Der Treibhauseffekt:

Da oben ist eine geheimnisvolle Materie, die strahlt zurück

Die Legende, aus einer Diskussion zitiert: „Der natürliche THG Effekt wurde bereits 1824 von Fourier entdeckt. Er beruht auf einer simplen Berechnung der Energiebilanz des Systems Erde – Sonnenenergie rein, Infrarotstrahlung raus. Fourier stellte, kurz gesagt, fest, dass die einfallende Energie der Sonne zu gering ist, um die Temperatur auf der Erde zu erklären. Eunice Newton-Foote und John Tyndall stellten 1856 bzw. 1859 durch Messungen fest, dass CO2 und andere THG Infrarotstrahlung absorbieren (und wieder emittieren). Damit war die „fehlende“ Energie gefunden – zusätzlich zur Sonnenenergie wird ein Teil der von der Erde abgestrahlten IR-Strahlung wieder zur Erde zurückgestrahlt.“ (THG soll bedeuten: Treibhausgas; Thema ist der Treibhauseffekt, um dessen verständlicher Erläuterung im Zusammenhang mit dem CO2-Narrativ gebeten wurde)

280 bzw. 420 : 1.000.000 – enthalten in 0,01% Luftvolumen – ist viel? Das ist eine Behauptung, die schwer nachvollziehbar ist. Daran ändern auch keine relativen Zahlenspielereien etwas, insofern taugen die erwähnten 50% (Konzentrationszunahme von 280 auf 420 ppm) nur, um vom Problem abzulenken: nämlich, dass die paar CO2-Moleküle zu einer wie auch immer gearteten Erwärmung beitragen. Ihrer (vermutlich abgeschriebenen) Erzählung folgend, machen die CO2-Moleküle das, indem sie Infrarotstrahlung absorbieren und wieder emittieren. Das nennt man Nullsummenspiel und eine Bilanzwirksamkeit lässt sich dem nicht andichten. Aufgrund der geringen Bandbreite des Ausschnitts aus dem elektromagnetischen Spektrum gilt A + R = 1 und A = E (das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz).

Woran das CO2-Märchen außerdem scheitert, sind grundlegende Naturgesetze: Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Energie in einem abgeschlossenen System konstant ist. Die Atmosphäre ist kein geschlossenes System mit einem Planeten namens Erde im Zentrum. Wer es nicht glaubt, schaue in einer sternenklaren Nacht nach oben. Wer es immer noch nicht glaubt, der Suche nach der Erklärung dafür, dass man u.U. in der Wüste des nachts erfrieren kann. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme ohne Hilfe nur von einem warmen zu einem kalten System fließen kann, aber nie umgekehrt. (Der dritte beschreibt die Näherung an den Nullpunkt.)

Um die Legende aufrecht zu erhalten, kommt nun die Mär von der Rückstrahlung: „zusätzlich zur Sonnenenergie wird eine Teil der von der Erde abgestrahlten IR-Strahlung wieder zur Erde zurückgestrahlt“. Dabei handelt es sich um eine hilfsweise Behauptung ins Blaue hinein, die ein geschlossenes System voraussetzt. Dass dies purer Unsinn ist, wird jeder nachvollziehen können, der weiß, dass die Luft nach oben immer dünner wird und dass Richtung All die Temperaturen drastisch abnehmen. Wer schon einmal in einem Flugzeug gesessen hat, kann sich an angezeigte -40 °C bestimmt erinnern. Nun nehmen wir kühn an, ein paar konvektiv erwärmte CO2-Moleküle steigen in luftige Höhen auf. Was tun sie? Abkühlen, sie verlieren etwa aufgenommene Wärme durch Abstrahlung im IR.

Die Abstrahlung erfolgt von der Kugelform in alle Richtungen nach dem T-hoch-4-Gesetz (Stefan-Boltzmann-Gesetz), gleichzeitig empfängt das Molekül IR-Strahlung. Denn jeder Körper über -273,15 °C emittiert Wärmestrahlung. Entscheidend ist, was netto zu bilanzieren ist. Von unten kommt Wärme an: konvektiv und im IR, nehmen wir eine Oberflächentemperatur von 40 °C an. Von oben kommt: eisige Kälte, -40 °C. Also verliert das Molekül netto an den kalten Hintergrund. Übrigens: weiter oben ist es noch kälter: -70 °C, aber viele Luftmoleküle gibt es da nicht mehr. Was soll nun die postulierte Rückstrahlung bewirken? Ein paar verirrte Moleküle, die warm geblieben sind?

Dieses wirre Konstrukt lässt sich als plausible Argumentation nicht aufrechterhalten. Also geben wir dem übel nachgeredeten CO2 seine Unschuld zurück und wenden uns dem zu, was energetisch Relevanz aufweist. Wasser ist als Dampf in der Luft enthalten. Bei 25 °C kann die Luft maximal 23,05 g Wasser aufnehmen (Sättigung bei 100%n rel. LF). Bei schwülem Wetter bei angenommenen 70% rel. LF sind das 16,135 g Wasser. Das ist sehr viel mehr als 420 ppm CO2. Aber auch die Wassermoleküle können Wärme nicht speichern, sie nehmen Wärme auf und geben Wärme ab. Als Wolken jedoch sind sie temporär in der Lage, Wärmestrahlung, die sich Richtung All aufmacht, zu reflektieren. Aber wir haben keine durchgehend geschlossene Wolkendecke.

Ein Liter CO2 wiegt 1,96 Gramm (co2online.de: Dr. Claus Barthel, Wuppertal Institut). Ein m3 (1 m3 = 1.000 l) CO2 wiegt 1.960 Gramm. Ein m3 Luft wiegt ca. 1.204,1 kg bei 20 °C (1.183,9 kg bei 25 °C). CO2 ist schwerer als Luft, obwohl es Bestandteil der Luft ist. Jedoch fallen 0,04 % kaum ins Gewicht. 1 m3 Luft enthält 1.000 x 0,04 / 100 = 0,4 l CO2, das sind 0,784 Gramm.

Trockene Luft auf Meereshöhe beinhaltet 78 % Stickstoff N2, 21 % Sauerstoff O2und 0,9 % Argon. Zusammen sind das 99,96 % und die Differenz zu 100 % wird durch Spurengase gebildet. Kohlenstoffdioxid CO2 ist mit 0,04 % dabei. Das ist der Volumenanteil und er entspricht 400 ppm (Parts per Million). Der Masseanteil von CO2 beträgt 0,059 % (World Meteorological Organization, Deutscher Wetterdienst).

Der Tabelle zum max. Wasserdampfgehalt in Abhängigkeit zur Lufttemperatur (absolute Feuchte, Sättigungsfeuchte) kann man den Wassergehalt der Luft entnehmen. Luft kann bei 20 °C 17,3 g/m3 Wasser halten, bei 25 °C 23,05 g/m3. Bei angenommenen 70% relativer Luftfeuchte sind das 12,11 bzw. 16,135 g/m3. Das Gewichtsverhältnis Wasser zu CO2 beträgt hier: 22 : 1 bzw. 29,4 : 1.

Warum wird CO2 separiert und bevorzugt betrachtet? Die Enthalpie der Luft (gesamte in der feuchten Luft vorhandene Wärmeenergie) kann nicht von 0,04 Vol.-% der Bestandteile der Luft abhängen. Massebezogen geht dieser Wert immer mehr gegen Null, wenn wir die paar Moleküle CO2 (400 ppm = Verhältnis von 1 : 2.500) mit z.B. 16 g/m3 Wasser vergleichen.

Am Ende ist es eine Frage der Sonnenaktivität, die das Temperaturniveau bestimmt. Die CO2-Konzentration läuft den globalen Temperaturveränderungen nach. Die Temperatur wird durch den Strahlungsaustausch SOL/IR bestimmt. Wenn es auf der Erdoberfläche angenommen 20 °C sind, sind es im All fast 0 K (-215 °C). Wohin also wird netto abgestrahlt? Gem. Hauptsatz der Thermodynamik: von warm nach kalt.

Berlin, 07.08.2023

Anhang 1: Vulkane als CO2-Emittenten

„Der BP-Studie zufolge war selbst der Anteil Deutschlands 2020 mit gut 600 Millionen Tonnen CO2 ungefähr doppelt so hoch wie der weltweite vulkanische Kohlendioxid-Ausstoß.“

https://weather.com/de-DE/wissen/klima/news/2022-01-19-co2-ausstoss-welchen-einfluss-die-aktuellen-vulkanausbruche-auf-den

Anders formuliert: Nach Schätzungen einer BP-Studie betragen die CO2-Emissionen von Vulkanen ca. 50% der CO2-Emissionen von Deutschland. D.h. um deren Kompensation muss sich Deutschland auch noch kümmern, weil es kein anderer tut.

Nach Schätzungen (in mehreren Studien) betragen die Emissionen von Vulkanen nur 1/100 derer aus fossilen anthropogenen Quellen. Deshalb kann man getrost diese Größe vernachlässigen, argumentiert „die Wissenschaft“. Wenn aber 150 bis 270 Mio. to bzw. 65 bis 319 Mio. to p.a.* dermaßen kleingeredet werden – warum sollen wir uns dann über jede Tonne CO2 Gedanken machen?

* Die US-Erdbebenwarte USGS nennt einen geschätzten Jahreswert von 260 Millionen Tonnen CO2 für die Vulkane der Erde. Andere Studien kommen auf bis zu 360 Millionen Tonnen. (weather.com)

Auch bemerkenswert: für alles Mögliche werden die CO2-Emissionen bis auf das Gramm „berechnet“ und Klimamodelle „berechnen“ das Klima auf zig Jahre auf Zehntelgrad genau. Aber es scheint reichlich Themen zu geben, wo großzügig geschätzt wird, hier mal eben in der Spanne 65 … 360 Mio. to. Ist es dann zulässig zu sagen „Das sind die Fakten“?

Anhang 2: „überschätzen wir absichtlich“

Selbst eine idealisierte Berechnung, die sich unter Ausblendung anderer Einflüsse auf das CO2 konzentriert, fördert nicht die gewünschten Alarmwerte (1,5 °C) zutage

„Die bekannten Absorptionseigenschaften von CO2 und die Physik der Wärmestrahlung erlauben es, die Infrarotabsorption des atmosphärischen CO2 abzuschätzen. Die Erde wird als homogener kugelförmiger schwarzer Strahler mit einer Temperatur von 288 K. Eine idealisierte Atmosphäre, deren CO2-Gehalt der einzige Infrarotabsorber ist, umgibt den Strahler. Die CO2-Konzentration auf Meereshöhe beträgt 400 ppm und die Dichte nimmt mit der Höhe exponentiell ab. Dementsprechend enthält die durchschnittliche Schwarzkörper Temperatur den so genannten Treibhausbeitrag enthalten. Über 200’000 diskrete Absorptionslinien von CO2 werden für die numerischen Berechnungen verwendet. Wenn die absorbierte Energie vollständig in Wärme umgewandelt wird, überschätzen wir absichtlich das Wärmerückhaltevermögen von CO2. Die thermische Besetzungsstatistik der CO2-Energiezustände spielt eine Schlüsselrolle in diese Berechnungen. Die berechnete Wärmerückhaltung wird in eine Temperatur Erhöhung, DT, umgerechnet. Eine Verdoppelung der derzeitigen CO2-Konzentration führt nur zu DT < 0,24 K. Bei der derzeitigen Steigerungsrate der CO2-Konzentration von 1,2 % pro Jahr wird es fast zweihundert Jahre dauern, bis die zehnfache Konzentration erreicht ist und DT < 0,80 K beträgt.“

DT = delta T

Infrared absorption of atmospheric carbon dioxide
F. K. Reinhart, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne
CH-1015 Lausanne, Switzerland
Hervorhebungen vom Autor