Die fundamentalen Denkfehler im Treibhausmodell

Der Diplombiologe Michael Kalisch weist in seinem Essay auf die fundamentalen Denkfehler im Treibhausmodell hin. Zur Geschichte des Treibhauseffekts. Ein Gastbeitrag.

Die fundamentalen Denkfehler im Klimamodell

Wasserdampf in Form von Wolken spielt bei der Klimabildung eine zentrale Rolle. Die chaotischen Prozesse entziehen sich bisher jeder exakten Modellierung. (Foto: © Lorenzo Ravagli).

Das Gros der Atmosphäre besteht aus Gasen, die Wärme weder als Strahlung absorbieren noch emittieren können (und zwar bekanntermaßen: bereits Tyndall hat vor gut 160 Jahren hierzu die Empirie geliefert). Diese Gase nehmen aber geleitete Wärme am Boden auf, woraus – so muss man annehmen – ein permanenter Konvektionsprozess entsteht, so lange der Boden erwärmt wird. (Konvektion ist das Aufsteigen erwärmter Luft vom Boden in die Höhe, womit zugleich Wärme transportiert wird). Folge ist eine Atmosphäre, die einen »gigantischen Wärmespeicher« darstellt, wenn auch, verglichen mit den Weltmeeren, einen kleinen.

Man muss die grundsätzliche Frage stellen, wieso die Erde mit gasförmiger Hülle umgeben ist – von Gasen (O2, N2), die erst oberhalb von minus 190-180 Celsius-Grad ihren Siedepunkt erreichen. Bei Temperaturen wie im freien Weltraum wären sie Flüssigkeiten oder Festkörper, wenn sie nicht irgendwie erwärmt werden können. Dass sie gasförmig sind, wird einfach als selbstverständlich hingenommen. Ihre Temperatur am Boden, die uns das Leben ermöglicht, muss also direkt damit zusammenhängen, dass sie bereits Wärme aufgenommen haben und diese auch behalten. Die adiabatische (ohne Wärmeaustausch verlaufende) Temperaturabnahme in der Atmosphäre mit der Höhe spiegelt dann lediglich die abnehmende Dichte dieser Wärme-haltenden Gase wieder.[1]

Wärmeleitung und Konvektion

Offenbar ist der Vorgang der Erwärmung durch direkten Kontakt mit anschließender Konvektion so »unspektakulär«, dass man ihn schon im 19. Jh. weitgehend vernachlässigt hat. Er dürfte auch schwer messbar und quantifizierbar sein, denn sicherlich hängt er auch stark von der Rauigkeit des Bodens ab und ist sehr chaotisch. (Im Internet stieß ich auf ein Buch über Planetenatmosphären, wo in dem Modell der atmosphärischen Temperaturbildung – ganz nach dem Muster des »Treibhauseffekts« aufgebaut – der Term Konvektion als ein Glied von mehreren in den Energieübertragungsprozessen komplett weggelassen war.)

Statt sich für Wärmeleitung und Konvektion zu interessieren, hat man sich den Kopf darüber zerbrochen, wie man die reale Temperatur konstruieren könne, indem man bei einer atmosphärelosen Erde anfängt und dann alles im Wesentlichen auf die Strahlung (Wärmestrahlung: Infrarot) abstellt. Wäre es nicht ein sinnvollerer Ansatz gewesen, von den bekannten Phänomenen auszugehen: Es gibt eine Atmosphäre, und sie zeigt die Fähigkeit, Wärme festzuhalten (auch in der Polarnacht verliert die Atmosphäre nicht so viel Wärme, dass sie unter den Kondensationspunkt der Hauptgase fällt); diese Atmosphäre setzt sich aus verschiedenen Gasen zusammen, deren unterschiedliches Verhalten in bezug auf Infrarotstrahlung seit Tyndall bekannt ist: es gibt Gase, die Infrarot nicht absorbieren und emittieren können (O2, N2), und andere, die das können (Wasserdampf in erster Linie, dann CO2, ferner marginal Methan u.a.).

Die Halbwahrheit im Treibhausmodell

Damit hätte man eine Art »Treibhaus« beschrieben, auch wenn dieser Vergleich ja bekanntlich sachlich falsch ist, da im Treibhaus die Hitze dadurch entsteht, dass nicht etwa Strahlung zurückgehalten wird, sondern die Konvektion der feuchtheißen Luft oben durch Glasscheiben unterbunden wurde – ein »natürlicher Treibhauseffekt«, der aber nicht auf den danach bezeichneten Gasen beruht, sondern gerade auf den in bezug auf thermische Strahlung inerten (trägen) Gasen! Der »Treibhaus«-Begriff ist somit eine Halbwahrheit, weshalb er auch so schwer zu korrigieren ist – aber vollkommen verkehrt ist leider seine Erklärung, er beruhe im Wesentlichen auf Kohlendioxid. – Hier steckt der erste gravierende Denkfehler.

Der weitere Fehler bestand dann darin, dass man sich auch über die Konsequenzen dieser Situation keine Klarheit verschuf: Sauerstoff, Stickstoff, Argon, die keine Wärmestrahlung aufnehmen können, aber geleitete Wärme speichern, sind auch unfähig, sich in Richtung Weltraum ständig wieder zu kühlen, weil das nur durch Infrarotstrahlung möglich ist. Also müsste eigentlich die Atmosphäre ständig wärmer werden – wird sie aber nicht. – Es ist geradezu paradox, wie selbstverständlich über diesen Punkt hinweggegangen wird. Die Atmosphäre kühlt sich permanent, indem sie Infrarotstrahlung abstrahlt – das kann man ja schließlich mit Satelliten detektieren!

Kühlende Treibhausgase

Aber wie kann sie das bei 99% strahlungsunfähigen Gasen? Wer oder was leistet diese Abstrahlung? Das ist bekannt: Einzig und allein jene Gase, die zu Unrecht als »klimaschädigende Treibhausgase« in Verruf geraten sind; geradezu das krasse Gegenteil der tatsächlichen Gegebenheiten: sie kühlen permanent die übrige Atmosphäre, d.h. sie nehmen ihr letztlich die Wärme wieder ab; und das kann auch gar nicht anders sein. An allererster Stelle leistet das natürlich der Wasserdampf (der seltsamerweise von der »Klimapolitik« ausgespart wird, trotz seiner geradezu gefährlichen Gehaltsschwankungen in der Atmosphäre von fast null bis in den Prozentbereich – es wäre auch einfach absurd und aussichtlos, Wasserdampf zum »Klimakiller« zu deklarieren und seinen atmosphärischen Gehalt durch ein noch zu treffendes »Pariser Wasserdampfabkommen« künstlich regulieren zu wollen); dann das Kohlendioxid, ferner die kleinen Piccoloflöten und Triangel in dem ganzen Orchester, Methan, Stickoxide, Ozon, Spuren von Fluorchlorkohlenwasserstoffen usw.[2]

Absorption und Emission von Wärme

Der dritte konsequente Gedankenschritt in der Verarbeitung bekannter Phänomene zu einem Modell (oder »Urphänomen«) wäre dann gewesen, sich Folgendes klarzumachen:

1. dass sich je nach dem atmosphärischen Anteil des Kohlendioxids sicherlich etwas verändert in der Menge absorbierter – und in Bodennähe sofort thermalisierter[3]– Strahlung, sowie in größerer Höhe die Menge der durch dasselbe Gas entsprechend abgestrahlten Wärme;

2. dass aber auf jeden Fall bei einer Zunahme der CO2-Konzentration nicht nur die Absorption steigen sollte (man beachte aber die Sättigung und die logarithmische Beziehung Konzentration—Absorption), sondern vermutlich gleichsinnig damit auch die Abstrahlung, denn der CO2-Anteil der Luft ist bis in beträchtliche Höhe derselbe, das Gas ist homogen verteilt (nach einer mir vorliegenden Angabe bis ca. 80 km Höhe).

Was übrigens auch darauf hinweist, wie intensiv und permanent die Durchmischung der unteren Atmosphäre ist.

Hält man beide Funktionen des CO2 in der Atmosphäre zusammen:

• unten die Absorption, sofortige thermalisierende Abgabe an die Umgebung, die damit etwas erwärmt wird,

• oben aber die Emission, und beide äquivalent entsprechend der gleichen Konzentration des Gases,

dann wäre die ganze CO2-Debatte über die angeblich die Gesamtexistenz des Lebens gefährdende Klimawirkung eines leicht zunehmenden CO2 in sich zusammengesackt wie ein kalt gewordenes Soufflee. Denn die unten erwärmende (thermalisierende) und oben kühlende (emittierende) Funktion des CO2 müssen sich die Balance halten, verbunden durch den unten wie oben gleichsinnig sich verändernden Anteil an der Atmosphäre.

Stattdessen hat man sich für die eine Seite interessiert und die andere vergessen: man sah nur die Absorption in Bodennähe, vergaß aber die Abstrahlung in der Höhe. Manche verwechseln das sogar noch mit Reflexion, die würde aber eine geschlossene Schicht (und eine Phasengrenze) voraussetzen.

Ausmaß der hypothetischen Erwärmung

Und was das Ausmaß der hypothetischen Erwärmung betrifft:

Wir haben ja noch nicht einmal die magische Verdoppelung jenes – wirklich unangefochtenen? – Anfangsgehalts von 280 ppm erreicht, bei der der volle Betrag der Erwärmung gemäß der errechneten (hypothetischen) Klimasensitivität erreicht sein müsste – über die man sich auch nicht einig wird. Welchen Wert hat die Klimasensitivität (ECS): 1°, 2°? Oder vielmehr nur 0.5, 0.2, 0.1°? Erreicht sind bisher ein Plus von ~130 ppm, statt 280 ppm derzeit ca. 410. Die Verdoppelung – 560 ppm – liegt noch in weiter Ferne. Ob sie je erreicht werden? Und dann erst wäre der volle Betrag der ECS wirksam (der aber nicht präzise bekannt ist).

Auch dies ist ja an sich nicht unbekannt: Es gab Erdzeitalter mit einem Vielfachen des heutigen CO2-Wertes. Wieso ist damals das gesamte Leben nicht ausgelöscht worden und die Erde »im Fieber zugrunde gegangen«?

Von De Saussure über Arrhenius zur »Klimarettung«

Leider hat sich die Atmosphärenphysik nicht folgerichtig entwickelt. Statt die Tyndall´schen Erkenntnisse über Gase (1861) sorgfältig anzuwenden, spann man die früheren Spekulationen von einem »Treibhaus« der Atmosphäre weiter (de Saussure, um 1780) und verfolgte Fouriers Vermutung, dass die Atmosphäre die »helle« Sonnenstrahlung durchlasse, die »dunkle« vom Boden ausgehende Wärmestrahlung aber festhalte. Damit war der Blick bereits einseitig auf die Strahlungsvorgänge fixiert, und das Mikrogeschehen der Wärmeleitung mit anschließender Konvektion sowie dem ständig damit einhergehenden kompensativen Nachfließen kälterer Luft direkt am Boden (mit den Augen in der Regel nicht wahrgenommen) entglitt der Aufmerksamkeit, trotz seiner makroskopischen Tragweite.

Der verhängnisvolle weitere Weg bis zur politisch hochaufgeladenen »Treibhausdebatte« und einem größenwahnsinnigen Weltvorhaben der »Klimarettung« durch globale CO2-Reduzierung wurde durch Svante Arrhenius´ Aufsatz über den »Einfluss von Kohlensäure in der Luft auf die Temperatur am Boden«[4] 1896 asphaltiert, in dem er den »Treibhauseffekt« des CO2 sogar zu beziffern versuchte. Empirisch nachgewiesen wurde das nie, was er errechnete, seine Kritiker (z.B. Robert W. Wood 1909) hat man trotzdem überhört. Dennoch füllt diese Rechnerei mit dem »Strahlungsgleichgewichtsmodell ohne / mit Atmosphäre« heute Tausende von Seiten in Lehr- und populären Büchern, Fachaufsätzen, Doktorarbeiten und amtlichen Veröffentlichungen, sowie endlosen Blogdiskussionen seit Jahren, die regelmäßig in gehässigem Streit enden.

Eines kommt dabei völlig zu kurz: die schlichten Grundtatsachen der Wärmephysik der Atmosphäre – Wärmeleitung (die »schlechte« Leitfähigkeit der Gase wird durch ihre Beweglichkeit kompensiert), Konvektion (+ Evaporation, Transpiration und die Phasenübergänge des Wassers), Absorption und Emission, Thermalisierung und Kühlung.

Wackelige Grundkenntnisse

Wie wackelig hier die elementarsten Grundkenntnisse sind, zeigt sich darin, dass manche meinen, wenn von »Wärmestrahlung« die Rede sei, müsse diese auch immer und überall wärmend wirken – egal, um welche Temperaturen es sich handelt.

Das ist der weitere Denkfehler, der hinter der Idee der »Gegenstrahlung« (»back radiation«) steckt – durch die der Boden noch einmal erwärmt werden soll von der Strahlung, die er bereits abgegeben hat und die in größerer Höhe z.B. von CO2 absorbiert und zur Hälfte wieder in Richtung Boden emittiert wird. Vergessen wird aber: das geschieht bei wesentlich niedrigeren Temperaturen entsprechend der Höhe, in der die Emission stattfindet. Diese »Wärmestrahlung« kann den Boden nicht noch einmal erwärmen. (Wenn es um Reflexion an einer Wolkenunterseite [Tröpfchen oder Eiskristalle] geht, handelt es sich um einen anderen Vorgang: der kann tatsächlich die Abkühlung bremsen, was der Unterschied zwischen bewölktem und sternklarem Himmel in Winternächten deutlich lehrt).

Eine Rückstrahlung homogen verteilten Kohlendioxids aus 10 km Höhe kann den Boden nicht »rückerwärmen«. Jede »Wärmestrahlung« eines offenen Kühlschranks mit ihrer der Temperatur entsprechenden Wellenlänge beweist uns das. Durch sie wird die Küche nicht erwärmt, weil die Küche bereits wärmer ist. Wärme fließt immer nur vom wärmeren zum kälteren Körper, in welcher Form auch immer.

Evidenzresistente Paradigmen

Dass diese einfachen, aber gravierenden Denkfehler im »Treibhausmodell« nicht bemerkt wurden, bevor man darauf einen Wolkenkratzer von klimatologischen Folgerungen hochzog, der nun wiederum mit weitreichendsten wirtschaftspolitischen Konsequenzen und »Transformationsplänen« verkettet ist und diese stabilisieren muss, wie er seinerseits von ihnen (wider den gesunden Menschenverstand, aber durch »Moral«) stabilisiert wird, wobei auch noch die Klimasimulationen für 80 Jahre im Voraus »vorauseilend-beweisend« postuliert werden (ein weiterer Denkfehler: gekoppelte nichtlineare Prozesse in Vielzahl sind nicht vorausberechenbar), scheint unglaublich.

Wenn es auch kein Einzelfall ist – falsche Paradigmen gibt es auch in anderen Wissenschaftsbereichen –, so sind Paradigmen doch leider sehr zählebig, da nicht die unwiderlegbare Evidenz, sondern vielmehr soziologische und psychologische Kräfte sie am Leben halten; man denke an den Widerstand der Schulgeologie gegen Alfred Wegeners Ideen von »wandernden Kontinenten« ab 1912: noch ganze 50 Jahre hielt die fixistische Front gegen den verspotteten »Nichtgeologen« Wegener – bis Anfang der 1960er Phänomene entdeckt wurden, die sogar die sukzessive Entstehung von Ozeanböden und eine passive Bewegung von Kontinenten nahelegten. Heute kann man über den Fixismus lächeln.

Wann wird sich der klimatologische Treibhaus-Fixismus bequemen, die für »vernachlässigbar« gehaltenen Details atmosphärischer Mikrovorgänge und ungleichartiger Gas—Strahlungswechselwirkungen genauer ins Auge zu fassen?

CO2 als Alloperator einer populistischen Politik

Im Moment dominiert nicht der sachbezogene Streit in der Klimawissenschaft selbst, sondern die Politisierung von Begriffen, die sachliches Denken vernebelt und emotional aufwühlt, und der moralische Einfluss populistischer Politiker, die in der »CO2-Gefahr« vor über 30 Jahren eine Riesenchance für ein zugkräftiges und vor allem äußerst »nachhaltiges« Dauerthema entdeckten: die »Klimarettung« durch erzwungene CO2-Reduzierung.

Damit kann die Politik das Versagen auf anderen, einst viel wichtigeren Gebieten vergessen machen: Armut und Hunger, schreiende Ungerechtigkeiten im eigenen Lande, inhumane Kriege vor Europas Haustür trotz Existenz eines »UN-Sicherheitsrates«, gewaltige Müllprobleme (Kunststoffverseuchung der Weltmeere), weiterhin durch Brandrodung schrumpfende Regenwälder und Artenauslöschung u.v.a.m. Nun gibt es nur noch ein Zentralthema, das auf einer einzigen All-Erklärung basiert: wir müssen CO2 reduzieren, weil dies zu einer angeblich linear fortschreitenden Erwärmung der Erde führt (selbst in dieser linearen Vorstellung steckt noch ein physikalischer Denkfehler) – dann wird wieder alles gut.


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Anmerkungen:

  1. Das dürfte auch die richtige Erklärung für die hohen Temperaturen auf der Venus sein: eine um vieles schwerere (dichtere) Atmosphäre, die daher aufgrund der adiabatischen Erwärmung am Boden viel wärmer sein muss, dazu ständig von Wolken verhangen – statt der gängigen Erklärung, es sei auf der Venus aufgrund eines extremen »Treibhauseffekts« so heiß.
  2. Die atomistische Erklärung lautet heute: Infrarot-aktiv (d.h. absorbierend und emittierend) sind all jene Gase, die aus Molekülen mit einem Dipolmoment bestehen, die also nicht aus gleichen Atomen zusammengesetzt sind: Wasser H2O (H=O=H), Kohlendioxid CO2 (O=C=O), Methan CH4 u.a. Durch das Dipolmoment, so erklärt man, können die Bindungen zwischen den ungleich elektronegativ geladenen Atomen in »Schwingung« geraten (obwohl diese Bindungen materiell nicht vorhanden sind), dabei gibt es verschiedene Freiheitsgrade für Schwingungen (Vibrationen), die man den verschiedenen Infrarot-Banden solcher Moleküle zuordnet. – Dagegen sind Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2) inaktiv gegenüber Wärme-Strahlung, nicht aber gegenüber leitbarer Wärme, selbstverständlich. Offenbar hat man vergessen, dass jeder Körper (auch gasförmig) Wärme durch Leitung aufnehmen kann. Dass Gase schlechte Wärmeleiter sind, wird dadurch kompensiert, dass sie ja nicht in Ruhe bleiben, sondern erwärmtes Gas sofort aufsteigt (Konvektion) und dabei kühleres Gas nachzieht – ein Vakuum entsteht nicht.
  3. Thermalisierung bezeichnet den Vorgang, wenn absorbierte Infrarotstrahlung von einem Gasteilchen nicht als solche wieder emittiert wird, sondern durch Stoßimpulse an die Umgebung weitergegeben wird: diese Umgebung wird hiermit direkt erwärmt, eben »thermalisiert«. Ob die absorbierte Strahlung durch Stoßimpulse oder wiederum durch Abstrahlung abgegeben wird, hängt von der Dichte des Gases ab, nämlich von den freien Weglängen der bewegten Gasteilchen und der Zeitspanne bis zum nächsten Zusammenstoß. Ist diese Zeit kürzer als die Zeitspanne zwischen Absorptions- und Emissionsvorgang (wie in Bodennähe bei höherer Dichte), wird »thermalisiert«. Ist die Zeitspanne größer, kann emittiert werden, und dies findet in höheren Atmosphärenschichten bei geringerer Gasdichte statt.
  4. »On the Influence of Carbonic Acid in the Air Upon the Temperature of the Ground«, Philosophical Magazine 41, 237-276.

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4 Kommentare

  1. Die Freiheit der Wissenschaft lebt vom begründeten Widerspruch. Das dominierende Narrativ ist: „97 Prozent der Wissenschaftler gehen vom menschengemachten Klimawandel aus“. Wie werden die abweichenden Forschungsergebnisse im wissenschaftlichen Diskurs respektvoll behandelt.

  2. Hans-Florian Hoyer

    Es ist immer wieder verblüffend, wenn eine einzelne Persönlichkeit den Anspruch aufstellt, das Irren von 90% der anderen aufzudecken.
    Gleichzeitig wird nebenbei die Dysfunktionalität des weltweiten Wissenschaftsbetriebens unterstellt.

  3. Seit langem lese ich mit viel Interesse die Beiträge in diesem Blog. Ich komme dabei aber immer deutlicher an die Grenzen meiner Urteilsfähigkeit, v.a. da, wo ich nicht eine eigene fundierte Fachlichkeit einbringen kann – so auch in diesem Beitrag. Was ich lese, wirkt auf mich kohärent und stimmig. Wenn ich dann Ausführungen anderer Autoren mit gegensätzlicher Darstellung lese, so kann ich oft nicht sagen, wem ich eher folgten könnte (es sei denn, dass deutliche Brüche in der Argumentation deutlich sind).
    Eigentlich wäre es für mich nötig, dass in Zukunft solche Themen vermehrt im Dialog behandelt werden, mit Rede und Gegenrede.

    • Der Kommentar ist nachvollziehbar. Das Problem ist, dass allein schon das Verstehen wissenschaftlicher Auseinandersetzungen entsprechende Kenntnisse voraussetzt. Wenn man eine Argumentation auf ihre Kohärenz überprüfen kann, ist schon ein wichtiges Kriterium erfüllt. Leider garantiert die Rede und Gegenrede zweier Fachwissenschaftler auch nicht unbedingt einen höheren Grad an Verständlichkeit.

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