Das Geheimnis um die atmosphärische Gegenstrahlung

Dr. Wolfgang Brune

Es ist zunächst nicht mehr als ein Indiz: die Zahl 277. Aber sie hat es in sich, wenn sie sich tatsächlich als das entpuppt, was sie als nüchterner Zahlenwert ausdrückt, nämlich die Temperatur 4 °C für flüssiges Wasser. Das erinnert an die Dichteanomalie des Wassers. Es handelt sich bei ihr um die effektive Temperatur, bei der ein Emitter - zu wesentlichen Teilen Flüssigwasser - in der unteren Troposphäre eine mittlere globale atmosphärische Gegenstrahlung in der Nähe von 333 W/m² in Richtung Erdboden sendet [Zahlenwert nach Trenberth et al., 2009 earth's global energy budget. Bull. Am. Met. Soc., 90, 2009, 311-323].
Die Gegenstrahlung ist genauso real wie die Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht; sie wird auch fortwährend lokal gemessen. Nur kann sie die Erdoberfläche zusätzlich zur Sonne nicht erwärmen, da die Erdoberfläche im Mittel eine gleich intensive Wärmestrahlung in die untere Troposphäre schickt.

Im Folgenden wird untersucht, welche Auswirkung eine solche Gegenstrahlung aus der unteren Atmosphäre auf die vertikale Ausbreitung der Bodenwärmestrahlung in der Erd-Atmosphäre hat und wie sich in der Erd-Atmosphäre schließlich eine durchgehende konvektive Wärmetransportzone ausbilden kann - im Vergleich mit Konvektionszonen in der Sonne und in der Venus-Atmosphäre:

Über das Schwarzschild-Kriterium und konvektive Wärmetransportzonen in den Atmosphären von Sonne, Venus und Erde

Die Sonne gehört zu den zahlreichen „normalen“ Sternen, deren Atmosphäre neben einer Strahlungs­zone auch über eine konvektive Wärmetransportzone verfügt. Bekanntlich drückt das Schwarzschild-Kriterium die Bedingung dafür aus, dass Konvektion einsetzt:  

(dT/dr)Rad  > (dT/dr)adiab = |g/cP|

Konvektion stellt sich also dann ein, wenn der Temperaturgradient für den Strahlungstransport über dem adiabatischen Temperaturgradienten liegt.

Rad – Strahlung; adiab – adiabatisch; T – Temperatur; r – Radius; g – Gravitationskonstante; cP spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck

Der Temperaturgradient der konvektiven Wärmetransportzone der Sonne lässt sich grob aus dem Temperaturrückgang über dieser Zone ermitteln:      

delta T/delta r = 2 . 10 hoch 6 /  2 . 10 hoch 5  K/km = 1/100.000 K/mm

Er beträgt rund ein Hunderttausendstel eines Grads je Millimeter. Er ist damit so gering, dass kein Unterschied mehr zwischen der Strahlungsintensität von unten zu der von oben besteht. Über Strahlung lässt sich daher keine Wärme transportieren; der Eddington-Fluss ist in etwa null.

Betrachtet man dazu im Vergleich die Atmosphäre der Venus. Die europäische Mission Venus-Express hat auf dem Planeten ebenfalls eine Temperatursenkungsrate in der Größe von 10 K/km  festgestellt, die sich auch rechnerisch aus Gravitationskonstante und spezifischer Wärme bei konstantem Druck ermitteln lässt: 

8,8989 m/s² / 0,8501 kJ/kg K = 10,47 K/km

Der Wärmetransport in der Venus-Atmosphäre sollte danach auch konvektiv erfolgen, was verständlich ist, wenn man die hohe Atmosphärendichte am Boden (65 kg m-3) und die hohe IR-Strahlungsabsorption des Kohlenstoffdioxids bedenkt. Hinzu kommt noch die geschlossene Wolkendecke, die keine Strahlung ungehindert passieren lässt.

Erstaunlich bleibt jedoch auf den ersten Blick, dass auch in der Atmosphäre der Erde ein beinahe gleicher (trocken-adiabatischer) Temperaturgradient auftritt:      

9,8 m/s² / 1,004 kJ/kg K = 9,76 K/km

Das, obwohl die Dichte der Erdatmosphäre am Boden (1,3 kg m-3) sehr viel geringer ist und die Atmosphäre hauptsächlich aus den IR-inaktiven Gasen Stickstoff und Sauerstoff besteht. Der beobachtbare und berechnete Temperaturgradient in der Erd-Atmosphäre spricht jedoch eindeutig für einen konvek­tiven Wärmetransport. Das ist objektiv nur dann zu erklären, wenn in der unteren Atmosphäre ein Prozess stattfindet, der das Eindringen von Bodenwärmestrahlung in die Atmosphäre verhindert. Dann nämlich wäre es möglich, dass trotz vorhandener IR-Sensitivität von Spurengasen in der Atmo­sphäre kein Wärmetransport über den Strahlungsweg erfolgen kann.

Ein solcher Prozess findet – im Zusammenwirken zweier Teil-Prozesse – tatsächlich in der Erd-Atmosphäre statt:

*einmal ist es das Vorhandensein eines IR-Strahlungsfensters; es ermöglicht in den Wellenlängen von etwa 8 bis etwa 13 µm bei klarem Himmel das direkte partielle Abstrahlen vom Boden ins All (bei bedecktem Himmel wird ein Teil der Bodenstrahlung in den Wolken absorbiert) – in diesem Bereich gibt es keine Absorptionsbanden der Haupt-Spurengase der Atmosphäre (nur Ozon)

*zum anderen ist es die atmosphärische Gegenstrahlung, die in gleicher Intensität (bei rechneri­schem Abzug der Strahlung im IR-Strahlungsfenster) und gleich-geartet der Bodenwärmestrahlung entgegenkommt und sie energetisch neutralisiert – sie entsteht in etwa 2 km Höhe, hauptsächlich auch durch atmosphärische „Flüssigwasserkörper“ (wie Wolken usw.), was mit der effektiven Temperatur dieser Gegenstrahlung (in der Nähe von 277 K) nahegelegt wird

Vergleicht man unter diesen Gesichtspunkten die Atmosphären-Verhältnisse von Venus und Erde, so ergibt sich die Schlussfolgerung, dass offenbar die Venus den planetaren Normalfall darstellt, die Erde dagegen die Ausnahme – in ihr gibt es einzigartige Besonderheiten. Im Klimasystem der Erde sorgen in der unteren Atmosphäre die geringe Dichte und die geringe Opazität der Hauptgase Stickstoff und Sauerstoff dafür, dass es keine extrem kurze Strahlungsweglänge gibt. Es bildet sich, bis in eine Höhe von etwa 2 km, eine terrestrische Wärmestrahlungszone aus, der sich dann nach oben, bis zur Tropopause, eine konvektive Wärmetransportzone anschließt.

Bemerkenswert ist, dass offenbar Wärmeübertragung mittels Strahlung innerhalb von ausreichend dichten Planeten-Atmosphä­ren keine bestimmende Rolle spielt.

Siehe zur Ergänzung auch:  Die 3 bestimmenden Temperaturen im Erd-Klimasystem.

© by Wolfgang Brune, Dezember 2012. Genehmigung zur  Verwendung bzw. Vervielfältigung unter:

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