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1. Wohin verschwindet die Wärmestrahlung der Erde?
Lässt sich eine Strahlungsbilanz erstellen?

Die Erde strahlt wie jeder andere temperierte Körper auch permanent Energie ab, die sich in Form elektromagnetischer Wellen geradlinig in alle Raumrichtungen mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von etwa 300 000 km/s übereinstimmt. Dieser Energiestrom wird im allgemeinen als „elektromagnetische Strahlung"¹ bezeichnet. Die Intensität der Strahlung hängt von der absoluten Temperatur des Körpers ab, ihr Spektrum reicht von der Gammastrahlung über die Röntgen- und Ultraviolettstrahlung sowie den Bereich des „sichtbaren Lichts", in dem der Mensch über das Auge etwa 80 Prozent seiner Informationen aufnimmt, über das Infrarot bis in den Bereich der Radio-Wellen.

Von meteorologisch besonderem Interesse ist der Infrarot-Bereich des Spektrums, über den die Wärme- oder Temperaturstrahlung emittiert wird. Diesen Spektralbereich unterteilt man in das nahe, mittlere und ferne sowie das extreme Infrarot jenseits von Wellenlängen von 20 µm. Was den Einfluss der Atmosphäre auf die Ausbreitung der Infrarotstrahlung betrifft, so zeigen sich drei Bereiche im Spektrum, in denen praktisch keine Dämpfung der Wärmestrahlung stattfindet. Man spricht von „atmosphärischen Fenstern", die im nahen Infrarot zwischen 1 und 2 µm, im mittleren Infrarot zwischen 3 und 5 µm und im fernen Infrarot zwischen 8 und 14 liegen.² Diese „Strahlungsfenster", in denen für IR-Strahlung die Atmosphäre nahezu transparent ist, sind essentiell für die Fernerkundung der Erde von Flugzeugen oder Satelliten.

Nach der Entdeckung der thermischen Strahlung der Sonne durch F. W. Herrschel um 1800 und einer reihe von grundlegenden Arbeiten im Laufe des 19. Jahrhunderts gelang es Max Planck im Jahre 1900, den Zusammenhang zwischen der spektralen Verteilung der Wärmestrahlung und der absoluten Temperatur herzuleiten. Das Planck' sche Gesetz gilt jedoch nur für den „Schwarzen Körper" oder „Schwarzer Strahler", d. h. für einen Körper, der die gesamte einfallende Strahlung absorbiert und gemäß dem Kirchhoff'schen Gesetz auch emittiert. Es handelt sich hierbei um eine Idealisierung, von dem alle realen Körper mehr oder weniger stark abweichen, da sie weniger Strahlung emittieren. Ist der Emissionsgrad über alle Wellenlängen konstant, aber kleiner als 1, dann spricht man von einem „Grauen Strahler". Variiert dagegen der Emissionsgrad mit der Wellenlänge, so handelt es sich um „Selektive Strahler". Zu dieser Gruppe gehören die meisten Gase mit ihren durch Molekül-Eigenschwingungen hervorgerufenen charakteristischen Absorptions- und Emissionslinien wie –banden.

¹Alonso, M.; Finn, E. J.: Quantenphysik, Bonn 1988, S. 5

² Breuckmann, B.: Bildverarbeitung und optische meßtechnik in der industriellen Praxis, München 1993, S. 5

Bei der Infrarot-, Temperatur- oder Wärmestrahlung handelt es sich um eine nichtionisierende Strahlung, die im absorbierenden Stoff thermische Effekte hervorruft. IR-Strahlung entsteht durch Schwingungen und Rotation von Atomen oder Molekülen in Materialien, deren Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt (0 K) liegen. Alle Objekte emittieren IR als Funktion ihrer Temperatur, wobei die Intensität mit der Temperatur ansteigt und die Wellenlänge für die maximale Intensität mit dem Wien'schen Verschiebungsgesetz (1896)3 zu kürzeren Wellenlängen verschoben ist. Die über alle Wellenlängen integrierte Gesamtstrahlung eines „Schwarzen Körpers" wurde empirisch 1898 von Stefan ermittelt und theoretisch von Boltzmann 1884 bestätigt.4

Alle „Klimaexperten" der Erde und auch das Intergovernmental Panel an Climate Change (IPCC) der UNEP gehen bei der Berechnung des „Strahlungshaushaltes der Atmosphäre und des Treibhauseffektes" gehen davon aus, dass sich Sonne und Erde „in guter Näherung als schwarzer Körper"⁵ ansehen lassen. Sie berechnen eine Strahlungsgleichgewichtstemperatur, stellen ihr eine berechnete Weltmitteltemperatur gegenüber und erklären die Differenz zum „natürlichen Treibhauseffekt". Zur Erklärung wird angefügt: „Diese Differenz von etwa 34°C wird durch den Treibhauseffekt der klimarelevanten Spurengase, des Wasserdampfes und der Wolken bedingt. Die wärmeabsorbierenden Spurengase spielen hier also in grober Näherung die Rolle des Glasfensters eines Treibhauses. Sichtbares Sonnenlicht durchstrahlt das Glas fast ungehindert und wird erst dann durch die Körper im Innern des Treibhauses absorbiert und erwärmt diese dadurch. Die von den erwärmten Körpern im IR-Bereich abgestrahlte Wärme wird vom Glas absorbiert und danach zum Teil nach außen, zum Teil zurück nach innen gestrahlt. Diese Wärmerückstrahlung führt zu einer gegenüber außen erhöhten Innentemperatur des Treibhauses"6

Diese Behauptung widerspricht jedweder Naturerfahrung, insbesondere dem von Isaac Newton formulierten „Abkühlungsgesetz". Es lautet: „Die Abkühlungsgeschwindigkeit eines Körpers ist näherungsweise proportional zur Differenz der Temperaturen von Körper und Umgebung."' Ist die Temperatur der strahlenden Erdoberfläche höher als die der Atmosphäre mit der vertikalen Dichte-, Druck- und Temperaturannahme, dann ist eine Erwärmung über einen „Treibhauseffekt" von vornherein auszuschließen. Dies bestätigt expressis verbis auch

³Kössler, F.: Umweltbiophysik, Berlin 1984, S. 219

⁴McAdams, W. H.: Heat Transmission, New York 1954, S. 4

⁵Deutscher Bundestag, Drs. 11/3246 v. 02. 11. 1988, S. 186 (Erster Zwischenbericht der Enquete-Kommission Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre)

⁶Deutscher Bundestag, ebd., S. 187 bzw. 20

⁷Tipler, P. A.: Physik, Heidelberg 1994, S. 553

die Enquete-Kommission: „Da die Atmosphäre kälter ist als die Erdoberfläche, ist die Wärmestrahlung der Atmosphäre, die die Erdoberfläche erreicht, entsprechend geringer."8 Die Enquete-Kommission wird sogar noch präziser: „Die Gase in der Atmosphäre absorbieren die IR-Strahlung der Erdoberfläche in den meisten Spektralbereichen stark, in eineigen dagegen nur geringfügig, wie etwa im Spektralbereich 7 bis 13 µm. In diesem Bereich stammt der größte Teil der IR-Strahlung von der Erdoberfläche. Er wird als „offenes atmosphärisches Strahlungsfenster" bezeichnet, da hier am wenigsten Wasserdampf- und Kohlendioxidabsorption stattfindet. 70 bis 90 Prozent der Abstrahlung von der Erdoberfläche und von den Wolken gelangen hier direkt in den Weltraum."9

Was speziell die Rolle des Kohlendioxids betrifft, das bei jeglicher Atmung wie auch allen Verbrennungsprozessen von fossilen Energieträgern wie Holz, Kohle, Erdöl und Erdgas freigesetzt wird, so schreibt die Enquete-Kommission: „Der Treibhauseffekt durch CO₂ wird im wesentlichen durch seine Absorptionsbande bei 15 bewerkstelligt."1° Diese Meinung vertritt auch Kondratyev: „The band near 15 is the only practically important absorption band."¹¹ Er listet auch alle anderen Absorptions- und damit Emissionslinien des CO₂ auf: „To the main frequencies correspond two intensive absorption bands near 4.3 and 14.7 µ. Besides these main bands, CO₂ absorption bands, centered at L4, 1.6, 2.0, 2.7, 4.3, 4.8, 5.2, 5.4, 10.4

are also found." Dieses Wissen um die den CO₂-Molekülen charakteristischen Absorptionslinien findet sich in allen klassischen Lehrbüchern der Meteorologie: „The radiation from the earth is approximately black-body radiation whose intensity is given by σT⁴, where T is the temperature of the emitting surface. The long-wave radiation from trhe cloudless atmosphere is always less than the black-body radiation corresponding to the temperature of the surface air."¹² Sie bestätigen auch die Existenz des "Strahlungsfensters" im fernen Infrarot: "Complete transparency is in aq certain region of intermediate wave lengths, say from 7 µ to 14 µ. The part of the black-body radiation which is situated within this spectral region will be called T-radiation."13

Die Kenntnis der Absorptions- wie Emissionslinien der „Treibhausgase" wie das Wissen um die „offenen atmosphärischen Strahlungsfenster" verbieten bei logischer Betrachtung die Behauptung, die Erde sei ein „Treibhaus" und es gäbe einen „natürlichen Treibhauseffekt"

⁸ Deutscher Bundestag, ebd., S. 187 9 ⁹ Deutscher Bundestag, ebd., S. 188 ¹°¹⁰Deutscher Bundestag, ebd., S. 190

¹¹ Kondratyev, K. Ya.: Radiation in the Atmosphere, New York 1969, S. 125

¹²Godske, C. L.; Bergeron, T.; Bjerknes, J.; Bundgaard, R. C.: Dynamic Meteorology and Weather Forecasting, Washington 1957, S. 91

¹³Godske u. a.: ebd., S. 92

von etwa 33°C, denn „dieser Treibhauseffekt macht erst das Leben auf der Erde möglich, denn ohne ihn wäre die Erde weitgehend vereist".¹⁴ Diese Behauptung ist um so erstaunlicher, da der Enquete-Bericht sogar annäherungsweise die Breite des „offenen Strahlungsfensters" angibt. Sie schreibt: „Die energetisch wichtigsten Fensterbereiche sind das offene atmosphärische Wasserdampffenster (7 bis 13 um), in dem die IR-Ausstrahlung der Erdoberfläche zumindest für Temperaturen zwischen –20°C und +50°C am größten ist, und der Spektralbereich 13 bis 18 μm, in dem Wasserdampf IR-Strahlung noch nicht vollständig absorbiert."15

Die Existenz des offenen Strahlungsfensters zwischen etwa 7 und 13 um ist eine ebenso unleugbare wie unstrittige Tatsache, die selbst von den „Klimaexperten" nicht infrage gestellt wird. Allerdings lässt sich die Breite des Fensters noch exakter bestimmen und zwar mit Hilfe des Wien' schen Verschiebungsgesetzes. Es besagt, dass mit steigender Temperatur des Körpers das Maximum seiner Energieabstrahlung in Richtung ,kürzerer Wellenlängen verschoben wird, was eine Farbänderung des Körpers bewirkt. Man benutz das Wien'sche Verschiebungsgesetz daher dazu, um die Temperatur heißer Körper wie Öfen oder Sterne dadurch zu bestimmen, dass man die Wellenlänge bestimmt, bei der die Strahlungsintensität ihr Maximum hat. Das Wien'sche Verschiebungsgesetz hat die Form

λ_ma_x T = const. (2896 μm Grad)16

Bei einer Temperatur von 15°C oder 288 K ist λ_ma_x. = 10 um. Temperatur und Wellenlänge sind also exakt einander zuzuordnen. Nimmt man die Wellenlängen für die Breite des Fensters wie die Enquete-Kommission von 7 und 13 um als λ_ma_x, dann ergibt das Temperaturen von etwa 414 K und 223 K. Das „Fenster" ist also offen für einen Temperaturbereich zwischen –50°C und +141°C. Damit kann praktisch die gesamte Wärmestrahlung der Erde ungehindert in den Weltraum entweichen. Der Vergleich der Atmosphäre mit einer „Glasscheibe" und der bildhafte Erde mit einem „Treibhaus" oder Gewächshaus sind unstatthaft. Dies auch deswegen, weil man mit der Konstruktion eines Gewächshauses einen geschlossenen Raum schaffen will, denn man künstlich beheizen und klimatisieren kann, insbesondere im Winter. Hauptzweck des Gewächshauses ist zu verhindern, dass die drinnen ob über Sonnen- und/oder Bodenheizung erwärmte Luft infolge ihres thermischen Auftriebs durch das Glasdach entweicht oder horizontal vom Winde verweht wird.

¹⁴Deutscher Bundestag, ebd., S. 189

¹⁵Deutscher Bundestag, ebd., S. 190. Die Absorptionsbanden von CH₄ liegen bei 3 µm und bei 8 µm am Rande des offenen atmosphärischen Fensters , die des N₂0 bei 4 µm und ebenfalls bei 8 µm... (S. 191)

¹⁶Neuen, H.: Physik für Naturwissenschaftler II, Mannheim 1991, S. 182

Dies lässt sich auch optisch überzeugend darstellen, indem man die Kurven der Schwarzkörperstrahlung für verschiedene Temperaturen aufzeichnet und für CO₂ die den „Treibhauseffekt" verursachen sollende Absorptionsbande bei 15 µm einzeichnet. (Abb. 1) Die spektrale Transmission der Atmosphäre durch die Strahlungsfenster wird in Abb. 2 gezeigt.

Eine „Strahlungsbilanz" lässt sich zwischen Sonne und Erde nicht berechnen, da es sich um zwei extrem unterschiedlich temperierte und zudem völlig autonom ins Weltall strahlende Körper handelt, die einzig durch die Schwerkraft aneinander gebunden sind. Während die Temperatur- oder Wärmestrahlung der Erde ein ausschließlich von ihrer Oberflächentemperatur abhängender immerwährender Prozess ist, beschränkt sich die Einstrahlung der Sonne auf die jeweilige jahresperiodisch wechselnde Tageslänge. Sie hängt auch in Hohem Maße von Grad, Dichte und Höhe der Bewölkung ab. Nur während der Tagesstunden wird der ausgehende Energiestrom der Erde durch ein Mehr an Sonnenenergie überboten. Unterbleibt dieser nur für wenige Minuten wie anlässlich der Sonnenfinsternis am 11. August 1999, so zeigt sich nahezu unmittelbar ein Rückgang der bodennahen Temperatur, durch die Ausstrahlung.¹⁷ Der ewige Energieverlust im fernen Infrarot über das „Fenster" 7 bis 13 m wird nur am Tage unterbunden durch hochwertige solare Strahlung im sichtbaren Spektrum (0,4 – 0,7 µm) und dem nahen Infrarot bis 3 µm. Diese unterschiedlichen Energieströme bewirken die Erwärmung und Abkühlung des Erdbodens und damit den Tagesgang der bodennahen Lufttemperaturen. Ein Diagramm anhand einer Periode klarer Strahlungstage (Abb. 3) möge dies illustrieren. Ein direkter Vergleich der Strahlungsströme von Sonne und Erde ist allein auch deswegen unstatthaft, weil die Intensitäten um den Faktor 10⁶ verschieden sind.

Fazit: „Es gibt keine Rechnungen, die erlauben, eine mittlere Oberflächentemperatur eines Himmelskörpers zu bestimmen, ob mit oder ohne Atmosphäre, ob mit oder ohne Rotation, ob mit oder ohne infrarotes Licht absorbierende Gase. Die regelmäßig erwähnten 33 Grad Temperaturdifferenz beim fiktiven Treibhauseffekt der Atmosphäre sind deshalb eine reine Fiktion."¹⁸ Das erklärt, warum sich Max Planck, Albert Einstein, Wilhelm Wien, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld, Werner Heisenberg etc. nie mit der „Eiszeithypothese" des Svante Arhennius von 1896 auseinandergesetzt haben.

Oppenheim, dem 25. Oktober 2002 Dipl.-Met. Dr. Wolfgang Thüne

¹⁷ Meteorologische Zeitschrift Vol. 10, 2001, no. 3. In dieser Spezialausgabe werden die Messergebnisse der BAYSOFI-Kampagne vorgestellt.

¹⁸Gerlich, G.: Die physikalischen Grundlagen der Treibhauseffekte und fiktiver Treibhauseffekte, in: Euro-päische Akademie für Umweltfragen e. V.: Treibhaus-Kontroverse und Ozon-Problem, Tübingen 1996, S. 134