Wolken – ein sichtbarer Klimapartner am Himmel

Wolken und Wetter – das gehört bekanntermaßen zusammen. Aber wie ist das mit dem Klima? Der mittlere Wolkenbedeckungsgrad auf der Erde beträgt heute etwa 70%. Das ist eine großflächige Schicht flüssigen Wassers, die da über unse­ren Köpfen hängt – in etwa vergleichbar mit dem Anteil der Meeresober­fläche an der Gesamtoberfläche der Erde.

Damit stehen sich zwei gleichartige, nämlich zu großen Teilen aus flüssigem Was­ser bestehende Infrarot-Strahler gegenüber: die Ozeane an der Erdoberfläche und die Wolken über uns am Himmel. Nun muss nur noch nachgewiesen werden, dass die beiden Strahler auch mit der gleichen Intensität gegeneinander strahlen - dann wäre die daraus resultierende Nettostrahlung in etwa null; keiner der beiden Emitter könnte den Partner aufwärmen oder abkühlen. 

Für das Wettergeschehen und im Weiteren auch für das Klimageschehen sind Haufenwolken von wesentlicher Bedeutung. Sie bilden sich täglich infolge inten­siver Sonneneinstrahlung. Aus ihnen können Gewitterwolken entstehen, die sich bis an die Tropopause hinauf aufzu­türmen vermögen. Dort flachen sie in charak­teristischer Weise ab und ziehen in Richtung beider Pole. Das alles geschieht insbesondere in Nähe der tropischen Klimazone beiderseits des Äquators (s. beispielhaft das Coverbild des Buches des Autors „Klima von A bis Z“ auf dieser Website). 

Im Folgenden wird für das Wolkensystem Haufenwolke/Gewitterwolke ein stark vereinfachtes Modell verwendet: aufwärts und abwärts fließende turbulente Wasserströme. Erreichen die abwärts fließenden Wasserströme eine geeignete Tröpfchengröße, fällt Niederschlag. Die Wolkentürme strahlen auch partiell seit­wärts in die Tropo­sphäre ab. An der flachen Unterseite der Haufenwolken herrscht infolge der Erd­gravitation annähernd die höchste Flüssigwasserdichte; sie liegt mithin bei einer ziemlich gleich­mäßigen Strahlertemperatur von etwa 277 K rund um den Erdball. Diese Strahler­temperatur tritt nunmehr neben die beiden bekann­ten Strahlertemperaturen, nämlich die der zuge­hörigen Bodenfläche und die zugehörige effektive Strahler­tempe­ratur in der oberen Troposphäre zur Ab­strah­lung ins All.

Die vertikale Schichtung von Strahlertemperaturen in der Troposphäre, zwi­schen der Erdoberfläche und der oberen Begrenzung der Troposphäre, an der Tropo­pause, ist am stärksten ausgeprägt in der tropischen Klimazone - bei den höchsten Bodentemperaturen der Erde. Am wenigsten ausgeprägt ist sie im Be­reich der beiden Pole, wo die Temperaturen annähernd zusammen laufen - bei insgesamt den niedrigsten Bodentemperaturen.

Für Klimauntersuchungen lässt sich diese atmosphärische Schichtung von Strahler­­temperaturen in ein globales Schichtmodell für das Erdklimasystem überfüh-ren: mit einer mittleren Globaltemperatur am Boden von ungefähr 289 K; darüber eine Wasserschicht, positioniert in Höhe der flachen Unterseite von Haufen­wolken, bei einer effektiven Temperatur von ungefähr 277 K; und schließlich in der oberen Troposphäre zur Abstrahlung des Erdklimasystems ins All bei einer effek­­tiven Temperatur von ungefähr 255 K, s. dazu Bild 1). Die diesen Tempe­raturen zugeordneten Strahlungsintensitäten nach Stefan-Boltzmann betragen etwa 396 W je m² bzw. 333 W je m² bzw. 240 W je m². Die Bodenstrahlung ist nach oben gerichtet. Die atmosphärische Gegenstrahlung ist nach unten gerichtet. Die Abstrahlung ins All ist nach oben gerichtet. Dieses Verhalten der Troposphäre in Bezug auf Infrarot-Strahlung lässt sich auch mittels der optischen Tiefe t aus-drücken: Sie hat den Wert 0 an beiden Rändern der Atmosphäre, unten und oben. In Höhe der beiden Effektivstrahler, unten und oben, beträgt der Wert 1, etwa inmitten der beiden Werte von 1 liegt der Maximalwert in der Troposphäre. Er gibt an, dass dort keine durchgehende Infrarot-Strahlung nach oben oder nach unten vorhanden ist. Die Troposphäre ist in diesem Bereich gegen Infrarot strahlungs­undurchlässig. Der Wärmetransfer vollzieht sich materie-gebunden.

Die jeweils charakteristischen Werte der optischen Tiefe für IR-Strahlung sind explizit in Bild 1 angegeben.

Das soeben vorgestellte Schichtmodell des Erdklimasystems unterscheidet sich im Übrigen hinreichend genau von den Klimasystemen der beiden Nachbarplaneten der Erde. Wichtigster Parameter der Unterscheidung ist das flüssige Wasser in den Klimasystemen.

Jedoch: Es verbleibt bis jetzt noch ein Unterschied in der Intensität der Boden­strahlung und der atmosphärischen Gegenstrahlung. 396 W je m² stehen gegen 333 W je m². Was hat es mit diesem Unterschied auf sich? Er löst sich auf, wenn man den Anteil der Bodenstrahlung berücksichtigt, der ungehindert im infraroten Strahlungsfenster durch die Atmosphäre ins All entweichen kann. Er beträgt, am Erdboden betrach­tet, im Mittel etwa 63 W je m². Damit steht nunmehr der atmosphärischen Gegenstrahlung von 333 W je m² tatsächlich eine reduzierte Bodenstrahlung von 396 – 63 = 333 W je m² gegenüber. Die Absorption der beiden gleichen Strahlungsintensitäten bewirkt bei beiden Emittern keine Temperatur­verände­rung.

Geben wir dieser reduzierten Bodenstrahlung die Bezeichnung „Partnerstrah­lung“.

An dem Schichtmodell des Erdklimasystems lassen sich für die heutige Zeit zwei wichtige Leistungsbilanzen aufstellen:

*Am Oberrand der Atmosphäre ist die mittlere Zustrahlung von der Sonne etwa 240 W je m². Die terrestrische Abstrahlung beträgt im Mittel ebenfalls 240 W je m². Bleibt im Mittel diese Gleichheit bestehen, ändern sich die Temperaturen des Systems nicht.

*An der Erdoberfläche kommen im Mittel 161 W je m² Sonnenstrahlung an. Davon entweichen die oben erwähnten 63 W je m² im IR-Strahlungsfenster – im Mittel strahlen davon etwa 40 W je m² direkt ins All. Die restlichen etwa 23 W je m² werden über die turbulenten Ströme in den Wolken wieder an die Atmosphäre abgestrahlt. Es verbleibt für die Partnerstrahlung des Bodens ein mittlerer Wert von 333 W je m². Das ist jedoch in etwa gleich der Strahlungsintensität der atmosphärischen Gegenstrahlung – er geht folglich in die Leistungsbilanz nicht ein.

Am Boden ergibt sich nunmehr eine Leistungsbilanz:

Zufuhr von der Sonne 161 W je m² in Form von Strahlung. Abfuhr vom Boden: 63 W je m² in Form von Strahlung (in den Wellenlängen des IR-Strahlungsfensters) und 98 W je m² in Form materie-gebundener (konvektiver) Wärmeabfuhr, insge­samt also wieder 161 W je m².

Was sagt das vorgestellte Temperatur-Schichtmodell des Erdklimasystems aus, wenn sich wichtige Parameter ändern? Zum Beispiel, wenn sich die mittlere Strahlungsintensität der Sonne dauerhaft erhöht? Dann steigt erwartungsgemäß die mittlere Globaltemperatur an der Erdoberfläche an. Es wird mehr Wasser verdunsten. Damit steigt der mittlere Wassergehalt der Troposphäre an. Mit ihm sinkt der Wert des negativen Temperaturgradienten etwas ab. Um den gleichen Betrag steigt die mittlere Abstrahlungshöhe an. Das mathematische Produkt aus beiden Größen (des mittleren Temperaturgradienten und der effek­tiven Abstrah­lungs­höhe), das den atmosphärischen Temperatureffekt kenn­zeich­net, bleibt dabei gleich. Dieser Vorgang - in beiden Richtungen, nach oben und nach unten - ist charakteristisch für das Eiszeitalter der letzten paar Hundert­tausend Jahre. In den periodischen Warm- und Kaltzeiten verschiebt sich das Temperaturregime von Boden und Erdatmosphäre in charakteristischer Weise – offenbar mit Ausnahme der Emit­ter­temperatur der atmosphärischen Gegenstrahlung (sie sollte gleich bleiben infolge der zugrunde liegenden physikalischen Konstanten, der Erdgravitation und der Dichte­anomalie des Was­sers). Nur die mittlere Wolken­höhe verändert sich. In den Kaltzeiten müssten die Wolken sehr tief gehangen haben.

Die gleiche Wirkung würde eintreten, wenn sich der mittlere Wassergehalt der Troposphäre erhöhen würde, ohne dass die Strahlungsintensität der Sonnen­strahlung dauerhaft ansteigen würde. Zum Beispiel, wenn der Mensch durch seine Wirtschaftsaktivität der Troposphäre dauerhaft mehr Wasser zuführen würde, zum Beispiel bei großflächigen, lang andauernden Brandrodungen von naturwüch­sigen Urwäldern. Und was ist, wenn der Mensch durch seine Wirtschaftsaktivität der Troposphäre substantiell mehr Kohlenstoffdioxid zuführen würde, wie es bei der genannten Brandrodung auch geschehen ist und wie es seit der erdum­spannenden Industrialisierung seit Ende des 19. Jahrhunderts fortwährend ge­schieht? Das angeregte Kohlenstoffdioxid-Molekül hat in der unteren, dichten Troposphäre eine hohe Wahrscheinlichkeit, sich durch Stöße mit benachbarten Molekülen, auch nicht IR-strahlungsfähigen, energetisch abzuregen - anstatt sich durch Strahlung abzuregen. Es ist damit Bestandteil der „Wassersperre“ in der unte­ren Troposphäre, die die Partnerstrahlung des Bodens annähernd vollständig ab­sorbiert. Da jedoch der Anteil des Kohlenstoffdioxids an der gesamten Absorber­masse aus Flüssigwasser, Wasserdampf und anderen IR-aktiven Bestand­teilen in der Troposphäre außerordentlich gering ist, ist der Einfluss von CO2 auf das Tem­pe­raturgeschehen in diesem Atmosphärenbereich vernachlässigbar klein – auch wenn man klimatologisch lange Zeiträume in Betracht zieht.

Betrachtet man die an verschiedenen Orten über der Erdoberfläche mit Satelliten aufgenommenen terrestrischen Emissionsspektren, so fällt einem der Bereich um die Wellenlänge 15 µm sofort ins Auge. Sie kommt dem Kohlendioxid zu und zeugt davon, dass es erst in großer Höhe in der Troposphäre und damit in einem sehr kalten Bereich strahlungswirksam wird. Wie wir weiter oben gesehen haben, gelangt jedoch dorthin keine Bodenstrahlung. Die für die Strahlung erforderliche Energie empfängt das Kohlenstoffdioxid auf materie-gebundenem Wege. Die Abstrahlung kann in dieser Höhe nur nach außen, ins All, erfolgen. Im Wesent­lichen gibt es somit diese Heraushebung: Die untere Troposphäre ist klimato­logisch durch Wasser geprägt, die obere durch Kohlendioxid.

Fasst man das Ergebnis zusammen, kommt man nicht umhin festzustellen, dass das Kohlenstoffdioxid bei seiner anthropogen verursachten Zunahme in der Atmo­sphäre das terrestrische Temperatursystem kaum verändern kann. Das anthro­pogen eingetragene Wasser kann es jedoch. Ihm muss folglich künftig die erfor­der­liche Aufmerksamkeit geschenkt werden, wenn das Erdklimasystem nicht aus den Fugen geraten soll.

(Größen der globalen Leistungsbilanz nach: Trenberth et al., 2009 earth´s global energy budget. Bull. Am. Met. Soc., 90, 2009, 311.)

Wolken_Bild1

             Bild 1: Schichtmodell des Erdklimasystems

             (links: mittlere bzw. effektive Strahlertemperaturen in Kelvin;

             rechts: tau - optische Tiefe für terrestrische Wärmestrahlung

             in der Troposphäre; 0 kennzeichnet die beiden Ränder der

             Troposphäre, der Maximalwert Max. das strahlungsundurchlässige

             Troposphäreninnere;

             mittig: terrestrische IR-Strahlung)

PS1: Auf die Anfrage eines Nutzers zur Anwendbarkeit des Stefan-Boltzmannschen Gesetzes:

Wenn man einem definierten materiellen Körper eine ihn charakterisierende Temperatur zuordnen kann, dann lässt sich  mittels Stefan-Boltzmannschem Ge­setz auch eine zugehörige Wärmestrahlung bestimmen. Es kommt also im­mer auf eine physikalisch plausible Temperaturbestimmung an. Eine an­de­re Sache ist, dass die bestimmbare Strahlung in aller Regel nicht die eines schwarzen Körpers ist. Es handelt sich folglich um einen gedachten Idealfall und kann in der Realität bestenfalls vernünftige Näherungswerte ergeben. Ggf. müsste man eine plausible Emissivität einfügen.

Betrachten Sie die von mir erwähnten Emissionsspektren, die über verschie­denen geografischen Punkten der Erdoberfläche gemessen worden sind und bei denen dabei immer einige ins Auge fallende Besonderheiten auffallen: der "Einbruch" im Bereich des IR-Strahlungsfensters, die 15 µm-"Senke" und der Umstand, dass alle aufgenommenen Strahlungsabschnitte, die unter­schiedlichen materiellen Emittenten zuordenbar sind (v. a. Boden, CO2, Wasserdampf, CH4 usw.), angenähert Planck-Strahlungskurven wieder­geben. Es war in den 20er und 30er Jahren des vorigen Jahrhunderts ein großer Erfolg (v. a. mit dem Namen Milne verbunden), dass an Stelle der verschiedenen Emittenten eine einzige effektive Temperatur gefunden wer­den konnte, die das Abstrahlungsverhalten des Erdballs in seiner Ge­samtheit hinreichend genau beschreiben konnte (annähernd 255 K).

Die von mir angegebene atmosphärische Gegenstrahlung der Troposphäre, bei annähernd 277 K, ist ebenfalls als eine effektive Temperatur anzu­sehen; in sie gehen als Emitter das genannte Flüssigwasser in Wolken bei der größten Wasserdichte, aber auch Wasserdampf und andere Emitter ein. Natürlich ist die Annahme eines "Unterrands" der Troposphäre eine Modell­annahme; sie bietet sich jedoch an (bekanntlich zeichnet sich die untere Troposphäre durch eine Reihe "Unstetigkeiten" aus).

Und schließlich die Temperatur der Erdoberfläche: Sie kann überall mess­tech­nisch bestimmt werden. Aber die Annahme einer charakteristischen "Globaltemperatur" ist selbstverständlich eine Modellannahme.

Alle 3 charakteristischen Strahlungstemperaturen des modellhaften Erd­klima­systems lassen sich messen oder sind körperlich zu sehen bzw. zu fühlen: mit den Ballonaufstiegen, aus Flugzeugen und modern mit Hilfe von Satelliten in Form von Emissionsspektren; die Wolken am Himmel mitsamt ihren Niederschlägen, aber auch Nebel usw.; die Existenz einer riesigen Flüssigwasseroberfläche am Boden, deren Temperatur ganz einfach mit dem Finger oder besser mit dem Thermometer bestimmt werden kann. Soweit auch die fragwürdige Sinnfälligkeit eines…immer wieder einmal geforder­ten experimentellen Nachweises klimatologischer Parameter (die auch in den Temperatureffekt eingehen)!

Gar nicht machbar ist jedoch, was Sie am Ende Ihre Frage auch formuliert haben, nämlich aus einem mittleren Strahlungsfluss auf eine zugrunde lie­gende mittlere Temperatur zu schließen. Das verbietet schon die Höldersche Ungleichung… Das ist bei allen "schul-physikalischen" Abhandlungen, aber auch bei vielen Politikern, selbst Wissenschaftlern… nach wie vor gang und gäbe. Es muss immer eine plausible Temperatur ermittelt werden; danach kann ihr nach Stefan-Boltzmann eine sinnvolle Strahlungsintensität zuge­ord­net werden. Nicht umgekehrt!

PS2: Auf die Bemerkung eines Nutzers zum Sinn, professionellen Klima-Alarmisten mit wissenschaftlichen Untersuchungen zur Klimarolle von Wolken entgegentreten zu wollen:

Aber diejenigen, die das konsumieren sollen, suchen schon  einen gewissen Halt in den offerierten fachlichen Begründungen. Insofern halte ich es durch­­aus für wichtig nachzuweisen, dass es weder das CO2 noch überhaupt Strahlungsphänomene sind, die eine anthropogene Erwärmung durch einen Treibhauseffekt hervorrufen.

PS3: Wie kann allein durch einen höheren Wassereintrag in die Atmosphäre – ohne dass sich die Strahlungsintensität der Sonne erhöht  – die Temperatur des Erdklimasystems zunehmen?

Wenn sich die Intensität der solaren Zustrahlung im Mittel nicht ändert, bleibt auch die terrestrische Abstrahlung im Mittel gleich. Durch einen an­der­­weitigen höheren Wassereintrag in die Atmosphäre, zum Beispiel anthro­pogenen Ursprungs, erhöht sich der mittlere Wassergehalt der Atmo­sphäre. Ein kleiner Teil davon kondensiert auch zusätzlich. Mit steigendem Wasser­gehalt in der Troposphäre sinkt der Zahlenwert des mittleren nega­tiven Temperatur­gra­dienten ab; die Temperaturabnahme mit zuneh­men­der Höhe über dem Boden wird folglich geringer. Die vertikale Wärme­abfuhr „verlangsamt“ sich ge­wis­ser­maßen. Die effek­tive Ab­strah­lungs­temperatur von etwa 255 K wird damit erst in größerer Höhe erreicht. Wie das Eiszeitalter zeigt, reicht schon eine sehr geringe Zunahme der mittleren Wasserzufuhr aus, um sogar eine merkliche Klima­ver­änderung herbeizu­führen, wenn nur die Wasserzufuhr über einen genügend langen Zeitraum andauert.  

Siehe auch:

Der Klimamechanismus

http:www.wolfgang-brune.eu

info@wolfgang-brune.eu

Cpoyright by Wolfgang Brune, Leipzig, 2014. Nachdruck wird auf Anfrage gestattet.