DAS STRAHLUNGSFENSTER UND ANDERE BESONDERHEITEN DES ERDKLIMASYSTEMS:

Über den vertikalen Energietransport in der Atmosphäre und seine Auswirkungen auf das Klima

Wolfgang Brune

Früherer Geschäftsführer des Instituts für Energetik und Umwelt, Leipzig (Deutschland)

((Original in Englisch, Roh-Übersetzung ins Deutsche durch den Autor))

Zusammenfassung

Der vertikale Energietransport in der Erdatmosphäre erfolgt klimawirksam im Prinzip durch Strahlung oder Konvektion. Unter Beachtung des Schwarzschild-Kriteriums besteht die Gesamtwirkung in einer ganz  eigentümlichen Mischung von Strahlung und Konvektion.

Schlüsselwörter

Atmosphärisches Fenster, Klimasystem, Energietransport, untere Strahlungszone, Strahlungs-Sperrschicht, Schwarzschild-Kriterium

1. Das infrarote Strahlungsfenster bei klarem Himmel

Das infrarote Strahlungsfenster (ca. 8 – 12 µm) spielt eine bedeutsame Rolle in der Wärmeabfuhr von der Erdoberfläche (gesamt ca. 240 W/m²; alle mittleren Zahlenangaben für die Strahlung nach Trenberth, 2009). Die Wirkungen durch das Fenster werden weniger durch die mittlere Strahlungsintensität, sondern mehr durch die Modalität der Wärmeabfuhr bestimmt. Infrarote Strahlung von der Erdoberfläche kann unmittelbar in das All gelangen, wenn der Himmel klar oder teilweise bedeckt ist. Die Wärmeabfuhr ist für Oberflächenstrahlung außerhalb des infraroten Fensters jedoch nicht gegeben.

Wo der Himmel vollständig von Wolken bedeckt ist, ist folglich auch das atmosphärische Strahlungsfenster für Strahlung vollständig geschlossen. Das heißt jedoch nicht, dass es dann keinen vertikalen Energietransport durch die Atmosphäre gäbe: er findet durch Konvektion statt. Innerhalb des Wellenlängenbereichs des infraroten Fensters generiert die Bildung von Gewitterwolken (die sich aus den Haufenwolken nach oben entwickeln) einen effektiven materie-gebundenen Mechanismus, der den vertikalen Energietransport ermöglicht, insbesondere in der heißen und feuchten Tropenregion. Im Mittel werden ca. 40 W/m² über diesen Wolkenweg ins All abgestrahlt.

Während durch die Gewitterwolken die Energie materie-gebunden nach oben transportiert wird, werden zusätzlich im Mittel ca. 23 W/m² seitlich in die Troposphäre abgestrahlt. Dieser Wärmefluss vereinigt sich mit dem Teil der solaren Strahlungszufuhr, der in der Atmosphäre absorbiert wird (79 W/m²), steigt mit ihm materie-gebunden auf und erreicht damit die Abstrahlungshöhe.

2. Die infrarote Strahlungs-Sperrschicht in der Atmosphäre

Es ist erfahrungsgemäß klar, dass Strahlung in den Wellenlängen außerhalb des Strahlungsfensters die Troposphäre nicht durchdringen kann – weder von unten (als Wärmeabstrahlung von der Erdoberfläche) noch von oben (indem der Erdoberfläche Wärme hinzugefügt wird). Da die Hauptelemente der Luft (Stickstoff und Sauerstoff) keine solche Strahlungsbarriere bilden können, muss sie aus IR-strahlungs-aktiven Elementen der Atmosphäre gebildet werden. In erster Linie betrifft das solche infrarot-aktiven Spurengase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Methan. Dann spielt aber auch das Flüssigwasser der Wolken eine signifikante Rolle. Es verändert vollständig die Strahlungseigenschaften der Erdatmosphäre, unter anderem durch Bildung einer wirksamen Strahlungsbarriere. Die horizontale Unterseite der Haufenwolken, die infolge von aufsteigenden Luftpakten, die Wasserdampf mit sich führen und dann kondensieren, gebildet wird, formen eine wohl-definierte Schicht (immer in etwa in vergleichbaren Höhen in einer gegebenen Region), die infrarote Strahlung – unabhängig von ihrer Ursprungsrichtung – absorbieren kann. Die gravitations-beeinflusste Schichtung des Flüssigwassers führt an der Unterseite der Haufenwolken zu relativ konstanten Temperaturen (in Folge der Dichteanomalie von Wasser, die zum Beispiel in der Schichtung von stehenden Gewässern im Winter beobachtet werden kann). Folglich kann dieser Flüssigwasserschicht in der Atmosphäre eine Temperatur von ca. 277 K zugeordnet werden, s. auch Brune, 2015, S. 17 f.

Die Unterseite der Haufenwolken erscheint normalerweise in einer Höhe in der Größenordnung von etwa 1 km, bei der die Atmosphärendichte noch ausreichend hoch ist, damit angeregte infrarot-aktive Moleküle in energetisch niedere Zustände eher durch Zusammenstöße als durch Strahlung übergehen können. Dabei können sie auch die Temperatur ihrer Umgebung annehmen, was die Absorptionsfunktion von Flüssigwasser verstärkt und besonders bedeutsam ist, wenn der Himmel klar ist. Strahlungsbilder, die die lokale Emission von Infrarot-Strahlung von oben in Richtung Erdoberfläche zeigen, weisen außerkalb der Wellenlängen des Fensters immer auf annähernd die gleiche Emissionstemperatur hin – gleichgültig, ob Wolken vorhanden sind oder nicht. Das trifft sowohl für die linke Seite als auch die rechte neben dem Fenster zu. Ganz anders innerhalb des Strahlungsfensters.

Bild 1 zeigt schematisch diese mittlere Nach-unten-Strahlung innerhalb und außerhalb der Wellenlängen des Fensters. Die globale mittlere Abwärtsstrahlung, bei einer mittleren Wolkenbedeckung von ca. 60%, wird durch die mittlere Kurve innerhalb des Strahlungsfensters repräsentiert. Außerhalb des Fensters ist die mittlere Planck-Muster-Kurve (bei einer Temperatur von ca. 277 K) repräsentativ. Hier kann keine infrarote Strahlung die Atmosphäre passieren (der vertikale Energietransport erfolgt konvektiv anstatt radiativ). Das bedeutet zugleich: Der maximale Wert der optischen Dicke an dieser Stelle ist so groß, dass der Durchgang der gesamten infraroten Strahlung durch die Atmosphäre gestoppt wird.

Abwaertsstrahlung.pdf

Bild 1: Schematische Darstellung der mittleren Abwärtsstrahlung. Im Zentrum ist eine Plancksche Musterkurve bei T = 277 K dargestellt. Innerhalb des Strahlungsfensters (8 – 12 µm) sind Abwärts-Strahlungs-intensitäten schematisch in zwei Höhenlagen wiedergegeben: am Grund bei klarem Himmel mit einer Intensität von etwa null, darüber bei partieller Bewölkung. Diese beiden Kurven unterscheiden sich deutlich von der Musterkurve (bei völlig bedecktem Himmel). Links laufen die Kurven zusammen, als eine einzige Kurve, und liegen ganz dicht an der Planckkurve – völlig unabhängig von der Bewölkung. Rechts ergibt sich dasselbe Bild.

3.  Die untere Strahlungszone in der Troposphäre

Die oben beschriebenen Überlegungen sind noch einmal schematisch in Bild 2 zusammengefasst. Das Erdklimasystem besteht danach aus drei diskreten Strahlungsquellen: der Erdoberfläche, der Strahlungsbarriere und der Abstrahlungsschicht in das All. Diese Schichten umfassen die Erdkugel als konzentrische Kugelhüllen und können zu unserer Zeit mit mittleren Temperaturen von ca. 289 K, ca. 277 K und ca. 255 K charakterisiert werden. Entsprechend dem Stefan-Boltzmann-Gesetz können daraus die folgenden Strahlungsintensitäten ermittelt werden: 396 W/m² (nach oben emittiert); 333 W/m² (nach unten emittiert) und 240 W/m² (nach oben, in das All emittiert). Wenn die mittlere Strahlungsintensität von der Erdoberfläche innerhalb der Wellenlängen des IR-Fensters (63 W/m²) von der mittleren Gesamt-Strahlungsintensität der Oberfläche (396 W/m²) subtrahiert wird, ergibt sich eine nach oben gerichtete Bodenstrahlung außerhalb des IR-Fensters von (396 – 63) W/m² = 333 W/m². Das ist der gleiche Betrag, der von der Strahlungsbarriere nach unten gerichtet ist. Folglich sind im Bild beide Strahlungspfeile von gleicher Größe.

Die optische Dicke (als t bezeichnet)  auf der rechten Seite des Bildes 2 wird normalerweise von oben nach unten angegeben. Daher kennzeichnet der Wert am oberen Rand der Strahlungsschicht, mit 0 bezeichnet, die Strahlung, die ins All emittiert wird (wie oben festgestellt mit einer mittleren Intensität von 240 W/m², wobei davon 40 W/m² über die Gewitterwolken transportiert werden¹⁾). Nach unten zu wächst die optische Dicke in Übereinstimmung mit dem wachsenden Wassergehalt in der Troposphäre und mit der wachsenden Luftdichte an. Entsprechend verringert sich die pseudo-adiabatische Temperatursenkungsrate. In Abstrahlungshöhe ist sie in Übereinstimmung mit dem Schwarzschild-Kriterium gleich der trocken-adiabatischen Senkungsrate. Hier enthält die Atmosphäre kein Wasser mehr, ist also trocken.

Die optische Dicke erreicht in Höhe der IR-Strahlungsbarriere ihren maximalen Wert; er repräsentiert die vollständige Strahlungs­undurch­lässigkeit der Atmosphäre für infrarote Strahlung (außerhalb der Wellenlängen des IR-Strahlungsfensters).

Der Raum zwischen der Strahlungsbarriere und der Erdoberfläche wird von der unteren Strahlungszone der Atmosphäre eingenommen. Hier kann keine monoton anwachsende oder monoton abnehmende optische Dicke definiert werden. Innerhalb dieser Zone sind die Strahlungsintensitäten von oben nach unten und umgekehrt von gleicher Größe und gleichen Ursprungs; sie kompensieren sich. Der resultierende Eddington-Fluss liegt bei etwa null – es kann keine Energie mittels Strahlung transportiert werden, weder aufwärts noch abwärts. S. dazu auch Fortak, 1982, S. 26: „Der ‚Kreislauf‘ der langwelligen Strahlung zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre trägt nicht zur Aufwärmung des Systems bei.“ (Übersetzung ins Englische durch den Autor)

Es muss betont werden, dass über das gesamte Klimasystem betrachtet und im zeitlichen Mittel  das Kohlenstoffdioxid in der unteren Troposphäre einen integralen Bestandteil der mittleren Abwärtsstrahlung von 333 W/m² bildet und daher keine Rolle bei einer zusätzlichen Aufwärmung der Erdoberfläche spielen kann (sozusagen zusätzlich zur Sonne). Jedoch der Wasserdampf, der in der Troposphäre vorhanden ist, wirkt unzweifelhaft auf das Temperaturregime in der Atmosphäre. Die damit verbundene Kondensation verändert die Temperatursenkungsrate und die mittlere Abstrahlungshöhe in der Atmosphäre – was einen direkten Bezug zum Wärmetransfer in der Atmosphäre herstellt.

1)      Nachträgliche Ergänzung durch den Autor:

Man kann vereinfacht annehmen, dass im Fall von 2/3  durchschnittlicher globaler Wolkenbedeckung etwa 1/3 der Bodenstrahlung innerhalb der Wellenlängen des IR-Strahlungsfensters ungehindert – durch die Wolkenlücken hindurch – direkt ins All abstrahlen können, während 2/3 der ursprünglichen Bodenstrahlung materie-gebunden in den Gewitterwolken nach oben transportiert werden. Davon werden dann je etwa zur Hälfte von den Gewitterwolken seitlich in die obere Troposphäre bzw. oben am Rand der Troposphäre ins All abgestrahlt.

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Bild 2: Schematische Darstellung der grundlegenden Schichten im Erdklimasystem. Die optische Dicke erreicht ihren Maximalwert an der IR-Strahlungsbarriere, nicht an der Erdoberfläche. Es gibt eine besondere Strahlungszone zwischen der Erdoberfläche und der IR-Strahlungsbarriere, in der kein vertikaler Energietransport stattfinden kann. Es kann hier keine optische Dicke definiert werden. Die Strahlungsdifferenz zwischen der Erdoberfläche (ca. 289 K) und der IR-Strahlungsbarriere (ca. 277 K) verlässt diese Zone und gelangt direkt ins All (bei klarem Himmel).

Nachbemerkung

Das Betriebsregime im Erdklimasystem wird wesentlich durch Wasser beeinflusst, wobei die Zustandsänderungen zwischen Gas und Flüssigkeit eine große Rolle spielen. Wenn der feste Aggregatzustand ebenfalls in Betracht gezogen wird, können solche langzeitigen Klimaprozesse, wie sie aus dem Eiszeitalter des Pleistozäns bekannt sind, generiert werden.

Literatur

Brune, W., (2015), Ratgeber Klima. CO2 ist Begleiterscheinung des Klimas, nicht Ursache. EAGLE Leipzig.

Fortak, H., (1982), Meteorologie, 2. Aufl. Berlin.

Trenberth. K.E. et al.., (2009) Earth´s global energy budget, Bulletin of the American Meteorological Society, 90, S. 311-323.