Aus FUSION 1/2001:


Leserforum


Wissenschaftlicher Streit um ein Klimamodell
Antwort des Autors

Wissenschaftlicher Streit um ein Klimamodell

Zu dem Artikel "Der thermodynamische Atmosphäreneffekt" von Dipl. Ing. Heinz Thieme (FUSION 3/2000).

Bei dem Modellplaneten wird im 4. Schritt die Schwerkraft "eingeschaltet", was natürlich - wie Herr Thieme richtig anmerkt - zu einem höheren Gasdruck am Boden führt. Unmittelbar nach dem Einschalten wird auch zweifellos das Gas in Bodennähe komprimiert und in der Nähe der "Hülle" expandiert. Wenn man sich vorstellt, daß diese Vorgänge rasch ablaufen, führt dies tatsächlich kurzfristig zu Temperaturänderungen des Gases (am Boden wird's zunächst wärmer, an der Hülle jedoch kälter). Allerdings ist dieser Zustand kein Gleichgewichtszustand: Der Erdboden und die "Hülle" stehen im Strahlungsaustausch. Nur die Luft könnte sie daran hindern - tut sie aber nicht, denn wenn ihre Zustandsänderungen adiabat ablaufen sollen, dann muß auch der Wärmeaustausch durch Strahlung ausgeschlossen werden, d.h. die Luft darf keine Strahlung absorbieren oder emittieren. Somit hat auch der Erdboden eine starke Tendenz, seine Temperatur der Hüllentemperatur anzunähern. Er gibt, sofern er wärmer ist als -18°C, ständig einen Wärmestrom an die Hülle ab. Herr Thieme rechnet nun aus, daß der Erdboden wärmer ist als die Hülle; also muß dem Erdboden ständig ein Wärmestrom zugeführt werden, um die auf die Hülle abgestrahlte Energie zu ersetzen. Dies soll nach Thieme durch die Gasfluktuation bedingt sein: Gas mit der niedrigen Hüllentemperatur von -18°C sinkt ab auf den Erdboden und erfährt dadurch eine adiabate Kompression. Dabei erreicht es ca. +15°C und kommt in Kontakt mit dem Erdboden. Dabei gibt es Energie ab, erreicht also eine Temperatur niedriger als +15°C. Beim anschließenden Aufstieg wird es also durch adiabate Expansion auf eine Temperatur unterhalb von -18°C abgekühlt und kann somit von der Hülle Energie aufnehmen. Diese Gasfluktuation wird von Thieme ausdrücklich in den Voraussetzungen erwähnt.

Allerdings würde diese Gasfluktuation in Herrn Thiemes Modellplanet Nr. 4 nicht stattfinden können: Die Luft-Volumenelemente, die sich am Boden abgekühlt haben, sind nämlich kälter und somit auch schwerer (d.h. dichter) als andere Gasvolumenelemente in ihrer Umgebung. Sie können also folglich nicht von selbst aufsteigen. Andersherum sind die Gasvolumenelemente, die sich oben an der Hülle aufgewärmt haben, leichter als andere Volumenelemente in ihrer Umgebung. Sie können deshalb nicht von selbst absinken. Somit ist der von Herrn Thieme vorausgesetzte Luftaustausch unmöglich, und der Planet wird isotherm (d.h. wie in Modell Nr. 3 stellt sich überall eine Temperatur von -18°C ein). Den thermischen Atmosphäreneffekt gibt es nicht.

Dem Leser sollte aber auch vor Augen stehen, was richtig. ist: Adiabate Zustandsänderungen (d.h. solche ohne Wärmezu- und -abfuhr) treten auf, wenn entweder eine gute Isolierung vorliegt oder die Zustandsänderung sehr schnell abläuft (Schallwellen) oder wenn das betrachtete System so groß ist, daß kein Partner für einen nennenswerten Wärmeaustausch vorhanden ist. Letzteres ist beim Aufstieg von Luftmassen in der Atmosphäre der Fall, was einer der Gründe für die im Durchschnitt niedrigere Temperatur in großen Höhen ist. Falsch ist jedoch, daß dieser Luftaustausch von selbst stattfinden kann: Voraussetzung für den Aufstieg von Luftmassen ist Sonneneinstrahlung (oder eine andere Wärmefreisetzung am Boden, z.B. ein großes Feuer) - das wird jeder Segelflieger bestätigen können. Die Temperaturverteilung in der Atmosphäre ist also kein Gleichgewichtszustand, wie Herr Thieme behauptet, sondern ein Ungleichgewichtszustand, der nur durch die Sonneneinstrahlung aufrechterhalten werden kann.

Roland Schmidt, Braunschweig

(Roland Schmidt ist Diplom-Physiker, tätig am Institut für Thermodynamik der TU Braunschweig.)

Antwort des Autors

Stellungnahme zu den Leserbriefen von P. Dietze, Dr. E. Werner in Fusion 4/2000 und R. Schmidt (oben) zum Artikel "Der thermodynamische Atmosphäreneffekt"

Herr Dietze wiederholt in seinen Ausführungen im wesentlichen jene Thesen, die im Artikel "Der thermodynamische Atmosphäreneffekt" in Fusion 3/2000 als "... unter Vernachlässigung jeglichen physikalischen Grundlagenwissens gewonnen..." kritisiert worden sind. Hierzu gehören:

1. Beschränkung auf Betrachtungen des Strahlungsgleichgewichts an der Planetenoberfläche, auch wenn dort eine Gas-Umgebung vorhanden ist,

2. die angeblich durch "Gegenstrahlung", also durch selbsttätige Energieübertragung von kalt nach warm, erhöhte Bodentemperatur; dies ist eine Leugnung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik,

3. er leugnet die Zusammenhänge um die thermodynamischen Zustandsänderungen der Luft; teilweise leugnet er auch den Vorgang der Konvektion (Wärmeübergang durch Mitnahme), wodurch gegebenenfalls sehr erhebliche Energiemengen von der Erdoberfläche in die Atmosphäre eingetragen werden.

Hinzu kommen dann noch weitere, zuvor noch nicht vernommene Vorstellungen wie die Abnahme der vertikalen Molekelgeschwindigkeit nach oben durch die Schwerkraft und die Existenz von völlig strahlungsdurchlässigen Substanzen, welche aber doch eine Masse ausweisen und eine Atmosphäre ausmachen können.

Dietze ist es offenbar nicht aufgefallen, daß eine völlige sachliche Verträglichkeit mit den in früheren Veröffentlichungen dargestellten Zusammenhängen (siehe http://people.freenet.de/klima und http://krahmer.freepage.de/klima/thieme/thieme.html) gegeben ist.

Die auch von Dr. Werner und Schmidt eingeworfene Ansicht, daß die durch die Druckerhöhung eintretende Temperaturerhöhung nur vorübergehender Art ist, ist unzutreffend. Experimentelle Untersuchungen zeigen und auch die Theorie der Wärme erklärt, daß eine Wärmestrahlung aus dem Inneren von Gasen nur dann auftritt, wenn entweder hohe Temperaturen vorliegen, z.B. innerhalb von Flammen, oder aber die Gase bei geringen Drücken vorliegen. Beides ist in dem von mir konstruierten Beispiel nicht der Fall.

Gase haben die Eigenschaft, Strahlung bestimmter, von der jeweiligen atomaren/molekularen Struktur abhängenden Frequenzen zu absorbieren (siehe Graedel, T. E., Crutzen, P. J., Atmospheric Change, 1993, S.44) und in Wärme umzusetzen.

Die Auffassung, daß sämtliche Materie, die Strahlung absorbiert (und damit Energie aufnimmt), die absorbierte Energie auch wieder ausschließlich über Strahlung abgibt, konnte bislang bei Gasen experimentell nicht als generell zutreffend bestätigt werden (vgl. Hug, H., Vom Computer errechnete Klimakatastrophe, FAZ, 05.12.2000). Außerdem widerspricht eine solche Auffassung bei Gasen der weithin akzeptierten Vorstellung, daß gerade Strahlung jener Frequenzen absorbiert wird, die auch ausgesendet werden. Nimmt man an, daß ein Volumenelement Strahlung emittieren würde, dann würde zwangsläufig das benachbarte Volumenelement ebendiese Strahlung wieder absorbieren. Der resultierende Effekt ist: Gase strahlen nicht, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung, das sind die benachbarten Volumenelemente, befinden. Und das ist bei der von mir konzipierten innenliegenden Atmosphäre mit den dort angesetzten Drücken und Temperaturen der Fall. Es kann hier ausgeschlossen werden, daß der durch die Druck- und Dichteänderung eingetretene Wärmezustand durch Energieabstrahlung seitens der Gasmoleküle in den jeweiligen Luftvolumina verändert werden kann. Diese Luftvolumina befinden sich, wie bereits ausgeführt, im thermischen Gleichgewicht mit der jeweiligen Umgebung, es kann in einem solchen Fall ohne eine Veränderung der Zustandsgrößen Druck und Dichte auch keine Veränderung des Wärmezustands der einzelnen Luftvolumina stattfinden. Deshalb bleibt die adiabatisch verursachte Temperaturänderung bei fixierten Randbedingungen erhalten.

Die Kritikpunkte von Schmidt dürften darauf zurückzuführen sein, daß er die im 4. Schritt unterstellte "gewisse Zirkulation innerhalb der Luftschicht" übersehen hat. Eine selbständige Zirkulation, falls eine solche sich ergeben würde, hätte ja nicht unterstellt werden müssen. Eine solche selbständige Zirkulation kann es in der skizzierten Konstellation allerdings nicht geben. Die Unterstellung, d. h. der Ansatz, daß eine Zirkulation innerhalb der Luftschicht existiert, bedingt natürlich einen Fremdantrieb hierfür.

In der entsprechenden Internet-Version meines Aufsatzes, zu finden unter http://people.freenet.de/klima/indexAtmos.htm (deutsche Fassung) bzw. http://www.geocities.com/atmosco2/atmoseffect.htm (englische Fassung), habe ich versucht, der Kritik zu diesem Punkt durch ein etwas ausführlicheres Eingehen auf die in den einzelnen Schritten eintretenden Zustandsänderungen der Luft in der innenliegenden Atmosphäre und durch Hinzufügen eines Zwischenschrittes die Ansatzpunkte zu nehmen.

Dipl.-Ing. Heinz Thieme, Kaarst