Atmosphäreneffekt - Gegenstrahlung
Der "Kreislauf" der langwelligen Strahlung in der unteren Troposphäre
 
Heinz Fortak: Der „Kreislauf“ der langwelligen Strahlung zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre trägt nicht zur Erwärmung des Systems bei (Meteorologie, 2. Aufl., Reimer, 1982, S. 26).
 
Wenn Bodenabstrahlung im Mittel gleich der atmosphärischen Gegenstrahlung wäre, dann würden beide Emitter im Mittel gleich viel infrarote Strahlung absorbieren und emittieren. Die mittlere Temperatur beider Emitter würde sich dadurch nicht verändern.
 
Ist das möglich? Aber ja.
 
*Zieht man nämlich von der Bruttostrahlung des Bodens die Strahlungsintensität ab, die in den Wellenlängen des IR-Strahlungsfensters die Atmosphäre passieren kann (und nur dort!), bleibt als Differenzstrahlung des Bodens übrig, die in die Atmosphäre eintreten kann: die Bruttostrahlung minus die Nettostrahlung. Das sind (mit den Zahlenwerten von Trenberth et al., 2009: 396 – 63 = 333 W/m²).
 
*Die atmosphärische Gegenstrahlung (mit einer effektiven Emittertemperatur von 277 K) sendet in Richtung Boden nach Stefan-Boltzmann im Mittel 333 W/m².
Die Intensität der atmosphärischen Gegenstrahlung entspricht im Mittel der Intensität der Bruttostrahlung minus Nettostrahlung des Bodens.  Oder: Das Verhältnis der Intensität der atmosphärischen Gegenstrahlung zur Intensität der Evapotranspiration des Bodens (als ihrer Hauptquelle) ist annähernd konstant.
Das ist also knapp gefasst der „Strahlungskreislauf“ nach Fortak in der unteren Atmosphäre.
 
Nun muss man sich noch die Art des Emitters der atmosphärischen Gegen­strahlung ansehen. Es handelt sich im Wesentlichen um einen Flüssigwasser-Emitter, der durch Kondensation von Wasserdampf entsteht und beispielsweise als flache Unterseite von Haufenwolken auch optisch in Erscheinung tritt – ganz besonders wirksam im Tropengürtel der Erde, wo die bestimmenden Wasser­mengen im Erdklimasystem auftreten. Charakteristisch ist dafür eine effektive Emittertemperatur in der Nähe von 4°C, also bei der größten Dichte von Wasser. Beide Emitter des"Kreislaufs" werden folglich hauptsächlich durch Flüssigwasser geprägt.
 
Die Folge: Die Differenz-Bodenstrahlung kann diese Wassersperre nicht durch­dringen und dann auch nicht weiter oben in der Troposphäre, wo das Verhältnis Stoßabre­gung/Strahlungsabregung auf Grund der geringeren Dichte der Atmosphäre zugunsten der Strahlungsabregung ausschlägt, vom Kohlenstoffdioxid absor­biert/reemittiert werden – dann eben auch nicht nach unten strahlen, um so in die Gegenstrahlung einzufließen. Es verbleibt lediglich eine verbesserte Abstrahlung ins All, also eine Kühlungsfunktion.
 
Zusammengefasst: Das Erdklimasystem wird unten in der Troposphäre qualitativ durch Wasser charakterisiert, oben in der Troposphäre durch Kohlenstoffdioxid. Der Wärmetransfer in der Troposphäre vollzieht sich materie-gebunden (Konvektion), nicht durch Strahlung. Die optische Tiefe der Troposphäre (für IR-Strahlung) ist nicht einseitig zunehmend von oben nach unten (wie allgemein dargestellt), sondern am Oberrand wie am postulierten Unterrand der Atmosphäre 0, weiter nach innen 1, und verfügt inmitten der Troposphäre über einen maximalen Wert (grob abgeschätzt: 1,9).
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