Die unglaubliche Physik des Treibhauseffektes – Teil 1

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 1. Wie der +33 °C-Treibhauseffekt zustande kommen soll und was davon übrigbleibt, wenn man die Rechenfehler der IPCC-Rechnung korrigiert.

Die offizielle Propaganda versucht uns den atmosphärischen Treibhauseffekt auf planetarer und molekularer Ebene zu erklären. In Abbildung 1 kann man einen solchen Versuch diese unsichtbare Gefahr zu visualisieren bewundern.

Weil Uli Weber mit seinem Modell zur Berechnung der mittleren Erdoberflächentemperatur auf planetarer Ebene bereits gezeigt hat, dass es den atmosphärischen Treibhauseffekt nicht geben kann, habe ich mich zusammen mit meinem Kollegen Tom Shula vor allem mit der „Physik“ des Treibhauseffektes auf molekularer Ebene beschäftigt. Dabei stellte sich heraus, dass aus den beobachtbaren Moleküleigenschaften der Treibhausgase auf ein makroskopisches Verhalten der Atmosphäre geschlossen werden kann, das messbar ist und Uli Webers Modell bestätigt.

In der EIKE-Artikelserie „Die unglaubliche Physik des Treibhauseffektes“ werde ich zunächst kurz auf Uli Webers Modell eingehen und dann unsere Ergebnisse vorstellen. Dies wird in den Artikeln:

1. Wie der +33 °C-Treibhauseffekt zustande kommen soll und was davon übrigbleibt, wenn man die Rechenfehler der IPCC-Rechnung korrigiert.
2. Die Strahlungstransfertheorie und der Treibhauseffekt
3. Die Auswirkung von Konvektion auf den Strahlungstransport
4. Der Treibhauseffekt auf molekularer Ebene – Eine Spektroskopische Betrachtung
5. Die Wechselwirkung von CO₂ mit Strahlung und anderen Luftmolekülen
6. Der Wärmetransport durch die Erdatmosphäre
7. Die Messbare atmosphärische Gegenstrahlung

erfolgen.

Laut IPCC soll der „Treibhauseffekt“ folgendermaßen zustande kommen.

Die Erdoberfläche wird durch einfallende, kurzwellige Sonnenstrahlung erwärmt. Diese Wärme wird von der Erdoberfläche wieder in Form von Wärmestrahlung in den Weltraum abgegeben. Ein Teil der von der Oberfläche ausgesandten Infrarotstrahlung wird von atmosphärischen „Treibhausgasen“ auf die Oberfläche zurückreflektiert. Diese Rückstrahlung soll die Abkühlung der Erdoberfläche vermindern (Abbildung 1).

Das heißt, je höher die Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre sind, desto wärmer muss die Atmosphäre werden um den durch die Treibhausgase verursachten „Abstrahlwiderstand“ zu überwinden.

Bei den aktuellen Treibhausgaskonzentrationen in unserer Atmosphäre soll dieser Rückstrahlungseffekt dazu führen, dass die Erdoberfläche ca. +33 °C wärmer ist als sie ohne die durch die Treibhausgase verursachte Rückstrahlung wäre. Das heißt, ohne die Treibhausgase sollte sich auf der Erdoberfläche eine mittlere Temperatur von -18 °C statt der, gemessenen Durchschnittstemperatur von ca. 15 °C, einstellen.

Auffällig ist, dass populärwissenschaftliche Magazine und Sendungen der Klimawissenschaft sehr große Aufmerksamkeit widmen, aber nie darauf eingehen wie die Größe des atmosphärischen Treibhauseffektes, die berühmten +33 °C, ermittelt wurden. Wenn wir wissen wollen, wie diese +33 °C zustande kommen, bleibt uns nichts anderes übrig, als uns anzusehen, wie laut IPCC dieser Wert berechnet wird.

Im Fourth Assessment Report Climate Change 2007 The Physical Science Basis Chapter 1: Historical overview of climate change science page 97 findet man so zu sagen im Nebensatz einen Hinweis darauf, wie man beim IPCC das Ausmaß des Treibhauseffektes bestimmt (Abbildung 2).

Auch beim IPCC vermeidet man es genauer darauf einzugehen wie diese +33 °C berechnet werden. Weil die Beschreibung der Rechnung hier doch recht kryptisch ist, vermuten wir, dass hier etwas verborgen werden soll(muss) und sehen uns deshalb den Gang der Berechnung im Detail an.

Als Treibhauseffekt bezeichnet man die Differenz zwischen der aktuell auf der Erde gemessenen Durchschnittstemperatur von ca. 15 °C (288 k) und der für eine Erde ohne Atmosphäre berechneten Durchschnittstemperatur von -18 °C (255 K).

Treibhauseffekt = 288 K – Berechnete Temperatur der Erde ohne Atmosphäre (255 K)

Unter Zuhilfenahme des Stefan-Boltzmann-Gesetzes und der Annahme, dass die Erde durch Sonneneinstrahlung pro Zeiteinheit so viel Wärme aufnimmt, wie sie gleichzeitig auch wieder abstrahlt, berechnet man dann, wie im Folgenden beschrieben, die Oberflächentemperatur einer Erde ohne Rückstrahlung durch Treibhausgase.

Die von der Sonne auf die Erde eingestrahlte Leistung ist recht konstant. Sie wird als Solarkonstante S₀ = 1367 W/m² bezeichnet. Der Wert der Solarkonstante wurde durch Satellitenmessungen ermittelt. Für die folgenden Berechnungen geht man davon aus, dass die Erde von der Sonnenstrahlung getroffen wird, die durch eine Kreisfläche mit dem Radius der Erdkugel senkrecht hindurchtritt. Durch jeden Quadratmeter dieser Fläche geht eine Strahlungsleistung von 1367 W/m² hindurch.

Wie in Abbildung 3 dargestellt wird die Erde von der Sonnenstrahlung getroffen, die senkrecht durch eine Kreisfläche mit dem Radius der Erdkugel (r) hindurchgeht. Diese Kreisfläche A_K berechnet sich zu

Mit der Solarkonstante S₀ erhält man für die auf die Erde eingestrahlte Leistung.

Jetzt korrigieren wir noch mit der Albedo (Reflexionsvermögen der Erde ≈ 0,3) für die von der Erde reflektierte Strahlung/Leistung und erhalten die von der Erde absorbierte und in Wärme umgewandelte Leistung.

Diese Leistung soll von der ganzen Oberfläche der Erde A_E = 4πr² (Kugeloberfläche) absorbiert werden und dann wieder als Wärmestrahlung abgestrahlt werden.

Das Stefan-Boltzmann-Gesetz (P = AσT⁴, mit σ = 5,670 x 10^-8 Wm^-2K^-4) sieht dann so aus (eingestrahlte Leistung = ausgestrahlte Leistung).

πr² kürzt sich raus

Nach T aufgelöst:

Mit der gemessenen globalen Durchschnittstemperatur von etwa 15°C ergibt sich so ein „atmosphärischer Treibhauseffekt“ von ca. +33 °C. Nach dieser Rechnung wäre die Erde ohne „Treibhausgase“ ca. 33 °C kälter als sie mit Treibhausgasen wirklich ist.

Nachdem der Gang der Rechnung geklärt ist, erinnern wir uns an unsere Schulzeit oder sehen in der Wikipedia nach wie das Stefan-Boltzmann-Gesetz anzuwenden ist. Dabei fällt auf, dass das Stefan-Boltzmann-Gesetz nur im thermischen Gleichgewicht gilt. Das heißt, es darf nur auf Körper angewendet werden, die auf ihrer ganzen Oberfläche die gleiche Temperatur haben. Diese Randbedingung ist auf der Erdoberfläche nicht erfüllt. Der für den „Treibhauseffekt“ berechnete Wert von +33 °C muss deshalb falsch sein.

Wie falsch die Rechnung ist, erkennt man beim Vergleich mit dem Uli-Weber-Modell.

Das Uli Weber-Modell

Um diese Fehlerquelle zu vermeiden, muss das Modell an jedem Punkt auf der Planetenoberfläche die eingestrahlte Leistung berechnen. Wenn man die an jedem Punkt der Planetenoberfläche eingestrahlte Leistung kennt, kann man über das Stefan-Boltzmann-Gesetz für jeden Punkt die Oberflächentemperatur berechnen, ohne dass man die Strahlungsleistung über große Flächen mittelt. Gesucht ist also eine Oberflächentemperaturverteilungsfunktion T(ϴ), die jedem Punkt auf der Planetenoberfläche eine Temperatur zuordnet. Mit dieser Oberflächentemperaturverteilungsfunktion T(ϴ) kann man dann „praktisch fehlerfrei“ (auf der bestrahlten Oberfläche) die mittlere Oberflächentemperatur des Planeten berechnen.

Das hört sich recht hypothetisch an. Aber Dank des Lunar Diviner Experiments liegen so detaillierte Daten über die Oberflächentemperatur des Mondes vor, dass für den Mond die oben geforderte Oberflächentemperaturverteilungsfunktion T(ϴ) ermittelt werden kann.

Mit diesen Daten wird unser Mond zum idealen Modell für einen Himmelskörper ohne Atmosphäre.

Bei der Analyse der Temperaturdaten der Lunar Diviner Mission stellt sich heraus, dass auf der Sonnenseite des Mondes die Oberflächentemperaturen sehr gut durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben werden, wenn man den Einfallwinkel der Sonnenstrahlung berücksichtigt (Abbildung 4).

Nach William et al. 2017 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103516304869) ergibt sich folgende Oberflächentemperaturverteilungsfunktion T(ϴ).

mit ϴ = Sonnenhöchststandwinkel, α = 0,11 (Albedo des Mondes)

In der Nähe der Pole geht der Sonnenhöchststandwinkel ϴ (Teta) gegen 90°. D.h. der cosϴ geht gegen Null und es wird nur noch sehr wenig Leistung eingestrahlt. Dort ist die Oberfläche dann sehr kalt. Am Äquator bei Sonnenhöchststand gilt ϴ = 0°. Dort ist der cosϴ = 1. Es wird die volle Leistung S₀ senkrecht eingestrahlt und die Leistung (1-α)S₀ absorbiert. Hier misst man die höchste Oberflächentemperatur.

Es bilden sich so um den Punkt des Sonnenhöchststandes konzentrische Kreise mit gleichem Sonneneinfallswinkel und damit gleicher Temperatur aus (Abbildung 5).

Wie wir weiter unten sehen werden, können wir die Schattenseite des Mondes außer Acht lassen, wenn wir auf der Grundlage der Monddaten ein Modell für die Erde entwickeln wollen.

Nun übertragen wir die Oberflächentemperaturverteilungsfunktion des Mondes auf die Erde.

Zur Anpassung des „Mondmodelles“ auf irdische Verhältnisse tauschen wir einfach die Albedo des Mondes durch die Albedo der Erde aus. Des Weiteren vernachlässigen wir die Abkühlung der Nachtseite. Inwieweit dies durch die sehr hohe Wärmekapazität der Ozeane und der Atmosphäre gerechtfertigt ist, wird nachfolgend erklärt.

mit ϴ = Sonnenhöchststandwinkel, α = 0,3 (Albedo der Erde)

Diese Temperaturverteilungsfunktion T(ϴ) teilt die Sonnenseite der Erde in konzentrische Kreise mit gleicher Oberflächentemperatur ein (Abbildung 6).

Zur Berechnung des Flächenintegrals über diese Temperaturverteilungsfunktion wandeln wir die konzentrischen Kreise in entsprechende infinitesimal schmale Flächenelemente dA um (siehe Abbildung 7).

Die flächengemittelte Durchschnittstemperatur der sonnenbeschienenen Halbkugel T_m wird berechnet, indem man das Flächenintegral der Oberflächentemperaturverteilungsfunktion T(ϴ) über die sonnenbeschienene Halbkugel bildet und dann durch die Fläche der Halbkugel dividiert.

Man erhält eine flächengemittelte Durchschnittstemperatur von ca. T_m = 15 °C, die mit der vom IPCC angegebenen, mittels Wetterstationsmessungen ermittelten Durchschnittstemperatur von ca. 15 °C übereinstimmt.

Da Uli Webers Modell die 15 °C-Duchschnittstemperatur ohne die Annahme einer atmosphärischen Rückstrahlung liefert, können wir schreiben.

Treibhauseffekt = 288 K_gemessen – 288 K_berechnet = 0°C

Das heißt den auf Rückstrahlung von Treibhausgasen beruhenden atmosphärischen Treibhauseffekt gibt es nicht. Die im Vergleich zum Mond recht hohe Durchschnittstemperatur der Erde beruht einzig auf der hohen Wärmekapazität von Atmosphäre, Erdoberfläche und Ozeanen und der schnellen Erdrotation.

Wieso funktioniert Uli Webers Modell so gut?

Im Detail erklärt Uli Weber in einer Serie von Artikeln, die auf der EIKE-Website veröffentlicht sind und einigen Büchern, weshalb sein Modell so gut funktioniert.

Artikel: https://eike-klima-energie.eu/2024/04/17/back-to-earth-stand-des-hemisphaerischen-s-b-modells-als-wegweiser-durch-meine-eike-artikel/

Bücher: https://buchshop.bod.de/catalogsearch/result/index/?q=Uli%20Weber&bod_pers_id=9123197

Hier versuche ich seine ausführlichen Erklärungen auf das absolut Wesentliche herunterzubrechen.

Verwendet man die Temperaturverteilungsfunktion um die bodennahe Erdtemperatur für einen senkrechten Sonneneinfall (θ = 0) zu berechnen, ergibt sich ein Wert von fast 90 °C.

Eine so hohe bodennahe Temperatur wird nirgends auf der Erde erreicht.

Ebenso werden die für die Pole errechneten -273 °C nie erreicht.

Die Temperaturverteilungsfunktion T(θ) berechnet für jeden Ort die maximal erreichbare Temperatur, unter der Annahme, dass die von der Sonne eingestrahlte Leistung sofort und vollständig in IR-Strahlung umgewandelt wird. Uli Weber nennt diesen Wert Stefan-Boltzmann-Temperaturäquivalent um ihn von der wirklich messbaren Temperatur zu unterscheiden.

Auf der Erde ist eine solche direkte und vollständige Umwandlung in IR-Strahlung nicht möglich, weil die eigestrahlte Energie überwiegend in Wärme/Molekülbewegung (Thermalisierung) umgesetzt wird. Diese Wärme treibt die globalen Zirkulationen an und lädt die sehr großen Wärmespeicher dieser Zirkulationen auf. Der Wärmeinhalt der globalen Zirkulationen ist um ca. 4 Größenordnungen größer als die von der Sonne an einem Tag eingestrahlte bzw. von der Erde abgestrahlten Energie https://www.scirp.org/journal/paperinformation?paperid=150991.

Wärmeinhalt Ozeane ≈ 50 000 Tage Sonneneinstrahlung

Ähnlich wie ein sehr großer Kondensator in elektrischen Schaltungen Spannungsspitzen glättet, wirkt sich diese gewaltige Wärmekapazität dämpfend auf Temperaturschwankungen aus. Die Abkühlung der Nachtseite kann daher vernachlässigt werden.

Damit ergibt sich ein erstaunlich einfaches Konvektionsmodell. Der Wärmeeintrag erfolgt über die Einstrahlung der Sonne. Die Einstrahlung erfolgt mit S₀ (Solarkonstante 1367 W/m²) über eine Kreisfläche mit der Größe πR² (R = Erdradius). Ca. 30% dieser Strahlung wird von der Erde reflektiert (Albedo α ≈ 0,3). Es bleibt ein Wärmeeintrag von ca. 957 W/m² über eine Fläche von πR².

Dieser Wärmeeintrag wird von den globalen Zirkulationen über die ganze Erde verteilt und dann über die gesamte Erdoberfläche (4πR²) wieder ins Weltall abgestrahlt.

Ähnlich wie im +33 °C-Treibhauseffektmodell ergibt sich so eine mittlere Abstrahlung (OLR outgoing long wave radiatio) von ca. 240 W/m². Unter der Annahme eines thermischen Gleichgewichtes, ergibt sich.

Einstrahlung = Abstrahlung

Aber im Gegensatz zum +33 °C-Treibhauseffektmodell wird hier nicht unter Missachtung der Regeln der Arithmetik von der mittleren abgestrahlten Leistung auf die mittlere Oberflächentemperatur zurückgeschlossen. Die „Temperaturgenese“ erfolgt in Uli Webers Modell direkt einstrahlseitig und lokal bevor der Mittelwert gebildet wird.

An der jeweiligen Einstrahlstelle wird die Sonnenstrahlung praktisch vollständig in sensible Wärme umgewandelt. Durch diese Umwandlung in sensible Wärme wird die eingestrahlte Leistung P bzw. die damit verknüpfte Wärmemenge Q zu einer linearen Funktion der Temperatur.

„Lokal“, für ein sehr kleines Flächenelement A, gilt dann (mit t = Zeit, C = Wärmekapazität des Flächenelementes A, σ = Boltzmannkonstante):

Die eingestrahlte Leistung wird nach der Umwandlung in sensible Wärme Teil der globalen Zirkulationen, die dann für eine „arithmetisch korrekte“ Mittelwertbildung sorgen.

In der folgenden Graphik, die Uli Webers Artikel „Der hemisphärische Stefan-Boltzmann-Ansatz ist kein reines Strahlungsmodell – Teil 1“ entnommen wurde, ist das sehr anschaulich dargestellt (Abbildung 8). https://eike-klima-energie.eu/2023/12/31/der-hemisphaerische-stefan-boltzmann-ansatz-ist-kein-reines-strahlungsmodell-teil-1/

In Webers Modell ist demnach die mittlere Oberflächentemperatur der Erde T_m ausschließlich eine Funktion der Sonneneinstrahlung S₀ und des Reflexionsvermögens der Erde α.

T_m ist damit die maximale von einem Planeten mit sehr großer Wärmekapazität und dem Reflexionsvermögen α bei einer Sonneneinstrahlung S₀ erreichbare flächengemittelte, durchschnittliche Oberflächentemperatur.

Unter der Annahme einer einigermaßen konstanten Sonneneinstrahlung S₀ ist es dann das Reflexionsvermögen der Erde (Albedo α), dass die durchschnittliche Oberflächentemperatur bestimmt.

Das heißt, vor allem die Wolkenbedeckung (Wasser, Staub, SO₂, …) bestimmt die durchschnittliche Oberflächentemperatur.

Zusammenfassung

Abschließend kann man nur feststellen, dass der +33 °C-Treibhauseffekt unter Missachtung grundsätzlicher physikalischer und mathematischer Prinzipien an den Haaren herbeigezogen wurde. Wenn man das Zusammenwirken der irdischen Wärmespeicher (Atmosphäre, Landflächen und vor allem Ozeane) berücksichtig, sowie Mathematik und Physik richtig anwendet, verschwindet der Treibhauseffekt.

Im nächsten Artikel („Die Strahlungstransfertheorie und der Treibhauseffekt“) werde ich darauf eingehen, wie man versucht mit Karl Schwarzschilds Strahlungstransfertheorie einen Treibhauseffekt herbeizurechnen.