Nachdenkliches zum Klima auf der Erde
im Vergleich zu ihren beiden Nachbarplaneten im All
Erde - Venus, Mars

Es gehört heute zum Allgemeingut des Wissens, das Klima mit dem Gehalt einer Planeten­atmosphäre an Kohlendioxid zu verbinden. Je mehr davon vorhanden ist, desto höher ist der Anteil Bodenabstrahlung, der in der Atmosphäre absorbiert wird und folglich nicht mehr ins All abgestrahlt werden kann. Kohlendioxid spielt deshalb für Erdverhältnisse eine besondere Rolle als Treibhausgas, weil es durch menschliche Wirtschaftstätigkeit beständig vermehrt wird und damit als hauptverantwortlich für die anthropogene globale Erwärmung angesehen werden kann. Also: Je mehr Kohlendioxid und weitere Treibhausgase in einer Planeten­atmosphäre vorhanden sind, umso wärmer droht diese zu werden und mit ihr das ganze zugehörige planetare Klimasystem. Diese Sachlage wird im allgemeinen Sprachgebrauch als Treibhauseffekt wahrgenommen. Wichtig ist hier festzuhalten, dass gedanklich dieser Treibhauseffekt an die Bodenab­strah­lung im infraroten Wellenlängenbereich gebunden ist.

Kohlendioxid gibt es in den Atmosphären aller drei zu betrachtenden Planeten. Abschrecken­des Bei­spiel ist die Venus. Sie verfügt über so viel Kohlendioxid, und das ist so dicht gepackt, dass es an ihrer Oberfläche unerträglich heiß ist: etwa 500 °C. Die Erde kann dagegen heute mit einer angenehmen globalen Mittel­temperatur von etwa 18 °C aufwarten. Wenn wir Menschen allerdings weiterhin so viel Kohlendioxid produzieren wie in den letzten 150 Jahren, dann ist es mit dem angenehmen Klima bald vorbei und es droht uns ein ähnliches Schicksal wie der Venus zu widerfahren. Es wird unerträglich heiß. Was aber ist mit dem Mars, der ebenfalls sehr viel CO2 in seiner Atmosphäre hat, jedoch kalt ist – etwa im Mittel - 60 °C? Nun, die Atmo­sphäre ist vielleicht zu dünn, um warm werden zu können oder der Mars ist einfach zu weit von der Sonne entfernt, um noch genügend Strahlungs­wärme abzubekommen. Dann allerdings sollte uns eigent­lich auf der Erde, wegen der größeren Entfernung zur Sonne im Vergleich mit der Venus, ein Schicksal wie dieser von Natur aus auch erspart bleiben?

Ganz so einfach wie auf den ersten Blick scheinen die Klimadinge also doch nicht zu liegen. Dass die Wärme auf den drei Planeten von der Sonne kommt, und nur von ihr, steht wohl außer Frage. Jedoch: Die mittlere Entfernung zur Sonne ist nur eine Einflussgröße auf das Planetenklima. Was geschieht mit der von der Sonne im planetaren Klimasystem empfan­genen Strahlungsenergie? Sie wird – je nach Dichte und Zusammensetzung der Atmosphäre – im planetaren Klimasystem absorbiert, letztlich vor allem im festen oder flüssigen Boden der Planeten, auf dem die jeweilige Atmosphäre aufliegt. Damit verschwindet die Sonnen­strahlung vollständig. Der erwärmte Boden strahlt anschließend im Bereich von infraroten Wellen die empfangene und umgewandelte Sonnenwärme wieder ab. Zumindest versucht er es. Hier können sich elementare Verständnisprobleme auftun. Was ist beispielsweise, wenn der Wärmetransfer in der Troposphäre gar nicht auf dem Strahlungsweg erfolgen kann, sondern stattdessen materie-gebunden, also auf dem Weg der Konvektion, erfolgt? Dann entfiele die partielle Absorption der Bodenabstrahlung an den Treibhausgasen, darunter auch am Kohlendioxid. Ein Mehr an Kohlendioxid würde damit zum Beispiel zu keinem größeren Treib­hauseffekt führen. Einen Temperatureffekt gäbe es jedoch trotzdem, da sich in jedem Falle ein Temperaturgradient in der Atmosphäre ausbildet, wenn sich Luftpakete in ihr adiabatisch, ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, aufwärts bewegen.

Bei der Venus würde die Bodenstrahlung auf eine sehr dichte, sehr opake Atmo­sphäre treffen, in der die Strahlung quasi zu ersticken drohte. Die Folge: Der Venus­boden würde  die von der Sonne empfangene Wärme vorrangig auf dem Weg der Konvektion, nicht radiativ, wieder loswerden müssen. Bevor nämlich bei der vorherrschend außeror­dentlich hohen Dichte der unteren Venusatmosphäre eine Strahlungsreemission einsetzen könnte, bewirkten die Stöße der angeregten infrarot-aktiven Moleküle mit anderen Atmo­sphäre­teilchen, dass eine weitaus wahrschein­lichere Stoßab­regung, im Vergleich mit der Strah­lungs­­abregung, die Anregungsener­gie abbaut. Erst viel weiter oben in der Atmosphäre, bei entsprechend niedriger Dichte, erlangt die Strahlungsemission einen so hohen Anteil, dass die Atmo­sphäre, dann aber über ihren oberen Rand hinaus, abstrahlt, das heißt ins All. Damit wird im stationären Fall die von der Sonne empfangene Strah­lungsenergie wieder auf dem Strahlungsweg abgeführt – allerdings in einem anderen Wellenlängenbereich, im mittleren und fernen Infrarot und darüber hinaus.

Die wichtige Strahlungsdurchlässigkeit einer Atmosphäre im infraroten Wellenlän­gen­bereich kann durch zwei mess­bare Größen charakterisiert werden: ihre Dichte und ihre Opazität. Letztere wird durch die stoffliche Zusammen­setzung bestimmt, hier vordergründig durch den Gehalt an Kohlen­dioxid. Es handelt sich um eine massebezogene Größe, gemessen in m² je kg. Dabei gilt: Je dichter eine Atmosphäre ist und je mehr sie Kohlen­dioxid enthält, desto geringer ist ihre Strahlungsdurchlässigkeit im infra­roten Bereich. 

Bei der Venus sorgen die außer­ordentlich hohe Dichte und die außer­ordentlich hohe Opazität des CO2 dafür, dass ein Strahlungstransport wenig wahrscheinlich ist; die Boden­wärme wird vor allem materie-gebunden nach oben ge­tragen. Beim Mars liegt, wegen des hohen CO2-Gehalts, zwar eben­­­falls eine hohe Opazität vor, dafür jedoch eine sehr geringe Dichte. Daher wird insgesamt die Bodenwärme praktisch direkt vom Boden ins All abgestrahlt. Bei der Erde hat man es mit mittleren Werten zu tun. Die Atmosphäre besitzt nur eine relativ geringe Dichte und wegen des niedrigen (wenn auch ansteigen­den) CO2-Gehalts nur eine relativ geringe Opazität. Sie müsste daher eigentlich die Wärme auf dem Strah­lungsweg transpor­tieren können. Eigentlich – denn nun kommt das Wasser ins Spiel.

Mehr als 70% der Erdoberfläche besteht aus flüssigem Wasser. Durch natürliche und anthropogene Prozesse wird Wasser verdunstet und in die Atmosphäre eingetragen. Dort kondensiert es, wenn auch nur zu einem insgesamt gerin­gen Teil, sichtbar zum Beispiel als Wolken, wobei hier besonders die durchweg flache Unterseite von Haufenwolken hervor­geho­ben werden soll. Flüssiges Wasser und Wasserdampf bilden in der unteren Atmosphäre eine Art Wassersperrschicht, die den entscheidenden Teil der Boden­strahlung absorbiert und dann wieder zur Erdoberfläche zurück emittiert – als so genannte atmosphä­ri­sche Gegenstrahlung. Es entsteht somit in der unteren Atmosphäre eine ausgeprägte Wärme­strahlungszone, mit jeweils annähernd der gleichen Strahlungs­intensität in beiden Richtun­gen – und darum wir­kungs­los bezüglich der Temperatur an beiden Strahlungs­kör­pern. Nur einem sehr kleinen Teil der Bo­denstrahlung gelingt es nämlich im Durch­schnitt, in den Wellenlängen des infra­roten Strahlungsfensters, direkt vom Boden das All zu erreichen. Der weitaus größere Teil der Boden­abstrah­lung wird eben durch Wasser/Was­ser­dampf absor­biert, womit verhindert wird, dass er in der Atmosphäre weiter als Strahlung aufsteigen und somit in größerer Höhe – wenn die Dichte entsprechend gering geworden ist – vom Kohlen­dioxid absorbiert und reemittiert werden kann. Die Folge: Ein Mehr an CO2 in der Atmo­sphäre verursacht daher keines­wegs automatisch mehr Ab­sorp­tion und Re­emission, dann natürlich teilweise auch nach un­ten, weil eben gar keine Boden­strahlung bis in diese Höhe vordringen kann. Es ist ein weit verbreiteter Irrtum anzunehmen, dass die Erdatmo­sphäre generell – über den unteren Bereich hinaus – für infrarote Boden­strahlung durchlässig wäre. Sie ist es nicht, und zwar dank des Wassers. Dabei bringt vor allem das flüssige Wasser die erfor­derliche Dichte und Opazität auf, die das Kohlendioxid nicht liefern kann.

Da terrestrische Wärmestrahlung aus der Atmosphäre sowohl nach oben, ins All, als auch nach unten, in Richtung Boden (als Gegenstrahlung) ausgesendet wird, kann die optische Tiefe der Atmosphäre nicht, wie allgemein angenommen wird, einseitig von oben nach unten zunehmen. Sie erreicht innerhalb der Atmosphäre einen maximalen Wert und nimmt nach oben und nach unten gegen null ab. Die optische Tiefe ist ein zusammengefasstes Merkmal für die Strahlungs-Durchlassfähigkeit der Atmosphäre. An den Rändern der Atmosphäre, oben und unten, trifft man jeweils eine optische Tiefe von null an. Qualitativ wird die optische Tiefe unten durch Wasser bestimmt, weiter oben in der Troposphäre durch Kohlendioxid.

Mit steigendem Wassergehalt, durch mehr Verdunstung und Kondensation, verringert sich der vertikale Temperaturabbau in der Atmosphäre. Gleichzeitig wird mit der dabei ansteigen­den Wasserdichte der Strahlungskörper in der unteren Atmosphäre, der die atmosphärische Gegenstrahlung in Richtung Boden bestimmt, zunehmend aufgebaut, womit wiederum die infrarote Bodennetto­strahlung verringert wird. In diesem Höhenbereich der Atmosphäre kann ein mittlerer Temperaturgradient von etwa 6,5 Grad je km angenommen werden. In jedem Fall  nähert sich mit weiter steigender Höhe der Temperaturgradient dem adiabatischen Wert von etwa 10 Grad je km an; die Erdatmosphäre wird trocken.

Im stationären Regime ist das Erdklimasystem durch eine Reihe von festen Beziehungen und internen Kreisläufen von Energie und Masse gekennzeichnet: Die mittlere Intensität der solaren Zustrahlung zum Boden ist gleich der Summe der materie-gebundenen Wärme­abfuhr von ihm und der Bodennettoabstrahlung in den Wellenlängen des infraroten Strah­lungsfensters. Die mittlere Boden­tem­peratur bleibt unverändert. Wie bereits erwähnt, ist die mitt­lere Intensität der atmosphä­rischen Gegenstrahlung gleich der Differenz zwischen Bodenbruttoabstrahlung und Bodennettoabstrahlung. Die mittlere Niederschlagsrate ist gleich der mittleren Verduns­tungsrate. Die mittlere Masse der adiabatisch aufsteigenden Luftpakete ist gleich der mittleren Masse der adiabatisch absteigenden Luftpakete.

Bei der Venus weist allerdings das Auftreten auch eines pseudo-adiabatischen Temperatur­gradienten, der unter 10 Grad je km liegt, darauf hin, dass in der unteren Atmosphäre eben­falls eine Art Wärmestrahlungszone wie auf der Erde herrschen könnte – vielleicht hervor­gerufen beispielsweise durch atmosphärische Beimengungen vulkanischen Ursprungs. Wie auf der Erde, würde in dieser Zone auch kein Netto-Energietransfer nach oben oder nach unten stattfinden. 

Letztlich ist es das fehlende flüssige Wasser, das unsere beiden Nachbar­planeten klimato­logisch so fremdartig macht – bei der Venus auf Grund der Sonnennähe, die unter anderem dazu führt, dass das Wasser­molekül im äußeren Randbereich der Atmosphäre sogar radiativ gespalten werden kann; beim Mars ist es die geringe Gravi­tation, die es ihm nicht gestattet, dauerhaft eine einiger­maßen dichte Atmosphäre mit einem genügenden Druck am Planeten­boden zu halten.

Diese Schlussfolgerungen befinden sich in guter Übereinstimmung mit dem Schwarzschild-Kriterium. Es besagt, dass etwa ab adiabatischem Wärme­trans­fer, also bei der zutreffenden Gaszusammensetzung etwa ab einem Tempe­raturgradienten von 10 Grad je Kilo­meter, der Wärmetransport in einer Gasatmo­sphäre nicht mehr auf dem Strah­lungs­­weg bewerkstelligt werden kann. Einen solchen Grenz-Tempe­ratur­gradien­ten findet man sowohl in der kon­vektiven Wärmetransportzone der Sonne wie auch in den Atmosphären von Venus und Erde – bei der Erde allerdings erst in einer etwas größeren Höhe, bei der die Atmosphäre generell trocken wird. In diesen Atmo­sphärenbereichen liegt also in allen drei so unter­schiedlichen Himmelskörpern ein gleich­artiger konvektiver Wärme­transfer vor. Nur beim Mars fällt er aus – weil die heutige Mars­atmo­sphäre so außeror­dentlich dünn ist. Es gibt in ihr also keinen atmosphäri­schen Temperatureffekt. Jeder andere Himmelskörper im Sonnensystem, wenn er über eine einigermaßen dichte Atmosphäre ver­fügt, weist jedoch einen solchen atmo­sphärischen Temperatureffekt auf. Das heißt, er strahlt die empfangene Strahlungsenergie nicht von seiner Oberfläche – bei den Gas­riesen auch von einer pos­tulierten Oberfläche in Höhe des Drucks von 1 Bar –, sondern erst von einer charak­teristischen Atmosphärenhöhe ober­halb der Oberfläche, folglich bei niedrigerer Tem­pe­ratur als der Boden­temperatur, ab. Allerdings werden adiabatische Verhältnisse wegen der ande­ren Gaszusammensetzung der Gasriesen bei einem anderen, niedrigeren Zahlen­wert des Temperaturgradienten erreicht (um etwa 1 Grad je km).

Auf den Anfang zurückgekommen heißt das, dass die Klimavorgänge doch nicht so einfach sind, wie sie häufig dargestellt werden, insbesondere im Hinblick auf das CO2. Das klimato­logisch so viel bedeutsamere Wasser wird in der Regel sträflich vernachlässigt, wenn es vor allem um den anthropogenen Einfluss auf das Klima geht. Wasser tritt dabei an die Stelle des Kohlendioxids – mit weit reichenden Folgen.

An das IPCC („UN-Weltklimarat“) gerichtet, bedeutet es, dass manches wohl grundsätzlich umgedacht werden muss und die Hausaufgaben noch längst nicht erledigt sind.

© Copyright by Dr. Wolfgang Brune, Leipzig, 2014. Freigabe nur durch den Autor. eMail-Adresse: info@wolfgang-brune.eu. Stellungnahmen sind ausdrücklich erwünscht.