre.

Die Zustrahlung besteht aus einem höherfrequenten Anteil an UV-, sichtbarer und infraroter Strahlung (nahes Infrarot); die Abstrahlung besteht aus einem niederfrequenten Anteil infraroter Strahlung (vorrangig mittleres Infrarot). Insofern besteht ein grundsätzlicher Unterschied zwischen der Qualität der Sonnenstrahlung einerseits und der einer erdgebundenen Wärmestrahlung (gleich ob von Erdoberfläche oder Atmosphäre) andererseits.
Als zugrunde liegende physikalische Absorptionsprozesse fungieren hauptsächlich die Elektronenpolarisation und - hin zu höheren Frequenzen - die Elektronenanregung. (Im UV-Bereich setzt mit der Ionisation schon ein für das absorbierende Material schädigender Prozess ein.)

An der Erdoberfläche bildet sich ein Energiegleichgewicht heraus:

Sonneneinstrahlung 168 W/m²: = Netto-Wärmestrahlung 66 W/m² + Netto-Konvektion 102 W/m²

Ein Strahlungsgleichgewicht kann sich nicht ausbilden, da um die Wärmeabfuhr nach Absorption der Sonnenstrahlung zwei unterschiedliche Wärmeströme konkurrieren: Netto-Wärmestrahlung und Netto-Konvektion.
Die Nettowerte besagen, dass im globalen Mittel sowohl Wärmerückstrahlung aus der Atmosphäre als auch Niederschläge aus der Atmosphäre auf die Erdoberfläche eintreffen und dann dort mit den gleichartigen Emissionen von der Erdoberfläche in Richtung Atmosphäre verrechnet werden können. Im Mittel sind diese nach unten gerichteten radiativen und konvektiven Wärmeströme von geringerer Intensität als die gleichartigen von der Erdoberfläche ausgesandten, die sich dort nach Absorption der Sonnenstrahlung ausbilden. Sie dämpfen im Mittel die Aufwärmung der Erdoberfläche durch die [absorbierte Sonnenwärme von unten. Allerdings sind die nach unten gerichteten Wärmeströme insgesamt auch Ausdruck für die "Warmhaltungsfunktion" der Atmosphäre, indem sie die nach oben gerichteten Wärmeströme der Erde verringern.]
Unter Klima-Gesichtspunkten hat sich zwischen den erdgebundenen Wärmeströmen von unten und von oben ein Gleichgewicht ausgebildet. Veränderungen der globalen Temperatur der Erdoberfläche sind nur möglich, wenn sich entweder die Sonneneinstrahlung nachhaltig ändert oder wenn sich die mittleren Wärmerückströme grundsätzlich ändern. Unter Berücksichtigung des Eiszeitalters hatte sich offensichtlich Letzteres vollzogen, indem sich der Wassergehalt der Atmosphäre zwischen den Kalt- und den Warmzeiten stark verändert hatte.
[Ergänzender Hinweis (14.11.2009): Bei genauerer Betrachtung erweist es sich, dass bei den konvektiven Aufwärtsströmen von der Erdoberfläche Brutto- gleich Netto-Konvektion gilt. Nichtsdestoweniger treffen jedoch von oben, aus der Atmosphäre, konvektive Rückströme auf die Erdoberfläche: Niederschläge sowie abgekühlte Luftpakete, die vorher adiabatisch aufgestiegen sind. Diese konvektiven Rückströme verhalten sich genauso wie die atmosphärische Gegenstrahlung; sie sind wie diese Oberflächenphänomene und können sofort mit der Oberflächen-Abstrahlung von durchschnittlich 390 W/m² verrechnet werden. Damit bleibt es bei der angesetzten Netto-Strahlung der Erdoberfläche von 66 W/m². Eine Verrechnung der konvektiven Auf- und Abwärtsströme untereinander findet nicht statt, d. h. es gilt 102 W/m² brutto wie netto. Das Energiegleichgewicht an der Erdoberfläche bleibt gleich, so wie es oben ausgewiesen ist.]

Zusammengefasst:
Ein Wärmestrom führt zur Erwärmung des aufnehmenden (und ebenso wieder aussendungsfähigen) Materials, wenn er aus einer Quelle stammt, die eine höhere Temperatur als das Absorbermaterial aufweist (Sonne). Stammt er aus einer Quelle mit niedrigerer Temperatur (Erdatmosphäre), kühlt er das das Absorbermaterial. Das schließt die Aussage von Max Planck [1)] ein, dass im Fall von zwei gleichen, gegenüber liegenden Schwarzkörperstrahlern der Strahler A gekühlt wird, wenn der Strahler B eine geringere Temperatur hat, und dass er erwärmt wird, wenn der Strahler B eine höhere Temperatur hat.
Man kann sich das so vorstellen, dass die atmosphärische Wärmerückstrahlung gar nicht erst von der Erdoberfläche absorbiert wird. Unmittelbar vor der Oberfläche wird sie von der durchschnittlich intensiveren Wärmestrahlung, die die Erdoberfläche emittiert, kompensiert²) (bzw. sogar "überkompensiert", indem eine nach oben gerichtete Netto-Wärmestrahlung übrig bleibt). Diese Emission hat ihren Ursprung in der absorbierten Sonnenenergie.
Dasselbe geschieht mit konvektiven Niederschlägen, die im Mittel von den konvektiven Aufwärtsströmen der Erdoberfläche kompensiert werden (so dass wieder eine Netto-Konvektion nach oben übrig bleibt). Es gibt damit keinen Unterschied zwischen radiativen und konvektiven Wärmeströmen aus der Atmosphäre auf die Erdoberfläche.

Hinweis: Genau genommen, müsste auf der rechten Seite der Bilanzgleichung an der Erdoberfläche noch ein dritter Differenzterm stehen, der die Wärmeleitung darstellt. Wärmeleitung hat zwar für die Makro-Wärmeabfuhr bzw. -zufuhr der Erdoberfläche bezüglich der Atmosphäre keine große Bedeutung, wohl aber spielt sie eine wichtige Rolle bei der Temperaturangleichung zwischen Erdoberfläche und unterer Atmosphärenschicht - zumal die Erdoberfläche tatsächlich keine ebene Fläche darstellt, sondern aus einer Vielfalt von unterschiedlich geneigten Mikroflächen besteht, und erst die untere Atmosphärenschicht repräsentativ für die mittlere globale Oberflächentemperatur ist.

[1) s.  Atmosphärische%20Gegenstrahlung.html]
[²) Dann und dort, wo eine Mikrofläche der insgesamt sehr rauen Erdoberfläche lokal und zeitbefristet eine geringere Strahlung emittiert, als sie von der atmosphärischen Wärmerückstrahlung empfängt (bzw. einen geringeren oder auch gar keinen Niederschlag aus der Atmosphäre empfängt), absorbiert sie den von oben eintreffenden Wärmestrom geringerer Intensität; die so absorbierte Wärme trifft dann jedoch im Raum unmittelbar unterhalb der Oberfläche auf die durchschnittlich höhere thermische Energie, die mittels Wärmeleitung oder Konvektion von unten an die Oberfläche drängt und letztlich von der absorbierten Sonnenenergie stammt. Dadurch steigt die Temperatur an.]

5. Die Absorption von 1. Sonnenstrahlung in der Erdoberfläche, aber auch 2. der Anteil Sonnenstrahlung, der bereits in der Atmosphäre absorbiert wird, und 3. die radiativen und konvektiven Wärmeströme aus der Erdoberfläche in die Atmosphäre sind jeweils mit Entropieproduktion verbunden, die ein quantitativer Ausdruck für die schrittweise Entwertung der Sonnenstrahlung auf ihrem Weg über die Erde bis in das Weltall ist (ausgedrückt in Entropiestromänderungen Ṡ beim Übergang von einer höheren Temperatur auf eine niedrigere Temperatur):

 Ṡ_ges = Ṡ_konv + Ṡ_abs,ObvSo + Ṡ_abs,AtvSo + Ṡ_abs,AtvOb

        = (1/TA - 1/TS) 102 Wm^-2 + (1/TS - 1/TSo) 168 Wm^-2

        + (1/TA - 1/TSo) 67 Wm^-2 + (1/TA - 1/TS) 66 Wm^-2

 
Die Indizes bedeuten hier: ges – gesamt; konv – konvektiv; abs – absorbiert; ObvSo – Oberfläche von Sonne; AtvSo – Atmosphäre von Sonne; AtvOb – Atmosphäre von Oberfläche; A – Atmosphäre; S – Oberfläche; So – Son­ne.

Mit den bekannten Temperaturen T_A = 255 K, T_S = 287 K und T_So = 5800 K sowie den bereits angegebenen Wärmeströmen ergeben sich die folgenden stationären Entropiestromänderungen im System Erde/Atmo­sphäre:

Ṡ_ges = 0,045 W K^-1 m^-2 + 0,556 W K^-1 m^-2 + 0,251 W K^-1 m^-2 + 0,029 W K^-1 m^-2  = 0,9 W K^-1 m^-2

In diese Entropiebetrachtung geht auch explizit die Oberflächentemperatur der Sonne mit ein, was bei Energiebetrachtung allein nicht der Fall ist und was dann leicht dazu führt, dass man die Sonnenstrahlung mit ihrer Intensität von 168 W/m² unterschätzt (indem man sie zum Beispiel einfach mit einer atmosphärischen Wärmerückstrahlung von 324 W/m² "verrechnet").
Außerdem wird wieder deutlich, dass es bei der mathematischen Formulierung der Entropieproduktion keinen Unterschied zwischen radiativen und konvektiven Wärmeströmen gibt (s. 1. und 4. Glied der Entropiestromänderung: beiden Strömen liegen die gleichen Temperaturdifferenzen zugrunde). Da es sich um Nettowerte handelt, kann man davon ausgehen, dass es auch keine Unterschiede in den beiden zugrundeliegenden Einzelströmen gibt, das heißt insbesondere auch, dass es gleichgültig ist, ob von oben Niederschläge fallen oder "Gegenstrahlung" absorbiert wird. Beide kühlen (wie im Falle der Schwarzkörperstrahlung bereits von Max Planck so bezeichnet); entwertete Energie von der Erdoberfläche, die von der Atmosphäre absorbiert wurde, kann im "Rückwärtsgang" nicht mehr die Erdoberfläche - zusätzlich zur Sonne - aufwärmen. Die fluktuierende Kühlung der Erdoberfläche durch atmosphärische Wärmerückströme ist eine Einrichtung auf Dauer, die in das mittlere Energiegleichgewicht an der Erdoberfläche eingeht - ebenso wie die fluktuierende Sonneneinstrahlung.
Dazu ergänzend auch noch folgende Überlegung (s. wieder Atmosphärische%20Gegenstrahlung.html): Die strahlende Fläche B mit einer Temperatur von 273 K wird immer dichter nach links an die strahlende Fläche A herangeführt. An den Temperatur- und Intensitätsverhältnissen ändert sich dabei nichts, auch nicht wenn beide strahlende Flächen nur noch eine ganz winzige Distanz trennen. Schließlich berührt der Strahler B den Strahler A; an die Stelle der Strahlung tritt nun Wärmeleitung. Nach einem kurzen Übergang herrschen wieder die gleichen Temperatur- und Intensitätsverhältnisse (Strahlung nunmehr nur nach links von der Fläche). Es ist folglich gleichgültig, ob die "kühlende" Fläche B über Strahlung auf die Fläche A einwirkt oder (wie hier) über Wärmeleitung.

6. Schlussfolgerungen:
*Ein strahlungsbasierter Treibhauseffekt mit dem Hauptakteur CO2 hat keine physikalische Grundlage.
*Das Klimageschehen auf der Erde - mit dem Hauptantrieb Sonne - wird entscheidend von der Gravitation und den idealen Gaseigenschaften der Atmosphäre sowie vom Wassergehalt der Atmosphäre bestimmt. Über Letzteren ist auch eine anthropogene Mitgestaltung des Klimas möglich.
*Ein Mehr an CO2 führt demzufolge zu keiner globalen Erwärmung. Es ist zwar möglich, dass sich die Strahlungsabsorption des CO2 noch etwas erhöht, jedoch nur mit marginalem Einfluss auf eine globale Erwärmung. Dafür wird bei mehr CO2 in der Atmosphäre die Konvektion verbessert, damit auch die Kühlung (höhere molare Masse, niedrigerer Adiabatenexponent, worauf Chilingar et al. aufmerksam machen).
[Chilingar, G.V., Sorokhtin, O.G., Khilyuk, L., Gorfunkel, M.V.:Greenhouse gases and greenhouse effect. Environm Geol, DOI 10.1007/s00254-008-16-3, Springer Verlag 2008.]