Ausgangssituation
Der Planet Erde verhindert mit seiner Lufthülle, dass es am Tage zu heiß und nachts zu kalt wird. Die eingestrahlte Sonnenenergie gelangt gefiltert auf die Erdoberfläche und wird verzögert von ihr abgegeben. So entsteht in den unteren Schichten der Atmosphäre ein Klima wie in einem Treibhaus, wo sich das Leben entwickeln konnte. Störungen in der Funktion des Treibhauses könnten eine global und digital vernetzte Milliardenbevölkerung empfindlich treffen.
In den letzten 150 Jahren wurde eine Erhöhung der globalen Temperatur um etwa 1 Grad beobachtet. Im gleichen Zeitraum wuchs die Konzentration des Kohlendioxids in der Luft von 280 auf 400 Vol.-ppm. Das lastet man der Industriellen Revolution mit Nutzung von Kohle, Öl und Gas an. Was nicht gesagt wird: In der Mitte des 19. Jahrhunderts endete die Kleine Eiszeit. Diese Abkühlphase nach dem Mittelalter war besonders auf der Nordhalbkugel durch 1 bis 2 Grad tiefere Temperaturen im Vergleich zur Gegenwart charakterisiert.
Die gemessene CO2–Temperatur–Zeit-Beziehung führt zum Verdacht, menschengemachte CO2-Emissionen wären Ursache des Temperaturanstiegs. Der Treibhaus (TH)-Effekt wurde zum Gegenstand unsicherer Klima-Extrapolationen bis zum Ende unseres Jahrhunderts mit Voraussage einer Klimakatastrophe. In der Folge werden mit politischer Macht Null-Emissions-Ziele durchgesetzt, die zu Deindustrialisierung und Verarmung der Gesellschaft führen werden.
Emotionale Gegenreaktionen führen bei Gegnern der Klimaschutzpolitik bis zur Leugnung des TH-Effekts und der Treibhauswirkung des CO2. Eine wissenschaftliche Aufklärung wäre erforderlich. Einschlägige Forschungsinstitutionen leben jedoch von staatlichen Fördertöpfen, wodurch das Forschungsziel beeinflusst ist. Hier wird versucht, aus der Analyse bekannter physikalisch-chemischer Daten und ihren Bezug auf das CO2-Molekül ein reales Bild zu erhalten.
Das Strahlungsgleichgewicht
An der äußeren Lufthülle der Erde, in ca. 20 km Höhe, hat die Sonnenstrahlung eine Leistungsdichte von 1,35 kW/m2 (=Solarkonstante). Auf dem Weg durch die Atmosphäre wird die Sonnenstrahlung durch Reflexion und Absorption geschwächt, abhängig von Weglänge und Einstrahlwinkel. An der Erdoberfläche beträgt die Strahlungsleistung maximal noch 1 kW/m2, abhängig von geographischer Breite, Höhenlage, Witterung sowie Tages- und Jahreszeit. Bei höherer geographischer Breite beschränkt sich der Spitzenwert auf die Mittagszeit und die Monate Juni und Juli. Am 60. Breitengrad sind das im Sommer bis 900 W/m2, im Winter bis 200 W/m2.
Die Bilanz zwischen Sonnenein- und Erdabstrahlung wird als ausgeglichen angenommen. Mit ihrer Lufthülle, den Meeresströmungen und dem Wasserkreislauf bildet die Erde eine Art Thermostat. Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung der Sonne umfasst Wellenlängen von IR- über den sichtbaren Bereich bis UV mit zunehmender Energie. Im Mittel bleiben an der Erdoberfläche vom gesamten Spektrum ca. 58% der Energie übrig, wobei sich die spektrale Verteilung zugunsten der langwelligen Anteile verschoben hat (1).
Die energiereichste UV-Strahlung wird am stärksten abgeschwächt. Kurzwellige UV-Strahlung wird in chemischen Reaktionen mit Sauerstoffspuren bei Bildung und Zerfall von Ozon in der Stratosphäre absorbiert (2). Nur etwa ein Zehntel der UV-Strahlung erreicht die Erdoberfläche.
Sichtbares Licht wird von Wolken und Feinstaub in der Atmosphäre und von hellen Flächen der Erdoberfläche reflektiert, nur die Hälfte erreicht die Erdoberfläche.
Wärmestrahlung (IR) wird von Wasserdampf, von Aerosolen und von Spurengasen (CO2, CH4 und anderen) in der Atmosphäre absorbiert. Am Boden kommt etwa nur die Hälfte der IR-Strahlung an. Die absorbierte Strahlung wird in Gitterschwingungen von Feststoffen absorbiert und damit in Wärme gewandelt. An Dachflächen, Betonautobahnen, Hauswänden, Ackerflächen und erwärmten Gewässern wird diese Energie als Wärme (Bewegungsenergie) auf Luftmoleküle übertragen, teilweise als IR-Strahlung zurückgestrahlt.
Erwärmte Luft hat geringere Dichte und steigt auf. Die Wärme breitet sich durch Konvektion, Luftströmungen, Hoch- und Tiefdruckgebiete in der Atmosphäre aus. Um die Energiebilanz zwischen Ein- und Ausstrahlung wieder herzustellen, müsste die Wärme mit den Gasmolekülen in den Weltraum entweichen, diese werden aber von der Schwerkraft an der Erde gehalten. Nur über Wandlung in IR-Strahlung ist der Ausgleich der Strahlungsbilanz möglich.
Die Bilanz zwischen Ein- und Abstrahlung ist ausgeglichen, solange keine Änderungen an den solaren oder planetaren Parametern auftreten, was in der Geschichte unseres Planeten mehrfach passierte: Sonnenaktivität, Erdbahn oder Erdachse veränderten sich, Luft- und Meeresströmungen ebenso. Es gab Eiszeiten und Warmzeiten, aus Grünland wurden Wüsten. Aber auch bei konstanten kosmischen Parametern ist die Strahlungsbilanz weder täglich noch im Jahr ausgeglichen, manchmal erst in Jahrmillionen.
Treibhausgase und Treibhaus-Effekt
Während die Temperatur am oberen Rand der Atmosphäre nach Satellitenmessungen -18 oC betragen soll, werden an der Erdoberfläche im Durchschnitt +15 oC gemessen. Die Differenz von 33 Grad bezeichnet man als Treibhaus(TH)-Effekt. Den größten Beitrag zum TH-Effekt dürfte der Wasserkreislauf mit Umwandlungswärmen (in Milli-Elektronenvolt, meV) liefern:
Schmelzwärme 6,0 kJ/mol = 62 meV/Molekül
Verdampfungswärme 40,7 kJ/mol = 422 meV/Molekül
Die übrige Wärmeenergie verteilt sich auf alle Gase in der Luft.
Wärme ist Bewegung von Molekülen. Die Moleküle geraten in Bewegung durch Stoß mit anderen Molekülen, Feststoffen der Erdoberfläche, Gewässern oder Gasmolekülen. Für die zweiatomigen Gase N2 und O2 mit ausschließlich statistisch verteilter Bewegungsenergie ist die maximal aufnehmbare Energie (molare Wärmekapazitäten Cp) (3) etwa gleichgroß.
Im Gegensatz zu den Hauptbestandteilen der Luft, den zweiatomigen Gasen N2 und O2, weisen 3- und mehratomige Gasmoleküle wie H2O (bis zu 3% in der Atmosphäre) und Spurengase wie CO2, CH4 und andere (in Summe weniger als 0,1Vol.% in der Atmosphäre) auf Grund ihres Molekülbaus in ihrem Spektrum Rotations-, Oszillations- und Deformationsschwingungen auf, die durch IR-Strahlung bestimmter Frequenzen angeregt werden und IR-Photonen auch wieder abgeben können (4). So können sie zusätzlich zur Bewegungsenergie innere Energie aufnehmen entsprechend Anzahl und Größe der Resonanzfrequenzen (5). Dadurch steigen die Molwärmen mit der Temperatur schneller als für die 2-atomigen Gase N2 und O2. Die molare Wärmekapazität Cp ist das Maß für die maximal aufnehmbare Wärmeenergie eines Gases.
Die Aufteilung des TH-Effekts von 33 Grad allein auf Wasserdampf und die Spurengase CO2, Ozon, Stickoxide, Methan lässt den großen Anteil der in N2 und O2 enthaltenen Wärme unberücksichtigt. Die Wärmerückhaltung im Treibhaus Erde wird durch alle Gasbestandteile entsprechend ihrer molaren Wärmekapazität und Konzentration in der Atmosphäre bewirkt.
Durch die IR-Absorption in den mehratomigen Gasen erhöht sich die in der Atmosphäre gespeicherte Energie, sie werden deshalb als Treibhaus(TH)-Gase bezeichnet. Wasserdampf und die TH-Gase unterscheiden nicht zwischen IR-Ein- und Ausstrahlung. Sie absorbieren auch die IR-Einstrahlung. Dadurch wird die feste Erdoberfläche weniger aufgeheizt und in der Folge weniger Wärme auf die Luft übertragen!
Unter den Gasmolekülen mit statistisch verteilter Energie wird es genügend N2- und O2-Moleküle geben, deren kinetische Energie nahe der Schwingungsenergie der TH-Moleküle liegt, die also durch Stoß mit diesen eine Schwingung im Bereich der IR-Quanten anregen können. Die TH-Gase absorbieren von der Sonne eingestrahlte und von der Erdoberfläche abgestrahlte Wärme und geben sie als IR-Photonen nach allen Seiten wieder ab. Die TH-Gase spielen eine wichtige Rolle im Strahlungsgleichgewicht, sie wirken als Sendeantennen, die Wärme in den Weltraum abstrahlen.
Die Rolle des Kohlendioxids
Der Wasserkreislauf funktioniert weitgehend unabhängig von menschlichen Einwirkungen, deshalb wurde das Kohlendioxid zum Hauptschuldigen für die Klimaerwärmung erklärt. Der CO2-Gehalt in der Atmosphäre beträgt derzeit 0,04%, der anthropogene Beitrag wird auf 1/3 davon geschätzt. Das CO2-Molekül hat Absorptionsbanden im Bereich des IR-Spektrums bei 2,7, bei 4,3 und 15 µm, wobei letztere Bande größere Breite besitzt. Weitere Spurengase haben wegen ihrer geringeren Konzentration kaum Einfluss auf die Wärmekapazität der Luft.
Welchen Einfluss hat die geringe CO2-Konzentration auf die Erhöhung der molaren Wärmekapazität von Luft? Nehmen wir Cp von Luft bei 25 oC mit 29,1 J/mol K an (Das gilt zwar für N2, Hauptbestandteil der Luft, aber es kommt im Folgenden auf die Zunahme an). Die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität wird nach (3) berechnet.
CpCO2 steigt stärker mit T als CpN2. Cp für das Gemisch mit X vppm CO2 ist dann:
Aus Tab. A und B folgt: Der Anstieg des CO2-Gehalts der Luft von 0 vppm auf 1000 vppm bei konstanter Temperatur (Tab.B) hat etwa die gleiche Wirkung für CpLuft wie eine T-Erhöhung um ca. 2 bis 3 K (Tab.A). Das ist wesentlich weniger als zur Begründung der gemessenen T-Erhöhung in den letzten 150 Jahren ausreichen würde.
Ein Beitrag des CO2 zur Erhöhung der Wärmekapazität der Luft ist vorhanden, aber gering. CO2 spielt eine wichtige Rolle zur IR- Abstrahlung in den Weltraum. Vergessen wir nicht, dass steigender CO2-Gehalt gleichzeitig die auf die feste Erdoberfläche treffende IR-Energie verringert, wodurch die Wärmeübertragung auf die Luftmoleküle sinkt.
Ungeklärt in der Beziehung zwischen CO2-Konzentration und Temperatur bleibt weiter die Frage nach Ursache und Wirkung: Bewirkt die Zunahme der CO2-Konzentration einen T-Anstieg, wie von politischer Seite als Grundlage des Handelns vorausgesetzt? Oder wird durch einen T-Anstieg der Oberflächentemperatur der Meere nicht nur mehr Wasser verdampft, sondern auch CO2 aus dem Meerwasser freigesetzt? Die Menge des CO2 im Meer wird zigfach größer angenommen als die Menge in der Atmosphäre.
Tag und Nacht, Vegetations- und Abbauphasen in der Natur, auch Produktion in menschlicher Gesellschaft können regional und lokal Unstetigkeiten ins Klima bringen. Energie wird dem Zustrom von der Sonne entnommen und in natürlichen oder industriellen Produkten gespeichert. Erst beim bakteriellen Abbau oder der Müllverbrennung gelangt die im Produkt gespeicherte Energie wieder in die Umwelt zurück. So ist verständlich, dass ein langzeitig definierter Zusammenhang zwischen CO2-Konzentration und globaler Temperatur nicht gefunden werden konnte. Zudem ist die Messung einer mittleren globalen Temperatur mit großen Unsicherheiten behaftet (6).
Zusammenfassung
Die in den letzten 150 Jahren gemessene CO2–Temperatur–Zeit- Beziehung führte zu dem Verdacht, menschengemachte CO2-Emissionen wären Ursache des Temperaturanstiegs von ca. 1 Grad. Verschwiegen wird, dass Mitte des 19. Jahrhunderts auch die Kleine Eiszeit endete, die auf der Nordhalbkugel durch 1 bis 2 Grad tiefere Temperaturen charakterisiert war.
Das Strahlungsgleichgewicht der Erde unterliegt Schwankungen durch zahlreiche solare, planetare wie auch globale, ökologische und anthropogene Einflüsse, die immer wieder Klimawandel verursachen.
Die Atmosphäre der Erde absorbiert im IR-Bereich einen großen Teil der Sonneneinstrahlung wie auch der Erdabstrahlung, wodurch ein Treibhauseffekt entsteht. Die Wärmerückhaltung im Treibhaus Erde wird durch alle Gasbestandteile der Atmosphäre bewirkt. Die größte Energiemenge beinhaltet der atmosphärische Teil des Wasserkreislaufs, gefolgt von den Hauptbestandteilen der Atmosphäre Stickstoff und Sauerstoff. Der Rest der Energie ist in Spurengasen enthalten.
Die sogenannten TH-Gase enthalten je Molekül ähnliche Mengen von Bewegungsenergie wie alle anderen Gasmoleküle der Atmosphäre, zusätzlich zu den anderen Molekülarten speichern sie IR-Quanten in Molekülschwingungen. Sie sind die einzigen Luftbestandteile, die Wärme als elektromagnetische Strahlung ins All abstrahlen zu können. Ein wachsender CO2-Gehalt erhöht die Wärmekapazität der Luft gering, senkt aber gleichzeitig die IR-Einstrahlung auf die Erdoberfläche.
Ungeklärt in der Beziehung CO2-Temperatur bleibt die Frage nach Ursache und Wirkung: Erwärmt sich die Atmosphäre infolge steigender CO2-Konzentration oder setzt steigende Temperatur zusätzliches CO2 aus dem Meer frei?
Die Vorgänge im Wärmehaushalt der Atmosphäre sind außerordentlich komplex, ihre quantitative Bewertung also schwierig. Der Wissensstand liefert keine Grundlage für die derzeit praktizierte Klimaschutzpolitik mit ihren gravierenden Auswirkungen auf Wirtschaft und Leben.
*) Prof. Dr.sc.nat.Helmut Ullmann, Diplom-Ing. für Radiochemie, frühere Tätigkeit im Zentralinstitut für Kernforschung und später an der TU Dresden mit Energieverfahren und Thermodynamik von Materialien. (Seine Anschrift liegt der AGEU vor.)
(1) N.Leitgeb, Strahlen, Wellen, Felder, Thieme Verlag, 1990, S.196
(2) U.Feister, Ozon- Sonnenbrille der Erde, Teubner, Leipzig, 1990, S.51
(3) G.Kortüm, Einführung in die chemische Thermodynamik, Verlag Chemie, Basel 1981
(4) C.Czeslik, H.Seemann, R.Winter, Basiswissen Physikalische Chemie, Vieweg und Teubner, GWV Fachverlage, Wiesbaden 2010
(5) earthobservatory.nasa.gov/features/EnergyBalance/page7.php
(6) K.Tägder, Kritische Bewertung der globalen mittleren Erdtemperatur, ageu-die-realisten.com/archives/3452, April 14, 2019