Was ist der Treibhauseffekt?

Im Dokument „Climate Change 2021: The Physical Science Basis“ herausgegeben von der „Working Group I“ (WGI) als Beitrag zum „Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change“ (AR6) wird der Treibhauseffekt im Glossar auf Seite 2232 folgendermaßen beschreiben:

„Treibhauseffekt, der infrarote Strahlungseffekt aller infrarot-absorbierenden Bestandteile in der Atmosphäre. Treibhausgase (THGe), Wolken und einige Aerosole absorbieren die terrestrische Strahlung, die von der Erdoberfläche und anderswo in der Atmosphäre emittiert wird. Diese Substanzen emittieren Infrarotstrahlung in alle Richtungen, aber – alles andere gleich – ist die Netto-Menge, die in den Weltraum abgestrahlt wird, normalerweise geringer, als sie ohne diese Absorber wäre, wegen des Temperaturabfalls mit der Höhe in der Troposphäre und der daraus folgenden Abschwächung der Emission. Eine Erhöhung der Konzentration von THGe vergrößert die Stärke dieses Effekts; der Unterschied wird manchmal als verstärkter Treibhauseffekt bezeichnet. Die Änderung der Konzentration eines THG aufgrund anthropogener Emissionen trägt zu einem instantanen Strahlungsantrieb bei. Die Erdoberflächentemperatur und die Troposphäre erwärmen sich als Reaktion auf diesen Antrieb und stellen allmählich den Strahlungsausgleich an der Obergrenze der Atmosphäre wieder her.“

Original

„Greenhouse effect The infrared radiative effect of all infrared-absorbing constituents in the atmosphere. Greenhouse gases (GHGs), clouds, and some aerosols absorb terrestrial radiation emitted by the Earth’s surface and elsewhere in the atmosphere. These substances emit infrared radiation in all directions, but, everything else being equal, the net amount emitted to space is normally less than would have been emitted in the absence of these absorbers because of the decline of temperature with altitude in the troposphere and the consequent weakening of emission. An increase in the concentration of GHGs increases the magnitude of this effect; the difference is sometimes called the enhanced greenhouse effect. The change in a GHG concentration because of anthropogenic emissions contributes to an instantaneous radiative forcing. Earth’s surface temperature and troposphere warm in response to this forcing, gradually restoring the radiative balance at the top of the atmosphere.“

Oder etwas nachvollziehbarer formuliert:

• In der Atmosphäre gibt es Stoffe, die Wärmestrahlung aufnehmen können: Treibhausgase, Wolken und Aerosole (winzige Feststoffe).
• Diese Elemente nehmen die Wärmestrahlung auf, die sowohl von der Erdoberfläche als auch von der Atmosphäre selbst ausgesendet wird.
• Anschließend senden sie selbst Wärmestrahlung in alle Richtungen aus.
• Weil es in der Atmosphäre mit der Höhe kälter wird, strahlen die oberen Schichten weniger Energie ins Weltall ab als die Erdoberfläche selbst abstrahlen würde, wenn es diese absorbierenden Stoffe nicht gäbe.
• Wenn es mehr Treibhausgase gibt, wird dieser Effekt stärker. Mehr Treibhausgase bedeutet also, dass weniger Energie ins All entkommt.
• Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht zwischen der Strahlung, die von der Sonne kommt, und der Strahlung, die die Erde verlässt.
• Damit wieder Gleichgewicht herrscht, also genau so viel Energie die Erde verlässt, wie diese von der Sonne erhält, erwärmt sich die Erdoberfläche und die Troposphäre.

Verstehen kann man diese Beschreibung des IPCC deutlich besser, wenn man sich das Ganze wie eine Wasserleitung vorstellt:

1. Das Wasserwerk – (beim Treibhauseffekt: die Sonne) liefert Wasser (in der Atmosphäre: Energie).
2. Ein Teil dieses Wassers geht auf dem Weg verloren, weil die Zuleitung undicht ist (beim Treibhauseffekt: Albedo).
3. Der Rest läuft in eine Badewanne (beim Treibhauseffekt: Erdoberfläche).
4. Die Badewanne hat einen geöffneten Ablauf, durch den das Wasser die Badewanne wieder verlassen kann (beim Treibhauseffekt: Wärmestrahlung der Erdoberfläche).
5. Wie viel Wasser aus der Badewanne läuft, hängt einerseits vom Durchmesser der Abwasserleitung (beim Treibhauseffekt: Fläche der Erdoberfläche), andererseits vom Druck, also von der Höhe des Wasserstandes in der Badewanne (beim Treibhauseffekt: Temperatur der Erdoberfläche) ab.
6. Auf dem Weg durch das Abwasserrohr geht durch die Reibung an der Außenwand Druck verloren (beim Treibhauseffekt: abnehmende Temperatur durch abnehmende Luftdichte), zusätzlich nimmt aber auch der Durchmesser der Leitung durch Ablagerungen immer mehr ab (beim Treibhauseffekt: Wolken, Aerosole, Treibhausgase).
7. Am Ende dieser Abwasserleitung befindet sich (wir gehen mal vom Idealfall aus) eine Kläranlage und danach letztlich das Meer (beim Treibhauseffekt: der obere Rand der Troposphäre, also die Tropopause, und danach letztlich das Weltall).
8. Weil dort sowohl der Druck als auch der Durchmesser des Abwasserrohrs aber viel kleiner ist als bei der Badewanne, kann nur noch ein Teil des Wassers ablaufen, das bei der Badewanne in das Abflussrohr hinein laufen könnte.
9. Es muss aber an diesem Ende der Abwasserleitung genau so viel Wasser ablaufen, wie in die Badewanne, vom Wasserwerk kommend, hinein läuft (beim Treibhauseffekt: Strahlungsgleichgewicht), denn sonst würde die Badewanne ja irgendwann überlaufen, was aber in den vergangenen Jahrmillionen offenkundig nie geschehen ist.
10. Logische Konsequenz: der Druck in der Badewanne muss steigen, denn dann läuft mehr Wasser ab, wodurch auch der Druck in der Abwasserleitung (beim Treibhauseffekt: Temperatur der Troposphäre) steigt, wodurch auch der Druck am Ende der Abwasserleitung (beim Treibhauseffekt: Tropopause) steigt, wordurch dort mehr Wasser ablaufen kann (beim Treibhauseffekt: Strahlungsantrieb).

Klingt doch logisch, oder?

Ist es aber nicht. Denn auch dieser „Badewanneneffekt“ hat gleich mehrere Haken:

• Es wurde ja schon festgestellt, dass die Wassermenge, die am Ende der Abwasserleitung abläuft, im Mittel mit der Wassermenge identisch sein muss, die in die Badewanne hinein läuft. Beim Treibhauseffekt bedeutet das aber: Diese Energiemenge reicht laut IPCC nur aus, um die Erdoberfläche im Mittel auf etwa -18 °C zu erwärmen.
• Da die Erdoberfläche laut IPCC aber eine mittlere Temperatur von +15 °C hat und die Temperatur direkt die abgegebene Strahlungsmenge bestimmt (Stefan-Boltzmann-Gesetz), muss in unserer Analogie deutlich mehr Wasser aus der Badewanne ablaufen als vom Wasserwerk zuläuft, also auch mehr als am Ende der Abwasserleitung abläuft.
• Die Lösung steht nicht in der Definition des Treibhauseffekts des IPCC, kann aber in der Abbildung 7.2 „Schematic representation of the global mean energy budget of the Earth“ („Schematische Darstellung des globalen mittleren Energiehaushalts der Erde“) auf Seite 934 des AR6 vom WGI (die im Kopfbereich dieser Webseite zu sehen ist): die Strahlung aus der Atmosphäre auf die Erdoberfläche (früher als „Gegenstrahlung“ bezeichnet). Diese soll zu einer zusätzlichen Erwärmung der Erdoberfläche führen und somit auch die gemessenen +15 °C erklären.
• Für unsere Badewanne bedeutet das: Wir bauen in das Abwasserrohr, einige Meter nach dem Abfluss, einen Abzweig ein und führen das dort angeschlossene zweite Rohr zurück zur Badewanne, wo wir es über einen zweiten Ablauf anschließen. Nun kann am einen Ablauf mehr Wasser ablaufen als bei der Kläranlage ankommt und der Rest fließt einfach in die Badewanne zurück.
• In der realen Welt geschieht aber etwas anderes:
  1. Auch wenn man zwei Abflüsse an der Badewanne anbringt, kommt kein Wasser in die Badewanne zurück, da dieses Wasser ja gegen den Druck laufen müsste – oder um ein noch deutlicheres Bild zu verwenden: das Wasser in einem Fluss müsste bergauf fließen, was ohne Pumpe aber nicht geschieht. Überträgt man dies auf (Strahlungs-)Energie, landet man beim 2. Hauptsatz der Thermodynamik: Wenn keine Arbeit aufgewendet wird, kann Wärme nur von warm nach kalt fließen.
  2. Für diejenigen, die an dieser Stelle einwenden, dass die Gegenstrahlung ja zusammen mit der Sonneneinstrahlung auftritt und deshalb ja gemeinsam mit dieser wirkt, gleich noch zwei Quizfragen:
  1. Wie funktioniert das auf der Nachtseite der Erde?
  2. Wie viel Eis benötigt man zusätzlich zu einer 100-Watt-Glühlampe, damit beides zusammen den warmen Kaffee in einer Tasse wieder heiß machen?
  3. Aber selbst wenn das abgelaufene Wasser doch teilweise wieder in die Badewanne zurück laufen würde, erhöht sich dadurch nicht der Wasserstand in der Badewanne. Selbst das würde also nicht den tatsächlich beobachteten Wasserstand (beim Treibhauseffekt: die Temperatur der Erdoberfläche) erklären.
• Bei der Badewanne wird schnell deutlich: Der hohe Füllstand der Badewanne hat nichts mit dem aktuellen Zu- und Abfluss des Wassers zu tun, wenn diese identisch groß sind (beim Treibhauseffekt: Strahlungsgleichgewicht).

Wenn man die Analogie mit der Badewanne verlässt, wird die Erklärung des IPCC sogar noch absurder. Denn dann entfällt auch die Wasserleitung als limitierendes Element. Die von der Erdoberfläche abgegebene Energiemenge ist somit alleine von deren Temperatur abhängig. Und wie viel dieser Energiemenge in Form von Wärmestrahlung abgegeben wird, hängt insbesondere von der Emissivität der Erdoberfläche ab.

Was danach mit dieser Energie geschieht – also innerhalb der Atmosphäre, insbesondere an der Tropopause oder am Übergang zum Weltall – hat darauf überhaupt keinen Einfluss. Die Erdoberfläche hat also schon grundsätzlich keinen Grund, ihre Temperatur zu erhöhen.

Einmal ganz von der Kleinigkeit abgesehen, dass auch in diesem Fall noch immer nicht geklärt wäre, woher die Energie für diese zusätzliche Temperaturerhöhung stammen soll.

Und schließlich sind Treibhausgase keine Ablagerungen im Abwasserrohr. Treibhausgase werden so genannt, weil sie Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung oder kurz IR-Strahlung) absorbieren und anschließend wieder abstrahlen können. Treibhausgase, oder eigentlich IR-aktive Gase, sollen also so ähnlich funktionieren, wie die Glasscheiben eines Treibhauses. Die Hauptbestandteile von trockener Luft (78,08 % Stickstoff, 20,95 % Sauerstoff, 0,934 % Argon, somit bereits nur diese drei zusammen: 99,964 %) können dagegen weder Wärmestrahlung absorbieren noch abstrahlen. Das bedeutet: nahezu die gesamte Energie, die von der Atmosphäre ins Weltall abgestrahlt wird, wird durch die IR-aktiven Gase abgestrahlt. Ohne diese Gase wäre die Atmosphäre nur noch über die Aerosole in der Lage, Energie an das Weltall abzugeben. Warum sollten dann aber mehr IR-aktive Gase zu einer Temperaturzunahme der Atmosphäre führen?

Diese Beschreibung des IPCC hat offenkundig nichts mit einem Treibhaus zu tun. Dass man dennoch vom „Treibhauseffekt“ bzw. vom „atmosphärischen Treibhauseffekt“ spricht, liegt an der historischen, aber falschen Vorstellung einiger Wissenschaftler davon, wie ein Treibhaus funktioniert.

Warum das IPCC auch die neue Hypothese wieder „Treibhauseffekt“ nennt, geht aus der neuen Definition nicht hervor.