Ist die Erde ein Treibhaus - ja oder nein?
Die kurze Antwort: Nein.
Und das ist gut so!
Die entscheidenden Fragen sind nun aber: Warum wurde die Treibhaus-Hypothese aufgestellt und wie ist die physikalische Erklärung hierzu?
Und genau hier beginnt es interessant zu werden.
Was unstrittig ist
Die Sonnenstrahlung trifft kontinuierlich auf die Atmosphäre der Erde. Ein Teil wird reflektiert, ein Teil von Wolken, Partikeln und Wasserdampf absorbiert. Eine zentrale Rolle spielt dabei auch die Streuung des Lichts in der Atmosphäre.
Durch die Streuung an Luftmolekülen (Rayleigh-Streuung) wird kurzwelliges, blaues Licht bevorzugt in alle Richtungen verteilt. Dadurch wird der gesamte Luftraum gleichsam „mit Licht gefüllt“ und der Himmel erscheint blau.
Ohne diese Streuprozesse gäbe es kein gleichmäßig erhelltes Firmament. Stattdessen würden wir in eine schwarze Leere blicken, mit einer grell leuchtenden Sonne als nahezu einziger Lichtquelle.
Verändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre, wie etwa durch Wasserdampf, Staub oder Aerosole (Smog, Saharastaub), verändert sich auch die Streuung. Der Anteil langwelliger Strahlung nimmt zu, das Licht wird diffuser:
⇒ Der Himmel wirkt trüber, milchig oder grau. Auch Morgen- und Abendrot lassen sich durch diese physikalischen Prozesse erklären.
Die Erde dreht sich – und mit ihr wandert (bildlich) ein riesiges Energieband aus Sonnenlicht einmal täglich um den Globus. Während eine Hälfte der Atmosphäre bestrahlt und aufgeheizt wird, liegt die andere im Schatten und kühlt ab.
So entsteht ein ständiger Wechsel von Erwärmung (Strahlungsdruck von der Sonne) und Abkühlung (Strahlungsdruck von der Erde), der wie ein Motor die Luft in Bewegung hält und unser Wetter antreibt. Die einstrahlenden und abstrahlenden Wärmemengen hierbei sind enorm. Mehr siehe hier
Solarer vs. terrestrischer Energiestrom
⇒ Der einfallende Strahlungsstrom der Sonne liefert überwiegend kurzwellige Strahlungsenergie in Form von Licht und Wärme.
⇒ Der von der Erde ausgehende Wärmestrahlungsstrom gibt die umgewandelte Energie als langwellige Infrarotstrahlung wieder an den Weltraum ab.
Diese Energieströme durchdringen und beeinflussen die Atmosphäre. Die Atmosphäre ist damit ein aktives Medium, in dem Strahlung und Energie permanent umgewandelt und sowohl räumlich als auch zeitlich verteilt wird.
Dazu kommt: Sonnenenergie erreicht die Erdoberfläche nicht nur direkt, sondern zu einem Teil indirekt als diffuse Strahlung.
Damit wird deutlich:
Bereits auf diesem grundlegenden Niveau ist das Klimasystem kein einfaches Strahlungsgleichgewicht, sondern ein komplexes Zusammenspiel aus:
- Strahlung
- Streuung
- Absorption
- und räumlicher Energieverteilung
Genau hier beginnt der entscheidende Punkt:
Wer das Klimasystem verstehen will, muss mehr betrachten als reine Strahlungsbilanzen.
Es bleibt festzuhalten, dass wir nicht unter einer "Glocke" wie in einem Treibhaus leben. Der „blaue Himmel“ ist in erster Linie eine optische Erscheinung. Er kann Energie in Form von Wärmestrahlung, unabhängig von Richtung oder Wellenlänge, nicht wie eine feste Hülle zurückhalten (vgl. Temperatursturz in kalten Nächten).
Wo die klassische Treibhauseffekt-Erklärung zu kurz greift
Die gängige Darstellung des Treibhauseffekts konzentriert sich im Wesentlichen auf Strahlungsprozesse:
Sonnenenergie gelangt zur Erde, wird in Wärme umgewandelt und teilweise als Infrarotstrahlung wieder abgegeben. "Treibhausgase" absorbieren einen Teil dieser Wärmestrahlung und emittieren sie erneut – nach der Theorie auch zurück zur Erdoberfläche. Wasserdampf wird in dieser Theorie auch als Treibhausgas angesehen.
⇒ Dieses Prinzip scheint physikalisch korrekt.
Aber: Es beschreibt nur einen Teil des Systems, wie auf den nachfolgenden Seiten dargestellt wird.
Strahlungstemperatur der Erde als Basis für die Treibhaus-Hypothese
Ein zentraler Referenzwert in der Klimaphysik ist die sogenannte Strahlungstemperatur der Erde, die mit etwa 255 K (− 18 °C) angegeben wird. Dieser Wert bildet auch die Basis für die Treibhaus-Hypothese, die da lautet: Ohne den natürlichen Treibhauseffekt würde auf der Erde keine angenehme, mittlere Temperatur von ca. 15°C vorherrschen, sondern eisige -18°C!
⇒ Grund, sich näher damit zu beschäftigen:
Die Temperatur von 255 K entspricht näherungsweise den thermischen Bedingungen in einer Höhe von etwa 5.400 m über dem Meeresspiegel. Genau in diesem Bereich liegt jene Zone der Atmosphäre, in der etwa jeweils die Hälfte der Luftmasse unterhalb und oberhalb liegen. Zur Einordnung: Die atmosphärische Luftmasse beträgt rund 5,1 * 1018 kg. Und wie jede Masse, hat auch die Masse der Luft eine mittlere Temperatur, mit der sie strahlt und die bestimmt werden kann.
Die Strahlungstemperatur in dieser Höhe zeigt damit die mittlere Temperatur der atmosphärischen Masse an und nicht die „Erdoberflächentemperatur“. Bewegt man sich aus dieser Höhe nach unten Richtung Erde, nimmt die Luftmasse zu, was sich im Luftdruck zeigt und in dessen Folge auch physikalisch bedingt die Temperatur: Auf Meereshöhe ergibt sich so der mittlere Luftdruck zu rund 1.013 hPa bei einer Temperatur von 288 K.
Und das alles ohne Einfluss von "Treibhausgasen".
⇒ Mehr über die Zusammenhänge von Luftdruck und Temperatur sowie deren Berechnung hier:
Die oft genannte Strahlungstemperatur von 255 K beweist weder die Einfachheit des Systems noch den Treibhauseffekt, sondern im Gegenteil die Komplexität der Atmosphäre.
Sie zeigt, dass die Erde nicht direkt von der Oberfläche aus in den Weltraum abstrahlt, sondern über eine mehrere Kilometer mächtige atmosphärische Schicht, die atmosphärische Masse.
Genau dieser Punkt wird in vielen vereinfachten Klimadarstellungen zu wenig oder eben nicht beachtet.
Was daraus folgt:
Die Atmosphäre ist keine statische "Wärmehaube"
Sie ist ein vertikal gegliedertes, äußerst dynamisches System
Der Energieaustausch erfolgt nicht nur durch Strahlung, sondern auch durch Luftbewegung und Konvektion und insbesondere durch den Phasenwechsel des Wassers
Damit wird klar:
Die oft verbreitete Vorstellung, die Erdoberfläche erwärme sich einfach durch „zurückgestrahlte Wärme“, greift zu kurz. Tatsächlich handelt es sich um ein komplexes Zusammenspiel aus Strahlungsenergie der Sonne, Absorption, Kompression, Dekompression, Luftdruck, Wasserdampf, Wolkenbildung, Ozeane und atmosphärischer Dynamik.
Mehr zum Klimasystem der Erde hier: ⇒
