Die unglaubliche Physik des Treibhauseffektes – Teil 6

Teil 6: Der Wärmetransport durch die Erdatmosphäre

Nachdem im vorherigen Artikel geklärt wurde, wie das CO_₂-Molekül IR-Strahlung absorbiert und emittiert und welchen Einfluss die nicht IR-aktiven Gase der Atmosphäre auf diese Vorgänge haben, stellt sich die Frage wie groß die Reichweite der 15 µm-IR-Strahlung in der Atmosphäre ist.

Die Abhängigkeit der Durchlässigkeit eines Mediums von der Konzentration eines absorbierenden Bestandteils des Mediums bzw. der Schichtdicke des Mediums wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben (aus den Jahr 1852). Es lautet:

mit

E_λ: Extinktion bei der Wellenlänge λ,

I₀: eingestrahlte Lichtintensität,

I: Intensität die durch das Medium hindurchgeht,

ε_λ : Extinktionskoeffizient,

C: Konzentration des absorbierenden Stoffes,

d: Schichtdicke des Mediums, die das Licht durchdringen muss

Oder als Exponentialfunktion:

mit τ: Transmission, siehe Graph Abbildung 2

Heinz Hug hat den Extinktionskoeffizient ε_15µm durch Labormessungen bestimmt. In Luftproben mit 357ppm (0,0159mol/m³) CO_₂ und 2,6% Wasser erhielt er:

ε15µm = 20,2 m²/mol

Literatur dazu: H. Hug, Chemische Rundschau, 20. Febr., S. 9 (1998) ; „Der anthropogene Treibhauseffekt – eine spektroskopische Geringfügigkeit“ oder https://www.eike-klima-energie.eu/wp-content/uploads/2016/12/Hug-pdf-12-Sept-2012.pdf .

Mit diesem Extinktionskoeffizient ergibt sich in Luft mit 400ppm CO_₂ die in Abbildung 2 dargestellte Abhängigkeit der Transmission von der Schichtdicke.

Rein rechnerisch wird die Transmission nie Null. Aber für alle praktischen Zwecke macht man sicher keinen Fehler, wenn man von einer Reichweite der 15 µm-Strahlung von 10 bis 20 m ausgeht, weil schon nach 10 m 99,94% der 15 µm-Strahlung absorbiert sind.

Auch beim Wasserdampf, dem wichtigsten Treibhausgas, das den Effekt des CO_₂ laut IPCC verstärken soll, werden ähnlich kurze Reichweiten beobachtet. Nach einer Strecke von 10 bis 50 m durch die untere Atmosphäre wird auch die IR-Strahlung auf den Wasserdampf-Frequenzen mehr oder weniger vollständig absorbiert und in fühlbare Wärme umgewandelt. Tabelle 1 vermittelt einen Eindruck davon, wie kurz die Reichweiten der Wasserdampffrequenzen in der unteren Atmosphäre sind.

Tabelle 1: Reichweiten der Wasserdampffrequenzen, berechnet mit den von Peng-Sheng Wei 2019 veröffentlichten Absorbtionskoefizienten https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844018327415

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Treibhausgasfrequenzen in Bodennähe Reichweiten von wenigen Metern haben.

Mit zunehmender Höhe nehmen Luftdruck und Dichte ab. Der räumliche Abstand zwischen den Treibhausgasmolekülen vergrößert sich. Dementsprechend werden auch die Reichweiten der Treibhausgasfrequenzen mit zunehmender Höhe größer.

Auch Kollisionen zwischen Luftmolekülen werden mit zunehmender Höhe seltener. Die angeregten Zustände der Treibhausgasmoleküle haben daher immer mehr Zeit, um abzustrahlen.

Dadurch wird unter den Bedingungen der oberen Atmosphäre die thermisch angeregte Emission zum dominierenden Prozess. Die nach oben emittierte Strahlung kann in den Weltraum entweichen. Die nach unten emittierte Strahlung wird in den dichteren unteren Bereichen der Atmosphäre absorbiert und wieder in fühlbare Wärme umgewandelt. Dieser Effekt wird, wie schon erwähnt, durch die druckbedingte Absorptions- und Emissionsbandenverbreiterung verstärkt.

Bildlich gesprochen ergibt sich damit folgende Situation (Abbildung 3). Bedingt durch die thermisch angeregte Emission „glüht“ die gesamte Luftsäule in den „Farben“ der Treibhausgase. Der untere Teil dieser „glühenden“ Luftsäule (Troposphäre) wird von Konvektionsströmen umgewälzt. In großen Höhen kann das „IR-Glühlicht“ in den Weltraum entweichen. In der unteren Atmosphäre sorgen kurze Reichweiten und Thermalisierung dafür, dass das „Glühlicht“ wieder absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme wird von Konvektionsströmen abtransportiert. Der Abtransport dieser Wärmeenergie durch Konvektionsströmungen macht einen Strahlungstransport unmöglich, weil Strahlungstransportgleichgewichte an einen Erhalt der Strahlungsenergie gebunden sind (Kirchhoffsches Strahlungsgesetz). Das heißt, Thermalisierung und Konvektion machen die untere Atmosphäre für die Treibhausgasfrequenzen undurchlässig.

Damit ergibt sich das in Abbildung 4 dargestellte Konvektionsmodell für den Transport von Wärme durch die Atmosphäre.

1. Direkte Abstrahlung der Erdoberfläche durch das Atmosphärische Fenster (Wellenlängenbereich von ca. 8 bis 14 µm) sofern die Bewölkung das zulässt.

2. Absorption und Thermalisierung in Bodennähe

3. Wärmetransport durch Konvektion: Von den bodennahen Luftschichten bis zur Grenze der Troposphäre erfolgt der Wärmetransport durch Konvektion.

4. Thermisch angeregte Emission und Abstrahlung in den Weltraum im oberen Bereich der Troposphäre. Treibhausgase ermöglichen hier durch Abstrahlung in den Weltraum eine Abkühlung der Atmosphäre.

Dieses einfache Konvektionsmodell wird durch Satellitenmessungen der ins Weltall abgestrahlten langwelligen Strahlung (OLR: outgoing longwave radiation) bestätigt. In Fehler: Verweis nicht gefunden ist die Flussdichte der von Erde bei klarem Himmel abgestrahlten IR-Strahlung (OLR) als Funktion der bodennahen Temperatur dargestellt.

 

Wie es für einen konvektiven Wärmetransport durch die Troposphäre zu erwarten ist findet man, in guter Übereinstimmung mit Newtons Abkühlungsgesetzt, einen linearen Zusammenhang zwischen IR-Strahlungsflussdichte und bodennaher Temperatur (blaue Gerade).

Die gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz für den Fall eines Wärmetransportes durch Strahlung zu erwartende σT⁴-Abhängigkeit der abgestrahlten Leistung (rote Linie, Abbildung 5) kann nicht beobachtet werden.

Dieser Widerspruch zwischen Messdaten und Treibhauseffekttheorie ist schon seit Jahrzehnten bekannt. Die moderne Klimawissenschaft versucht immer wieder komplizierte treibhauseffektkonforme Erklärungen für diese Beobachtung zu finden (Zum Beispiel: Daniel D. B. Kolla,1 and Timothy W. Cronin; 2018 Earth’s outgoing longwave radiation linear due to H2O greenhouse effect)

Das bedeutet, dass der konvektive Wärmetransport durch die Troposphäre der langsamste bzw. geschwindigkeitsbestimmende Vorgang im gesamten Energiefluss von der Erdoberfläche ins Weltall ist. Die Konvektion ist sozusagen der Flaschenhals des Wärmetransportes in Richtung Weltall.

Oder anders gesagt: Die IR-Abstrahlung der Erdoberfläche und die IR-Abstrahlung der oberen Atmosphäre ins Weltall (OLR) sind durch eine für IR-Strahlung (auf den Treibhausgasfrequenzen) undurchlässige Konvektionsschicht getrennt und entkoppelt.

Eine Erhöhung der Treibhausgaskonzentrationen kann diese Entkopplung nur verstärken. Durch eine Erhöhung der atmosphärischen Konzentrationen von CO_₂ und andern Treibhausgasen kann deshalb keine Temperaturerhöhung in der Atmosphäre verursacht werden.

D.h. einen auf Rückstrahlung basierenden, die Erdoberfläche erwärmenden atmosphärischen Treibhauseffekt kann es nicht geben.

Die milden Oberflächentemperaturen der Erde müssen deshalb, wie es das Uli Weber-Modell aufs °C genau beschreibt, einzig die Folge des Reflexionsvermögens der Erde (Albedo) und vor allem der hohen Wärmekapazität von Ozeanen, der Erdoberfläche und der Atmosphäre sein.

Das hier vorgestellte Modell erklärt auch zwanglos die atmosphärische Rück- oder Gegenstrahlung, die oft als messbarer Beweis für die Existenz des atmosphärischen Treibhauseffektes angeführt wird. Im nächsten Artikel werde ich auf dieses Phänomen eingehen.

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.