5. Wie wirkt Kohlendioxid in der Atmosphäre?

Dieses Kapitel beantwortet die Frage „Wie funktioniert der Temperatureffekt der Atmosphäre?“ mit mehr Details als man bei Wikipedia, dem Umweltbundesamt und vielen anderen Stellen erfährt. Es werden vor allem unterschiedliche atmosphärische Bedingungen diskutiert, die üblicherweise weggelassen werden.

a. Wie wirken „Treibhausgase“ bei klarem Himmel?

Der Effekt von infrarot-aktiven „Treibhausgasen“ wird oft falsch erklärt. Auf der Seite der englischsprachigen Wikipedia, die weniger Fehler enthält als die deutschsprachige Seite, steht z. B. der Satz „Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Methan stellen dabei ein Hindernis für die Wärmestrahlung dar und streuen einen Teil davon zurück zur Oberfläche.“ Gase streuen praktisch keine Wärmestrahlung. Was passiert wirklich?

Beginnen wir mit der Wärmequelle: Durch Kernfusionsprozesse ist die Sonne im Inneren mehrere Millionen Grad Celsius heiß. An ihrer „Oberfläche“, also in dem Bereich, in dem die elektromagnetischen Wellen die Sonne verlassen, hat sie eine effektive Temperatur von knapp 5800 Kelvin, etwa 5500 °C. Die Sonnenstrahlen erreichen nach etwas mehr als 8 Minuten die Erde. Sie decken einen breiten Wellenlängenbereich ab. Das Maximum der Sonnenstrahlung liegt bei Wellenlängen von 500 Nanometer bis 700 Nanometer. Das ist der Bereich, in dem unser Auge am empfindlichsten ist. Das hat die Evolution gut hinbekommen. Die Sonne strahlt im Infrarotbereich (größer 800 nm) ungefähr genauso viel Leistung ab wie bei kürzeren Wellenlängen (sichtbarer plus ultravioletter Bereich).

Selbst bei klarem Himmel kommt davon nicht alles in Meereshöhe an, denn Atmosphärengase können bei bestimmten Wellenlängen elektromagnetische Strahlung absorbieren. Die Energie eines „passenden“ Photons wird in Molekülschwingungen, die gleichbedeutend mit Wärme sind, umgewandelt. Die wichtigsten Wellenlängenbereiche, in denen das passiert: bei kurzen Wellenlängen (UV-Bereich um 250 nm) Ozon (O3), bei größeren Wellenlängen hauptsächlich Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2).

Wolken und Erdoberfläche reflektieren zusammen im Mittel 30 % der einfallenden Sonnenstrahlung und absorbieren (inklusive Atmosphäre) 23 %, ein kleiner Teil wird gestreut (Rayleigh scattering, ist bei kleinen Wellenlängen stärker als bei größeren, deshalb ist der Himmel blau). 47 % werden vom Erdboden und den Wasserflächen absorbiert, wodurch sie sich erwärmen, oder von den Pflanzen bei der Photosynthese aufgenommen. Erdoberfläche und Atmosphäre (inklusive Wolken) schicken ungefähr so viel Energie in Form von Infrarotstrahlung in den Weltraum zurück, wie die Erde von der Sonne erhält. Die Abstrahlung von festen Körpern hat im Allgemeinen die von Max Planck im Jahr 1900 ermittelte Charakteristik (spektrale Leistungsdichte von schwarzen Körpern für verschiedene Körpertemperaturen, von https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=60809691):

Die rote Kurve (300 K) ist nahe an der mittleren Erdoberflächentemperatur von 288 Kelvin (15 °C). Die Intensität ist zudem stark von der Wellenlänge abhängig. Bei 15 µm ist die Abstrahlung etwa 30-mal so stark wie bei 4 µm. Die gelbe Kurve ist die eines schwarzen Körpers mit der effektiven Temperatur der Sonne.

Der Absorptionseffekt der „Treibhaus­gase“ Wasserdampf (H2O), Kohlen­dioxid (CO2) und Ozon (O3) ist in der nächsten Grafik dargestellt (von https://randombio.com/co2.html). Die Abszisse gibt  die Wellenlänge in Mikrometern an, die Ordinate die Absorption des jeweiligen Gases durch die Atmosphäre bei klarem Himmel. Kohlendioxid absorbiert bei 2, 4 und 15 Mikrometer Wellenlänge. 

Aus obigen Überlegungen folgt, dass für die Absorption nur das Wellenlängenband bei 15 µm relevant ist. In diesem Bereich absorbiert auch Wasserdampf. In der Mitte des 15 µm Bandes ist die Absorption durch CO2 gesättigt (100 %), d. h. mehr CO2 bewirkt hier keine zusätzliche Absorption. In den Flanken der Absorptionskurve, bei 14 µm und 16 µm, bewirkt eine höhere CO2-Konzentration eine zusätzliche Absorption. Berechnungen unter der Voraussetzung wolkenlosen Himmels ergeben, dass bei Verdopplung des CO2-Gehalts durch diese zusätzliche Absorption eine Erwärmung zwischen 0,7 °C und 1 °C (= Klimasensitivität) eintreten würde. 

Die von den Gasmolekülen absorbierte Energie wird im Allgemeinen nicht in Form von Strahlung wieder abgegeben, sondern durch elastische Stöße mit anderen Luftmolekülen in Form kinetischer Energie (= Wärme). Den Prozess nennt man Thermalisierung. Die Stoß-Relaxationszeit ist druck- und temperaturabhängig. Sie liegt im Bereich von Nano- bis Mikrosekunden, die Strahlungslebensdauer im Millisekundenbereich (http://www.sealevel.info/Happer_UNC_2014-09-08/Another_question.html). Nicht durch Streuung oder Reflexion, wie oft falsch behauptet wird – auch vom IPCC - sondern durch Konvektion (vertikale Luftbewegungen) wird die Wärme in der Troposphäre verteilt, auch Richtung Boden.

b. Was passiert in Gebieten mit starker Temperaturinversion?

Kühlt CO2 die Atmosphäre, wie manche behaupten? Das kann man dort am besten feststellen, wo die Luftfeuchtigkeit sehr niedrig ist, denn Wasserdampf kommt meist in wesentlich höherer Konzentration vor als CO2 und absorbiert Infrarotstrahlung breitbandiger als CO2, wie obige Kurven zeigen, ist also ein wesentlich stärkeres, meist dominierendes „Treibhausgas“. Deswegen braucht man die angeblich stark positive (verstärkende) Wasserdampf-Rückkopplung, um auf hohe Klimasensitivitätswerte für CO2 zu kommen.

Die nächste Grafik zeigt die vom Nimbus-4-Satelliten gemessenen Emissionsspektren (Leistungsdich­ten) bei wolkenfreiem Himmel im infraroten Bereich für (von oben) Sahara, Mittelmeer und Antarktis (Barrett, 2005). Die Wellenzahl (wavenumber) pro cm gibt an, wie viele Wellenlängen der emittierten Frequenz in einen Zentimeter passen. Die Infrarot-Strahlung stammt vom Boden und von der Atmosphäre. Das CO2-Absorptionsmaximum bei 15 µm entspricht einer Wellenzahl von 660 pro cm. Die gestrichelten Linien repräsentieren die Emissions­spektren von schwarzen Strahlern mit den an den Linien vermerkten Temperaturen.

Das Spektrum der Sahara zeigt im atmosphärischen Fenster (800 bis 1000 cm-1, die Atmosphärengase absorbieren hier kaum), dass die Bodentemperatur etwa 320 K betrug (47 °C), es wurde also gegen Mittag aufgenommen. Im Weltall kommt von der vom Boden abgestrahlten Leistung nicht alles an, weil H2O, CO2 und O3 anteilig absorbieren. Bei Wellenzahlen unter 600 und über 1250 pro cm absorbiert Wasserdampf, bei 1040 cm-1 das Ozon der Stratosphäre (9,6 µm Wellenlänge). Die Emission der CO2-Moleküle (bei 660 cm-1) erfolgte bei einer mittleren Temperatur von 218 K (-55 °C). Das entspricht ca. 10 km Höhe. Die Emissionsspektren von Sahara und Mittelmeer zeigen, dass bei klarem Himmel CO2 einen Teil der vom Boden abgestrahlten Energie zurückhält, also zur Erwärmung der Atmosphäre beiträgt.

In der Antarktis (untere Kurve) sieht es anders aus. Die Bodentemperatur betrug am Tag der Messung ca. 200 K (‑73 °C). Die Emission der CO2-Moleküle (Wellenzahl 600 bis 700 cm-1) erfolgte bei einer mittleren Temperatur von ca. 215 K. Das liegt an der beständigen Inversionswetter­lage, die im Winterhalbjahr besonders ausgeprägt ist. Wie in winterlichen Alpentälern bei klarem Himmel und Windstille ist die Konvektion (Luftzirkulation) unterbrochen, die Lufttemperatur in 50 bis 200 m Höhe ist deutlich höher als am Boden und sinkt mit größerer Höhe langsam ab. Gebiete mit starker Inversion gibt es auch in der Arktis und oft über dem Pazifik vor der amerikanischen Küste. In Summe bestimmen Inversionslagen etwa 10 % der globalen Oberfläche. In diesen ist die Energie­abstrahlung von der warmen Atmosphäre höher als vom kalten Boden. Eine Zunahme des CO2-Gehalts bewirkt in Inversionsgebieten deshalb eine zusätzliche Kühlung (How increasing CO2 leads to an increased negative greenhouse effect in Antarctica, Schmithüsen et al., Geophys. Res. Lett., 2015).

c. Wie wirken „Treibhausgase“ unter optisch dicken Wolken?

Das zeigt obige Grafik von chegg.com (https://www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/4-following-image-shows-two-infrared-spectra-observed-nimbus-4-satellite-point-western-tro-q56960875): Die obere Kurve ist die gemessene Emis­sion bei klarem Himmel mit den Einbrüchen bei 14 µm bis 16 µm (Wellenzahl 600 bis 700 cm-1) durch CO2, bei 9,6 µm (1040 pro cm) durch das Ozon der Strato­sphäre und unter­halb von 600 cm-1 (16 µm) sowie oberhalb von 1250 cm-1 (8 µm) durch Wasserdampf.

Diese Kurve wurde über einer Gewitter­wolke (Thunderstorm Anvil) aufgenommen und zeigt keinerlei Einbrüche. Die effektive Emissionstem­peratur betrug 210 K (-63 °C). Das war die Temperatur der Wolkenoberkante. Die Emission der CO2- und O3-Bänder fand bei im Mittel nur minimal höheren Temperaturen statt. Dass beim Vorhandensein hoher, dicker Wolken der Anteil von CO2 unter diesen Wolken für den Energiehaushalt der Atmosphäre keine Rolle spielt, also keine Erwärmung bewirkt, bestätigt auch Prof. Richard Lindzen (On Climate Sensitivity, 2019). Die Emission durch Wasserdampf spielt auch keine Rolle, weil die Luft über Gewitterwolken extrem trocken ist. Sind hohe, dicke Wolken vorhanden, ist der Energiehaushalt der Atmosphäre unabhängig von der Konzen­tration infrarot-absorbierender Gase, weil die Wolken breitbandig die Infrarotstrahlung absorbieren. Das ist auf der Erde genauso wie auf der Venus oder dem Jupiter mit ihren völlig unterschiedlichen Atmosphären.

d. Wie wirken Rückkopplungen?

Unter Klimasensitivität versteht man die Temperaturerhöhung bei einer Verdopplung des CO2-Gehalts. Diese Verdopplung allein reicht in keinem der zig verschiedenen IPCC-Treibhausmodelle für eine Temperaturerhöhung von mehr als 1 °C aus. Dafür braucht es verstärkende Rückkopplungen.  Als wichtigsten Mechanismus erachtet das IPCC die Wasserdampf-Rückkopplung. Wasserdampf ist ein wesentlich stärkeres „Klimagas“ als Kohlendioxid, was an seinem breiteren Absorptionsspektrum und seiner höheren Konzentration in der Atmosphäre liegt. In den Berichten des IPCC (z. B. Climate Change 2013, Kapitel TS.3.7 Climate Feedbacks) steht, dass durch die globale Erwärmung der Wasserdampfgehalt in der Luft zunimmt, dadurch die Gegenstrahlung weiter steigt und es dadurch – und durch „andere Rückkopplungen“ - zu dem „berechneten“ Wert von 1 bis 6 °C für die Klimasensitivität kommt. Abgesehen davon, dass die Spanne von 1 °C bis 6 °C schon zeigt, dass das grobe Schätzungen sind, die nicht nur auf physikalischen Gleichungen beruhen können, ist es nicht so einfach, Rückkopplungen zu verstehen.

Die Klimamodellierer des Goddard Institute for Space Studies der NASA beschreiben das so (https://www.nasa.gov/topics/earth/features/vapor_warming.html): “Zunehmender Wasserdampf führt zu wärmeren Temperaturen, wodurch mehr Wasserdampf in die Luft aufgenommen wird. Erwärmung und Wasseraufnahme nehmen in einem ständigen Kreislauf zu.“ Und wo hört diese positive, verstärkende Rück­kopplung auf? Wer sagt dem Wasserdampf, dass er mit dem Teufelskreis – mehr Wasserdampf, höhere Temperatur, noch mehr Wasserdampf – bei 1 °C oder 6 °C aufhören soll? Und wer sagt dem Wasserdampf, dass er den Teufelskreis erst starten darf, wenn der Kohlendioxidgehalt steigt und nicht schon, wenn die Sonnenstrahlung zunimmt, das Meereis zurückgeht oder El Niño mal wieder hyperaktiv ist? Alle verlustarmen Systeme mit insgesamt positiver Rückkopplung sind instabil, das weiß jeder Ingenieur, der sich mit Regelungstechnik befasst hat. Lokal und zeitlich begrenzte positive Rückkopplungen (z.B. die Eis-Albedo-Rückkopplung durch die jahreszeitlich veränderliche Meereisfläche) schließt das nicht aus. In jedem stabilen System überwiegen langfristig negative, d.h. dämpfende Rückkopplungen. Dass das Klimasystem stabil ist, zeigen die geringen Temperaturschwankungen über die letzten 10 000 Jahre.
Positive Rückkopplungen im Klimasystem müssen durch gleichzeitige und stärkere negative Rückkopplungen durch z. B. zunehmende Bewölkung (dadurch wird mehr Sonnenstrahlung ins All reflektiert) und/oder einen reduzierten Temperaturgradienten (resultiert in geringerer Erwärmung unter Wolken) kompensiert werden. Richard Lindzen, emeritierter Professor für Meteorologie am Massachusetts Institut of Technology, verglich die Oberflächentemperatur der tropischen Meere mit Satellitenmessungen der abgestrahlten Energie und den IPCC-Klimamodellen und stellte fest:
„Alle Modelle stimmen in Bezug auf positive Rückkopplung überein, und alle Modelle stimmen mit den Beobachtungen überhaupt nicht überein.“ (On the determination of climate feedbacks from ERBE data, Lindzen und Choi, 2009)

John Clauser, der 2022 den Physik-Nobelpreis erhielt, sagt dazu, dass die Wolken der natürliche Thermostat der Atmosphäre sind. Die falsche Annahme verstärkender Rückkopplungen ist in der Klimawissenschaft so beliebt wie die falsch berechneten 33 °C Temperaturerhöhung durch die „Klimagase“ oder der angebliche „galoppierende Treibhauseffekt auf der Venus“.

e. Wie groß ist die Klimasensitivität von Kohlendioxid?

Weil die Rückkopplungen insgesamt negativ sein müssen, muss die Klimasensitivität von CO2 inklusive Rückkopplungen weniger als die 1 °C von CO2 allein betragen. Sie wird in Veröffentlichungen von Wissenschaftlern, die sich auch messtechnisch mit Rück­kopplungen befassen, mit 0,5 °C bis 0,7 °C angegeben (Radiation Transfer Calculations and Assessment of Global Warming by CO2, Harde 2017, On the determination of climate feedbacks from ERBE data, Lindzen und Choi 2009). Die kühlende Wirkung in Inversionsgebieten und die Wirkungslosigkeit unter hohen, dichten Wolken, wird dabei aber nicht immer berücksichtigt. Was bedeutet das in Summe für die Gleichgewichtsklimasensitivität? Meine konservative Schätzung: Der wärmende Einfluss überwiegt, liegt aber deutlich unter dem, was die IPCC-Modelle prophezeien: bei einer Verdopplung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre erhöht sich die Temperatur um etwa 0,5 °C. Wer sich an dem Wort Schätzung stört, sei darauf hingewiesen, dass es im 2021er IPCC-Bericht 3075-mal vorkommt (estimat…). Kombiniert mit dem moderaten Anstieg des CO2-Gehalts ergibt das einen Temperaturanstieg (abgesehen von natürlichen Schwankungen) bis zum Jahr 2100 von 0,1 °C bis 0,2 ° und ist damit völlig unkritisch, denn wärmer ist besser!

Weitere Details findet man im Dokument "Gibt es eine Klimakrise?" auf der Webseite www.klimawahrheiten.de.