Man kann eine Menge falsch machen, wenn man versucht, den Treibhauseffekt zu widerlegen. Zu einer ungeeigneten Wahl der Systemgrenzen treten die Vertauschung von Ursache und Wirkung, die Fokussierung auf irrelevante Details und das fehlende Verständnis physikalischer Gesetze als häufigste Irrtümer. Uli Weber führt uns hier bei Tichys Einblick gleich alle davon vor. Wo soll man da anfangen mit der Richtigstellung, wie auch den Lesern die wirklichen Zusammenhänge erläutern, die nicht über eine naturwissenschaftliche oder technische Ausbildung verfügen?

Ich denke, eine einfache, hoffentlich auch für Laien verständliche phänomenologische Erläuterung der Wirkungsweise von Treibhausgasen in der Atmosphäre könnte hilfreich sein, um in der Klimadebatte den Boden der Wissenschaft nicht verlassen, um seine Zweifel an der Vernunft der gegenwärtigen Klimapolitik nicht mit einer fachlich unhaltbaren Position begründen zu müssen.

In der Physik charakterisiert man Systeme anhand von Erhaltungsgrößen. Die Kunst besteht dabei in der Komplexitätsreduktion durch die Trennung des Wesentlichen vom Unwesentlichen. Im Alltagsleben versteht man unter einem „Modell“ häufig etwas, das die Wirklichkeit im Miniaturformat so exakt und umfassend wie möglich abbildet. In der Physik ist ein „Modell“ das genaue Gegenteil. Aus der Verminderung der Detailtiefe entsteht eine abstrakte Darstellung, die nur die für das Verständnis eines Effektes relevanten Elemente beinhaltet.

Die Energiebilanz der Erde

In Bezug auf den Energiehaushalt der Erde ist daher das einfallende Sonnenlicht der einzige zu betrachtende Faktor. Alle anderen Einflüsse, vor allem der Wärmestrom aus dem Erdinneren, sind um Größenordnungen kleiner und daher vernachlässigbar.

Die Leistungsdichte der solaren Einstrahlung auf der Höhe der Erdbahn beträgt 1.367 W/m². Davon werden 30% gleich wieder reflektiert. Die restlichen 70% oder 957 W/m² absorbiert unser Planet, erwärmt sich und emittiert dadurch auch wieder selbst in den Weltraum. Die aufgenommene Energie wird dabei vollständig wieder abgegeben, das verlangt der Energieerhaltungssatz. Einfach gesagt: Was rein geht, geht auch wieder raus. Alles andere wäre fatal. Befände sich die Erde nicht im energetischen Gleichgewicht, wäre sie nach vier Milliarden Jahren entweder längst in tiefer Kälte erstarrt oder verglüht.

Die Einstrahlung erfolgt über die Querschnittsfläche, die Abstrahlung aber über die gesamte um einen Faktor vier größere Oberfläche. Ergo emittiert die Erde im zeitlichen und räumlichen Mittel 239 W/m² wieder ins All. (Falls Sie jetzt darüber stolpern, in anderen Quellen leicht abweichende Zahlenwerte zu finden, lassen Sie sich davon nicht beirren. Es geht um das Prinzip.)

Für die Gesamtenergiebilanz ist es vollkommen unerheblich, wo auf der Erde zu welchem Zeitpunkt welche Energiemengen absorbiert und welche wieder emittiert werden. Unterschiede in der Oberflächenbeschaffenheit, die Verteilung der Wolken, Differenzen in der Intensität der Einstrahlung, das alles spielt keine Rolle. Wenn man ein Wasserbecken aus vielen, unterschiedlich großen Zuflüssen füllt und über viele, ebenfalls unterschiedlich große Abflüsse wieder entleert, hängt der Wasserstand ja auch nur von der Differenz zwischen der Summe der insgesamt zugeführten und der Summe der insgesamt abgeführten Menge ab. Man kann also rechnerisch alle einleitenden und alle ableitenden Rohre zu jeweils einem zusammenfassen, am Ergebnis ändert das nichts. Ob man also die Energiebilanz für jeden Punkt der Erde in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung einzeln kalkuliert, oder Ein- und Abstrahlung gedanklich gleichmäßig über die gesamte Erdkugel verteilt, ist schlicht egal. Eine Modellerde, die gleichmäßig 239 W/m² absorbiert und 239 W/m² wieder emittiert, gibt daher die Realität hinsichtlich dessen, was erläutert werden soll, ausreichend genau wieder.

Jetzt kommt der berüchtigte „schwarze Körper“ ins Spiel. Die Physik sieht als einen solchen ein Objekt an, das sämtliche einfallende Strahlung absorbiert, dessen Emission also keine reflektierten Anteile enthält. Oben wurden die von der Erde reflektierten Anteile der solaren Einstrahlung aus der Energiebilanz ausgeklammert. Das ist problemlos möglich, da diese in einem völlig anderen Wellenlängenbereich als die Emissionen liegen. Man kann daher unseren Planeten in dem hier betrachteten Zusammenhang als schwarzen Strahler betrachten. Für den es wiederum eine eindeutige Beziehung zwischen der Strahlungsleistung und der Temperatur gibt, die das „Stefan-Boltzmann-Gesetz“ formuliert. Für einen schwarzen Körper mit einer räumlich und zeitlich gemittelten Abstrahlung von 239 W/m² liefert diese Gleichung eine mittlere Temperatur von ungefähr 255 Kelvin oder -18 Grad Celsius.

Die Strahlungsemission der Erde findet nicht bei einer bestimmten Frequenz statt, sie ist über einen breiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums „verschmiert“ – und zwar ebenfalls in einer charakteristischen, allein von der Temperatur abhängigen Form. Man kann dieses Strahlungsspektrum aus dem Weltraum mithilfe von Satelliten aufnehmen. Mit demselben Ergebnis. Die Erde verhält sich wie ein schwarzer Strahler bei einer Temperatur von -18 Grad. Obige Abschätzung und gemessene Daten stimmen überein.

Das kann doch, werden viele jetzt einwenden, nicht wahr sein. Auf der Erdoberfläche ist es doch viel wärmer. Klimaforscher sprechen manchmal von einer mittleren Durchschnittstemperatur von 14 bis 15 Grad (obwohl die Angabe eines solchen Wertes aus vielerlei Gründen, die den Rahmen dieses Textes sprengen würden, vollkommen sinnlos ist).

Und genau diese offensichtliche Differenz wird durch den Treibhauseffekt verursacht. Zum Glück, kann man nur sagen, denn andernfalls wäre die Erde schlicht nicht warm genug für das Leben, wie wir es kennen und schätzen.

Das Bild vermittelt noch einmal das bis hierhin gesagte. Es zeigt einen weiteren für das Verständnis der Energiebilanz wichtigen Faktor. Die Abstrahlung in den Weltraum erfolgt nämlich nicht vom Erdboden aus. Die Systemgrenze zwischen Erde und All hinsichtlich der Energieerhaltung ist nicht die Oberfläche, sie liegt vielmehr in einigen Kilometern Höhe in der Atmosphäre. Dafür sorgen die Treibhausgase.

Die Physik der Atmosphäre

Wir leben am Grund eines Ozeans aus Luft. Der, von einem kleinen sogenannten „atmosphärischen Fenster“ abgesehen, weitgehend undurchlässig für die infrarote Abstrahlung des Erdbodens ist. Denn die Treibhausgase, und dazu zählen fast alle drei- oder mehratomigen Luftmoleküle, absorbieren die Emission der Oberfläche in großem Umfang. Die Atmosphäre wird wie durch eine Kochplatte von unten erwärmt. Was Konvektionsprozesse auslöst und natürlich auch wieder eine elektromagnetische Abstrahlung durch die Luft selbst bedingt. Das folgende Schaubild soll einen Eindruck der vielfältigen Prozesse des Energietransports in und durch die Atmosphäre vermitteln.

Manchen bereitet die infrarote Emission der Atmosphäre, die in Teilen auf den Boden zurückwirkt und diesen zusätzlich zur Sonneneinstrahlung erwärmt, erhebliches Kopfzerbrechen. Allerdings handelt es sich hier um ein energetisches Nullsummenspiel, denn die Erdoberfläche reagiert darauf wiederum mit einer höheren Abstrahlung. An der Gesamtenergiebilanz ändert sich nichts. Wenn man in dem oben angeführten Beispiel des Wasserbeckens einen zusätzlichen Abfluss installiert, aus dessen Ende man das Wasser dem Behälter wieder zuführt, hat dies auf den Wasserstand auch keine Auswirkungen. Die sogenannte Gegenstrahlung ist keine zusätzliche Energiequelle.

Bilanziert man die in der Abbildung angedeuteten Vorgänge und rechnet sie gegeneinander auf, wird erneut eine radikale Vereinfachung des Modells möglich, die nur mehr die relevanten Prozesse zeigt. Man darf in erster Näherung, ohne die Gesamtenergiebilanz zu verfälschen, die Atmosphäre als vollkommen transparent für die einfallende, kurzwellige Sonnenstrahlung ansehen und als vollkommen undurchsichtig für die von der Oberfläche emittierte langwellige Abstrahlung. In der Atmosphäre wird die Energie dann allein durch Konvektion transportiert, bis sie schließlich aus den höheren, weniger dichten Luftschichten wieder in den Weltraum entkommt.

Die Temperatur an der Grenzschicht, ab der die emittierten infraroten Quanten das All erreichen, beträgt -18 Grad Celsius, wie oben gezeigt. Die Temperatur am Erdboden, etwa 5,5 Kilometer darunter, ist aufgrund des sich in der Atmosphäre herausbildenden Temperaturgradienten höher. Gemäß der barometrischen Höhenformel liegt dieser in feuchter Luft bei etwa 0,6 Grad pro hundert Meter. Am Erdboden ist es also etwa 33 Grad wärmer, als in 5.500 Metern Höhe. Mit steigender Konzentration der Treibhausgase verringert sich die Durchlässigkeit der Atmosphäre für die infrarote Abstrahlung und desto höher steigt die Grenze zum Weltraum, ab der die langwelligen Photonen der Atmosphäre entkommen können. Der Temperaturgradient ändert sich dabei aber kaum, er kann näherungsweise als linear angesetzt werden. Wäre die Atmosphäre nicht nur in dem kleinen Fenster, sondern über alle Frequenzbereiche für Strahlung durchlässig, dann betrüge die Emissionshöhe null und am Erdboden hätten wir in der Tat im Mittel -18°.

Das ist der Treibhauseffekt. Er ändert nichts an der Energiebilanz des Planeten, er verändert lediglich die Verteilung der Wärme in der Atmosphäre. Er widerspricht nicht den Gesetzen der Physik, er ist vielmehr eine zwingende Folge derselben. Wie die Erläuterung zeigt, basiert er auf nur zwei Voraussetzungen: dem Energieerhaltungssatz und der Eigenschaft von Treibhausgasen, infrarote Strahlung zu absorbieren. Wer den Treibhauseffekt anzweifelt, zweifelt im Prinzip an einer dieser beiden Tatsachen und betreibt daher Pseudowissenschaft. Oder Esoterik, ganz wie man es benennen möchte.

Die beispielsweise durch die Erddrehung, die unterschiedliche Bodenbedeckung und die Neigung der Erdachse bedingte Variabilität von Absorption und Emission an verschiedenen Punkten der Erdoberfläche zu verschiedenen Zeiten sorgen für eine von Ort zu Ort unterschiedliche Erwärmung der Luft. Wodurch die einzelnen Klimazonen entstehen. Das, was wir zusammenfassend als „Wetter“ bezeichnen, sind im Prinzip nur Vorgänge, die die Differenzen im Energiegehalt der Atmosphäre auszugleichen trachten. Je höher man steigt, desto deutlicher zeigt sich deren Effekt, denn desto gleichmäßiger wird die Temperatur in der Troposphäre. Bis man schließlich auf eine Schicht stößt, die tatsächlich rund um den Globus eine Temperatur von -18 Grad Celsius aufweist und die die eigentliche energetische Grenze zum Weltraum darstellt.

Die Klimadebatte

Man kann nicht nur, man wird sogar zwingend eine Menge falsch machen, wenn man versucht, den Treibhauseffekt zu bestreiten. Trotzdem versuchen dies immer wieder viele Klimaskeptiker. Weil sie dem irrigen Glauben verfallen sind, der Treibhauseffekt begründe die Klimaschutzideologie und um diese loszuwerden, müsse man ihn daher widerlegen. Aber damit erweisen sie ihrer Sache einen Bärendienst. Denn man büßt jede Glaubwürdigkeit ein, wenn man gegen und nicht mit der Physik argumentiert.

Es ist berechenbar, wie sich die  Temperatur der bodennahen Luftschichten in Abhängigkeit von der Dichte der Treibhausgase in der Atmosphäre entwickelt. Jede Verdoppelung der Kohlendioxid-Konzentration führt beispielsweise zu einem Anstieg von nur einem Grad. Auch nach 200 Jahren industrieller Revolution hat die Menschheit diese Größenordnung noch lange nicht geschafft, die Kohlendioxid-Konzentration ist lediglich von 280 ppm auf knapp über 400 ppm gestiegen. Die Mengen an Kohle, Erdöl und Erdgas, die noch zu verbrennen wären, um in wirklich riskant erscheinende Größenordnungen vorzustoßen, liegen außerhalb unserer Möglichkeiten.

Um von einer geringen, anthropogen induzierten Erwärmung zu einer Klimakatastrophe zu gelangen, sind zahlreiche zusätzliche Annahmen erforderlich. Große Teile der staatlich finanzierten Klimaforschung beschäftigen sich seit Jahrzehnten damit, über solche zu spekulieren und sie durch mehr oder weniger phantasievolle Rechenübungen zu belegen. Das Spektrum der Ideen reicht von hypothetischen Verstärkungseffekten, mit denen das Klimasystem auf eine anfänglich schwache Erwärmung reagiert, bis hin zur Vermutung, das Ausmaß der möglichen Veränderungen könne die Anpassungsfähigkeit des Menschen und der Biosphäre überschreiten. Die Klimakatastrophe würde zudem nur eintreten, wenn die negativen Folgen eines Klimawandels seine positiven bei weitem überstiegen. Und Klimaschutz ergibt nur dann wirklich Sinn, wenn es keine natürlichen, vom Menschen nicht kontrollierbare Faktoren gibt, die auf den gleichen Zeitskalen dieselben Wirkungen zeigen wie eine Erhöhung der Treibhausgaskonzentration. Es gilt, solche Hypothesen zu hinterfragen und kritisch zu beleuchten. Den Treibhauseffekt zu bezweifeln, stärkt hingegen die Argumentation der „Klimaschützer“, weil man ihnen hinsichtlich der perfiden Gleichsetzung von Treibhauseffekt und Klimakatastrophe implizit zustimmt.