Die unglaubliche Physik des Treibhauseffektes – Teil 2

Teil 2: Die Strahlungstransfertheorie und der Treibhauseffekt

Den im vorherigen Artikel aufgezeigten groben arithmetischen und physikalischen Fehler in der Herleitung des Treibhauseffektes schenkt man seitens der Klimawissenschaft einfach keine Aufmerksamkeit und schustert sich eine andere Theorie zurecht mit der man den +33 °C-Treibhauseffekt herbeirechnet.

Die wichtigsten Anforderungen an diese „Theorie“ sind:

• Sie muss erklären, wie der größte Teil der von der Sonne eingestrahlten Energie als Wärmestrahlung durch die Atmosphäre ins Weltall transportiert wird.
• Sie muss zeigen, dass Treibhausgase diesen Strahlungsabtransport „behindern“, indem sie eine Rückstrahlung verursachen, die die Erdoberfläche erwärmt.

Zu zeigen, dass es eine Rückstrahlung der Atmosphäre auf die Erdoberfläche gibt, ist unproblematisch, weil eine solche Rückstrahlung tatsächlich messbar ist. Inwieweit diese Rückstrahlung den Wärmeabfluss durch die Atmosphäre wirklich behindert, werden wir noch sehen.

Zu zeigen, dass die von der Sonne eingestrahlte Energie größtenteils als Wärmestrahlung durch die Atmosphäre transportiert wird ist schon etwas schwieriger, weil die Treibhausgas-Frequenzen in der unteren Atmosphäre sehr kurze Reichweiten haben (ca. 10 bis 50 m, siehe Abbildung 1).

Weshalb die Reichweiten so kurz sind und wie man die Reichweiten ermittelt werden wir später in Detail besprechen. Hier sei nur erwähnt, dass die Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre so hoch sind, dass die von den Treibhausgasen absorbierten Frequenzen der Wärmestrahlung schon nach wenigen Metern vollständig absorbiert und in Wärme umgewandelt werden.

Weil man aber für einen Treibhauseffekt unbedingt einen Strahlungstransport durch die gesamte Atmosphäre braucht, umgeht man das Problem der kurzen Reichweiten dadurch, dass man eine Abfolge von Strahlungsabsorptionen und Emissionen postuliert, die es der Strahlung erlaubt auch eine stark absorbierende Atmosphäre zu durchdringen. Bildlich gesprochen sollen die Photonen der Treibhausgas-frequenzen von einem Treibhausgasmolekül zum nächsten „springen“ bis sie entweder ins Weltall entweichen können oder als Rückstrahlung wieder auf die Erdoberfläche treffen (siehe Abbildung 2).

Die grundlegende Idee und die Mathematik für die Beschreibung eines solchen Strahlungstransportmechanismus stammt aus einer Veröffentlichung „Ueber das Gleichgewicht der Sonnenatmosphäre“ von Karl Schwarzschild aus dem Jahr 1906.

Das Schwarzschild Modell liefert alles, was man für eine schöne Treibhauseffekttheorie braucht:

• Strahlungstransport durch eine absorbierende und daher für Wärmestrahlung eigentlich undurchlässige Atmosphäre.
• Rückstrahlung der gesamten Atmosphäre auf den Grund der Atmosphäre.

Das Modell passt so gut zur Theorie des Treibhauseffektes, dass man auch großzügig darüber hinweggeht, dass Schwarzschild explizit darauf hingewiesen hatte, dass der von ihm vorgeschlagene Strahlungstransportmechanismus auf die Erdatmosphäre nicht anwendbar ist.

Ausgangspunkt für Schwarzschilds Artikel ist die Beobachtung, dass die Helligkeit der sichtbaren Sonnenscheibe nicht gleichmäßig verteilt ist. Zum Rand hin nimmt die Helligkeit ab. In Abbildung 3 ist die beobachtete Helligkeitsverteilung als blaue Linie dargestellt.

Um die Ursache dieser Helligkeitsverteilung zu ergründen, vergleicht Schwarzschild zwei Mechanismen des Wärmetransportes durch die Sonnenatmosphäre:

1. Wärmetransport durch Strahlungstransport  Strahlungsgleichgewicht
2. Wärmetransport durch Konvektion  adiabatisches Gleichgewicht

Er berechnet, wie sich die Helligkeitsverteilung auf der Sonnenscheibe für diese beiden Fälle gestalten sollte.

Weil seine Ergebnisse für das Strahlungsgleichgewicht (orange Linie in Abbildung 3) besser zu der beobachteten Helligkeitsverteilung (blaue Linie) passten als seine Ergebnisse für das adiabatische Gleichgewicht (Konvektion, graue Linie), vermutete er, dass in der Sonnenatmosphäre ein Strahlungsgleichgewicht vorherrscht.

Seine Beschreibung des adiabatischen Gleichgewichtes lassen wir hier außer Acht und beschränken uns auf seine Beschreibung des Strahlungsgleichgewichtes. Es sei nur erwähnt, dass er die Erdatmosphäre als Beispiel für ein adiabatisches Gleichgewicht anführt.

Für unsere Zwecke ist es nicht notwendig die Einzelheiten seiner Berechnungen zu besprechen. Es reicht aus, wenn wir das Grundprinzip und die Randbedingungen seines Modells verstehen.

In Schwarzschilds Modell kommt dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz eine zentrale Bedeutung zu. „Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz“ beschreibt den Zusammenhang zwischen Absorption und Emission eines realen Körpers im thermischen Gleichgewicht. Es besagt, dass Strahlungsabsorption und -emission bei gegebener Wellenlänge einander entsprechen: Ein Körper, der gut absorbiert, strahlt auch gut“ (Zitat Wikipedia).

Bildlich kann man sich das folgendermaßen vorstellen (Abbildung 4): Wir betrachten einen Körper (Körper 2) der sich in einem Hohlraum eines anderen Körpers (Körper 1) befindet (im Zwischenraum Vakuum). Wenn beide Körper die gleiche Temperatur haben (T1 = T2) muss die von Körper 2 absorbierte Strahlungsleistung genauso groß wie die von ihm abgestrahlte Leistung sein, weil sich sonst die Temperatur von Körper 2 verändern würde. D.h. im thermischen Gleichgewicht stellt das Kirchhoffsche Strahlungsgesetzt für Körper 2 eine Art „Strahlungsenergie-Erhaltungssatz“ dar.

Zurück zu Schwarzschilds Modell: Die Auslegung von Schwarzschilds Strahlungstransportmodell der Sonnenatmosphäre ist recht einfach (siehe Abbildung 5).

Eine unbekannte Wärmequelle im Kern der Sonne erzeugt Wärme. Ein eventuell vorhandener, flüssiger äußerer Kern transportiert diese Wärme durch Konvektion nach außen an den Grund der Sonnenatmosphäre. Die Wärme wird dann ausschließlich durch Strahlungstransport nach außen durch die Sonnenatmosphäre ins Weltall transportiert. Auf die Eigenschaften des Kerns der Sonne geht er nicht weiter ein. Er nimmt nur an, dass der Kern an seiner Grenzfläche die Sonnenatmosphäre gleichmäßig erwärmt. Ganz wichtig ist, dass diese Erwärmung so gleichmäßig erfolgt, dass es in der Sonnenatmosphäre nicht zur Ausbildung von Konvektionsströmungen kommt.

Die Sonnenatmosphäre soll in Schwarzschilds Modell folgende Eigenschaften haben (Abbildung 6):

• Die Sonnenatmosphäre ist stabil geschichtet, ohne Konvektion. D.h. Temperatur und Dichte nehmen von der Obergrenze der Atmosphäre bis zum Boden kontinuierlich so zu, dass das Vertikalprofil (Temp) kleiner ist als das adiabatische Vertikalprofil.
• Jede Schicht der Sonnenatmosphäre absorbiert und emittiert Strahlung.
• Der Energiefluss, der von einer unbekannten Quelle im Inneren der Sonne durch die Sonnenatmosphäre in den Außenraum fließt, befindet sich in einem stationären Zustand. Dies setzt eine homogene Temperaturverteilung in der Sonnenatmosphäre voraus.

• Die Zustandsgrößen (Druck, Temperatur, Dichte, Transparenz, …) ändern sich kontinuierlich vom Außenbereich bis zum Grund der Sonnenatmosphäre.
• Streuung und Beugung von Strahlung in der Sonnenatmosphäre werden vernachlässigt.
• Die Absorption von Strahlung ist in der Sonnenatmosphäre unabhängig von der Wellenlänge.
• Die Abnahme der Schwerkraft mit zunehmender Höhe wird vernachlässigt.
• Die kugelförmige Ausbreitung der Strahlung wird nicht beachtet.

Schwarzschild teilt die durch diese Randbedingungen definierte Sonnenatmosphäre in konzentrische, infinitesimal dünne Schichten ein (Abbildung 7). Diese Schichten sind so dünn, dass zwischen ihnen praktisch keine Temperaturdifferenz besteht. Dadurch ist gewährleistet, dass das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz auf den Strahlungsaustausch zwischen benachbarten Schichten anwendbar ist. Jede dünne Schicht kann so Strahlung absorbieren und verlustfrei wieder emittieren (Strahlungsenergieerhaltung).

Aus der Strahlungsbilanz dieser Schichten leitet Schwarzschild unter anderem eine nach innen laufende Rückstrahlung B ab.

Mit: A₀ = an der Außengrenze der Atmosphäre austretende Strahlung, m = optische Masse der über der Tiefe h liegenden Atmosphäre.

D.h. in Schwarzschilds Modell ist die Rückstrahlung B eine Funktion der optischen Masse der gesamten über dem Beobachtungspunkt liegenden Atmosphäre.

Auf die Erdatmosphäre übertragen würde das bedeuten:

• Die gesamte Luftsäule strahlt auf die Erdoberfläche zurück.
• Ein Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen erhöht die optische Masse der Atmosphäre und damit die Rückstrahlung der Atmosphäre.

Schwarzschilds Gleichungen liefern genau das, was die Klimawissenschaft braucht. Die moderne Klimawissenschaft geht deshalb großzügig über die Randbedingungen, unter welchen die Gleichungen hergeleitet wurden, hinweg und wendet die Mathematik des Modells auf die Erdatmosphäre an. Inwieweit das gerechtfertigt ist, werden wir im Folgenden sehen.

Der interessierte Leser findet diverse Beschreibungen von Schwarzschilds Herleitung im Internet. Für die hier geführte Diskussion genügt es zu wissen unter welchen Randbedingungen die Rückstrahlung B hergeleitet wurde.

Besonders auffällig ist, dass Schwarzschild sein Modell praktisch um das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz herum konstruiert hat. Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz wird in Schwarzschilds Modell zu einem Strahlungsenergieerhaltungssatz. Dank der Gültigkeit des Kirchhoffschen Strahlungsgesetzes kann jede Schicht seiner Modellatmosphäre Strahlung absorbieren und verlustfrei wieder emittieren. D.h. die Schichten absorbieren Strahlung und die bei der Absorption freiwerdende Wärme wird wieder verlustfrei zurück in Strahlung umgewandelt.

Anmerkung: Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist eine verlustfreie Umwandlung von Strahlung in Wärme und wieder zurück in Strahlung nicht möglich. In Schwarzschilds Modell kommt die Entropie dadurch zu ihrem Recht, dass sich die Reemission der Schichten im Temperaturgradient seiner Sonnenatmosphäre, nach außen hin zu größeren Wellenlängen hin verschiebt. D.h. um die gleiche Energiemenge weiterzuleiten muss eine kühlere Schicht im Außenbereich seiner Modellatmosphäre mehr Photonen emittieren als eine heißere Schicht im Inneren der Modellatmosphäre. Der Entropiegewinn kommt dadurch zustande, dass sich die Strahlungsenergie von wenigen kurzwelligen Photonen auf viele langwellige Photonen „verdünnt“.

Zusammenfassung

Die aus Schwarzschilds Modell der Sonnenatmosphäre hergeleiteten Strahlungstransportgleichungen liefern die für einen Treibhauseffekt notwendige Rückstrahlung. Auffällig ist, dass Schwarzschild sein Sonnenmodell praktisch um das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz herumgebaut hat und deshalb Konvektion unterbinden muss.

Im nächsten Artikel („Die Auswirkung von Konvektion auf den Strahlungstransport“) werden wir sehen, welchen Einfluss Konvektion auf den Strahlungstransport durch die Atmosphäre hat.

Der Artikel ist ein Auszug aus dem Online-Buch „Die unglaubliche Physik des Treibhauseffektes“, das unter https://markusott.substack.com/p/die-unglaubliche-physik-des-treibhauseffektes zu finden ist. In diesem Werk hat der Chemiker Dr. Markus Ott zusammen mit seinem Kollegen Tom Shula, einem Physiker aus der Halbleiterindustrie des Silicon Valley, die Ergebnisse ihrer intensiven Beschäftigung mit der Physik des atmosphärischen Treibhauseffektes dargelegt. Eine englische Version des Buches ist ebenfalls auf Substack verfügbar https://markusott.substack.com/p/the-fake-physics-of-the-greenhouse . Teile ihrer Arbeit werden auch auf dem YouTube-Kanal von Tom Nelson https://www.youtube.com/@tomnelson2080 vorgestellt.

Markus Ott arbeitet seit 1994 als Forscher und Entwickler in der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Er hat sich vor allem mit der Entwicklung photolithographischer Methoden zur Herstellung von Biochips sowie mit der Entwicklung lichthärtender Kunststoffe beschäftigt. Neben den theoretischen Grundlagen verfügt er über die notwendige praktische Erfahrung, um die Wechselwirkung von Licht mit Materie zu beurteilen. Als begeisterter Flieger beschäftigt er sich seit seiner Jugend mit den Vorgängen in unserer Atmosphäre. Das Buch „Die unglaubliche Physik des Treibhauseffektes“ bzw. die englische Version „The Fake Physics of the Greenhouse Effect“, sollen in möglichst verständlicher Form zeigen, dass das zentrale Dogma der modernen Klimawissenschaft jeder physikalischen Realität entbehrt.

Dank auch an Dieter Glatting, der mit seinem Artikel „Die Falsifizierung der Treibhaus-These“ diese Artikelserie angeregt hat und bei der Umsetzung behilflich war.

Teil I finden Sie hier