Bauen und Heizen sollen sich am Klimaschutz orientieren. Dabei geht es bislang hauptsächlich um die Verhinderung einer Klimaerwärmung durch anthropogenes CO2.  Aber kann ein flüchtiges Gas wie CO2 tatsächlich das Klima verändern? Ein Gas zumal, dass nur 0,04 % Luftanteil hat?   

Nationale Gesetze und Verordnungen sowie internationale Vereinbarungen zum Klimaschutz wurden und werden mit dem "Treibhauseffekt" begründet, der von einer durch menschliche Aktivitäten bedingten Zunahme des CO2 Anteils in der Atmosphäre zu verantworten sei. Deshalb soll der weltweite CO2-Ausstoß minimiert werden.

Die Angst vor einer eventuell CO2-verursachten Klimakatastrophe wurde zur Legitimation von Atomkraftwerken genutzt, führte zur Gründung des Weltklimarates (IPPC), zu Ökosteuer und internationalem Emissionsrechte-Handel. Auch die Förderung regenerativer Energien und die Entwicklung des Elektroautos wurde durch sie angetrieben.

Ziel der Energieeinsparverordnung (EnEV) ist ebenfalls eine CO2-Reduktion. Durch bessere Gebäude-Dämmung und energieffizientere Heiztechnik soll der CO2-Ausstoß stark gemindert werden. Die Bewertung der sog. Primärenergiefaktoren wurde nach dieser Zielsetzung definiert. Und ab 2020 dürfen in der Europäischen Union nur noch "klimaneutrale" Gebäude errichtet werden, deren Restheizbedarf gegen Null tendiert.

Im Neubau sind dann nur noch leistungsschwache Elektroheizungen zwecks Ausgleich gelegentlicher Wärmedefizite wirtschaftlich. Herkömmliche Heizungssysteme wären per se überdimensioniert. . 

Elektrische Infrarotheizungen sind dabei die Gewinner: Denn sie reduzieren die in luftdichten Bauten bestehende erhöhte Schimmelgefahr und ermöglichen eine gleichmäßige Behaglichkeit ohne Luftaustrockung. Außerdem sind elektrische Infrarotheizungen selbst für geringste Heizrestbedarfe paßgenau und formschön lieferbar (z.B. 200 Watt Infrarotheizung als Spiegelheizung oder Bildheizung).

Die meisten anderen Heizformen sind in Passivhäusern, Nullenergiegebäuden oder sog. klimaneutralen Bauten letztlich überproportioniert, unzweckmäßig und alles andere als wirtschaftlich.

Klimapolitik und Wissenschaft

CO2-bezogene Gesetze und Verordnungen können sich bis heute auf keinen wissenschaftlich gesicherten Erkenntnisstand berufen. So wird z.B. in einer auf der Webseite der Deutschen Metereologischen Gesellschaft veröffentlichten Stellungnahme zum Treibhauseffekt festgestellt: "Es ist unstrittig, daß der anthropogene Treibhauseffekt noch nicht unzweifelhaft nachgewiesen werden konnte". 

Es gibt in den zuständigen Wissenschaftsbereichen wie Physik, Chemie und Metereologie nicht einmal einen Minimal-Konsens über die klimatische Bedeutung des anthropogenen Anteils an CO2 in der Atmosphäre. Während Vertreter der Treibhauseffekt-Hypothese dringlichen Handlungsbedarf zur Vermeidung einer weltweiten Klimakatastrophe anmahnen, sind viele andere Wissenschaftler der Ansicht, ein solches Ansinnen beruhe auf pseudowissenschaftlichen Uberlegungen und spekulativen Computersimulationen.

Aber selbst wenn die Meinung der wissenschaftlichen Kritiker der Treibhaustheorie zum allgemeinen Grundverständnis würde, könnte es eventuell sinnvoll bleiben, am Ziel der CO2-Reduktion bis auf weiteres festzuhalten. Denn die Menge des anthropogenen Anteils des CO2-Gehalts der Atmosphäre kann als ein genereller Indikator für den Umfang von Verbrennungsvorgängen dienen, welche die Luft global durch Verbrennungsrückstände belasten. Und Luftverschmutzung wird zu einem immer größeren weltweiten Problem. Mehr Info: Max-Planck-Institut für Chemie

Auch wenn eine Vermehrung des anthropogenen Kohlendioxid-Anteils selbst keine negativen Auswirkungen auf die Lebensbedingungen hat, kann eine weltweit regulierte Reduktion des CO2-Ausstosses ein wichtiges Instrument zur Luftreinhaltung sein: Denn eine Reduktion des CO2-Ausstosses führt auch in Staaten, die noch über keine differenzierte Umweltschutzgesetzgebung verfügen, zu einer nachhaltigen Verminderung der gesundheitschädlichen, umweltbelastenden und klimaverändernden Stoffe, die bei von Menschen erzeugten Verbrennungsvorgängen in die Atmosphäre gelangen.

Solange sich die globale Luftverschmutzung nicht durch differenzierte Regulation eingrenzen läßt, ist CO2-Reduktion eine wirksame Generalmaßnahme zur Verhinderung einer weiterhin dramatisch zunehmenden Verschlechterung der Luftqualität.

CO2-Regulation ist eine gute Überbrückungsmaßnahme für Länder ohne ausreichende Umweltschutzgesetze. Nach dem Motto: Luftverschmutzung besser so reduzieren als gar nicht!

Die CO2-bezogene Klimadebatte in Deutschland

Der maßgebliche Auftakt zu einer politisch relevanten Klima-Diskussion in Deutschland fand im Januar 1986 statt: Die Deutsche Metereologische Gesellschaft (DMG) und die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) wendeten sich damals in einer gemeinsamen Presseerklärung an Öffentlichkeit und Politik, um vor einer drohenden Klimaveränderung durch den Menschen zu warnen. Die Presse schlug in Folge Alarm. In Erinnerung geblieben ist vielen Bürgern die Spiegelausgabe vom 11. August 1986, welche auf der Titelseite den Kölner Dom halb unter Wasser stehend zeigte.

1987 wendeten sich DPG und DMG in einem Aufruf erneut an Presse und Politik und forderten politische Maßnahmen zur Limitierung der Emission von CO2 und anderer Spurengase sowie eine Umstellung der Energieversorung auf Kernenergie, Solaranlagen und Kernfusion. Im gleichen Jahr wurde vom deutschen Bundestag die Enquete-Kommission “Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre” einberufen. Zu den am meisten bekannten Warnern vor einer CO2-bedingten Klimakatastrophe gehören u.a. Prof. H. Graßl, Prof. H.J. Schellnhuber, Prof. S. Rahmstorf und Prof M. Latif. Schellnhuber, Rahmstorf und Latif unterstützen die Bundesregierung als Klimaberater. 

Die von DPG und DMG vorgetragene Treibhaus-These wurde von Physikern, Chemikern und Metereologen, zu deren Forschungsschwerpunkt die molekularen, atomaren und thermischen Eigenschaften von Gasen gehören, von Anfang an als wissenschaftlich unkorrekte Darstellung und "politische Propaganda" wahrgenommen. Ihre Kritik lautete im Kern: Klimaerwärmung durch CO2 entspräche nicht dem Wärmeverhalten von Gasen und ließe sich nicht mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vereinbaren. Zu den über Medien und Internet bekannt gewordenen Kritikern in Deutschland gehören u.a. Heinz Thieme, Dr. Ralf Tscheuschner, Prof. Dr. Gerhard Gerlich und Dr. Wolfgang Thüne (ehemaliger ZDF Wetter-Moderator). 

Die Klima-Diskussion dreht sich bis heute stets wieder um die Frage, wie Lufterwärmung physikalisch überhaupt funktioniert. Von entscheidender Bedeutung ist dabei der Unterschied von Wärmestrahlung und Temperatur:

Wärmestrahlung und Temperatur

Wärmestrahlung entsteht, wenn Körper, Flüssigkeiten oder bestimmte Gase eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt haben (0 Kelvin = -273 °C). Bei einer Temperatur von -273 °C entsteht keine Strahlung mehr, die Strahlungsleistung beträgt dann Null Watt. Bei einer Temperatur von rund -207 °C ist eine Strahlungsleistung von 1 Watt vorhanden, bei -20 °C sind es 213 Watt, bei +20 °C sind es 388 Watt.  

Zu den Besonderheiten der Wärmestrahlung gehört es, dass sie selbst keine Temperatur hat und Wärmeenergie materielos transportiert. Wärme und Temperatur kann erst entstehen, wenn Infrarotstrahlung auf Materie stößt. Das gilt aber nicht für alle Stoffe: Einige lassen die Wärmestrahlung einfach durch, ohne dass Wärme entsteht. Andere reflektieren die Strahlung ganz oder teilweise.

Hätte eine Materie eine Temperatur von -273 °C (0 Kelvin), was sehr unwahrscheinlich ist,  würde sie durch Infrarotstrahlung zwangsläufig erwärmt, sofern sie Wärmestrahlung aufnimmt (anstatt sie zu reflektieren oder durchzulassen). Liegt ihre Temperatur über -273 °C (0 Kelvin), wird die Materie nur dann zusätzlich erwärmt, wenn die auf sie auftreffende Strahlungsleistung größer als ihre bereits vorhandene eigene Strahlungsleistung ist. Ist die ausgesendete Strahlungsleistung größer als die empfangene, wird die Materie nicht zusätzlich erwärmt, kühlt aber langsamer aus. Dazu zwei Beispiele:

1. Ein Körper mit 300 Watt Wärmestrahlung wird durch einen Körper mit 350 Watt Wärmestrahlung zusätzlich erwärmt - und gibt in Folge eine höhere Strahlungsleistung ab.
2. Ein Körper mit 300 Watt Wärmestrahlung wird durch einen Körper mit 250 Watt Infrarotstrahlung nicht zusätzlich erwärmt, kühlt aber etwas später aus.

Dies entspricht dem zweiten Haupsatz der Thermodynamik, einem Fundamentalgesetz der Thermophysik. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz lassen sich Strahlungsleistung und Temperatur umrechnen, wodurch es ermöglicht wurde, Temperaturen berührungsfrei zu messen (Fernerkundung, u.a. Thermographie).

Die Besonderheit von Kohlendioxid besteht darin, dass es nur die schwächere langwellige Infrarotstrahlung absorbieren kann, nicht kurzwellige (Sonne). Außerdem hat Kohlendioxid ein sogenanntes Strahlungsfenster: Langwellige Infrarotstrahlung in einem bestimmten Wellenbereich wird nicht absorbiert, sondern geht durch Kohlendioxid durch. Einfach ausgedrückt bedeutet dies: ein bestimmter Teil der langwelligen Infrarotstrahlung wird absorbiert (und erzeugt Wärme), ein anderer Teil flitzt durch (erzeugt keine Wärme).  Feststellbar ist dies per Spektroskopie.

Das Grundmuster der Lufterwärmung

Die Erdatmosphäre - also die Luft - ist ein Gasgemisch, welches zu 99% aus Gasen besteht, die für Wärmestrahlung durchlässig sind: Stickstoff, Sauerstoff und Argon. Diese Transparenz bedeutet, dass Infrarotstrahlung keine Wärme erzeugen und die Lufttemperatur damit nicht erhöhen kann. Nur 1% der Luft besteht aus Gasen, welche Infrarotstrahlung aufnehmen können, z.B. Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan.

Wie wird Luft dann überhaupt warm? Die Anwort lautet: Durch Übertragung der durch Solarstrahlung vergrößerten Erdoberflächenwärme an die Luft. Dies geschieht nicht durch materielose Strahlung, sondern indem Luftmoleküle die Erdoberfläche berühren und sich dabei über einen materiellen Kontakt erwärmen. Die Luftmoleküle reiben bzw. schlagen sich an  Erdoberflächen warm:

Während die Sonne scheint, nehmen alle Stoffe, die Infrarotstrahlung absorbieren können, die Solarstrahlung auf und erwärmen sich. 

Auf diese Weise wird der überwiegende Teil der mit Sonnenenergie bestrahlten Erdoberflächen auf eine viel höhere Temperatur gebracht (einschließlich Wasserflächen), als es die ausglühende innere Erdwärme leisten kann.

Die Luft reibt sich dann an der Erdoberfläche warm und nimmt die aufgenommene Wärme in der Luftströmung mit. An sehr heißen Sommertagen kann man dies sogar sehen: die Luft "flimmert" in Bodennähe.

Der Gesamtprozess der Lufttemperierung verläuft in vereinfachter Darstellung nach diesem Grundmuster:

Tagsüber: Sonneneinstrahlung erwärmt Erdoberflächen > Erdoberflächen leiten die Wärme an Luftteilchen weiter > Luftteilchen nehmen die Wärme mit und verteilen sie gemäß der Luftströmung in der unteren Atmosphäre (Troposphäre) > warme Luftschichten kühlen nach oben ab.

Nachts: natürliche Solarspeicher (z.B. Erdboden, Bäume und Pflanzen, Wasserflächen) leiten Wärme an Luftteilchen weiter, die natürlichen Solarspeicher kühlen dabei ab > Luftteilchen nehmen die Wärme mit und verteilen sie gemäß der Luftströmung in der Troposphäre > die erwärmten Luftschichten kühlen nach oben ab.

Tag und Nacht findet also eine Abkühlung in die Höhe statt. Ohne stets wieder neu generierte Konvektion kühlen die bodennahen Luftschichten aus und bleiben auch bei ungetrübter Sonneneinstrahlung eiskalt. Weil solare Wärmestrahlung keine Temperatur hat und die Luft nicht direkt erwärmen kann. Dies ist ein bekanntes Phänomen verschneiter  Winterlandschaften: Hier wird die Wärmestrahlung der Sonne zurück in den Weltraum geworfen. Sonnenenergie kann die Erdoberflächen deshalb nicht erwärmen und damit auch keine konvektive Lufterwärmung auslösen: Es herrscht "klirrende Kälte".

Der Gesamtprozess der bodennahen Lufttemperierung und -abkühlung ergibt sich entsprechend der jeweiligen lokalen Wetterbedingungen, die sich im Rahmen überregionaler und globaler Luftströmungen gegenseitig beeinflussen. Im Kontext der globalen Luftströmungen gelangt warme Luft auch in kältere Zonen und kann dort Oberflächen erwärmen, z.B. Gletscher zum Schmelzen bringen.

Bei der Übertragung der Wärme von den solar erwärmten Oberflächen an die Luft handelt es sich laut Physik um eine bestimmte Form der "Wärmeleitung", die als "Wärmeübergang" bezeichnet wird (Wärmeleitung von festen und flüssigen Stoffen an Gase). Die vertikale Verteilung der Wärme in der Luft wird "Konvektion", eine horizontale Verteilung  "Advektion" genannt.

Erdtemperierung und Gebäudeheizung

Sobald keine Energie mehr zugeführt wird, kühlen warme Oberflächen und in Folge die Raumluft aus. Das gilt für die Erd- und Gebäudetemperierung gleichermaßen.

Der Unterschied zwischen Erd- und Gebäudetemperierung besteht darin, dass es sich bei der Erde um einen Halbraum handelt, während ein Gebäude ein Hohlraum ist.

Oberflächen im Halbraum kühlen bei ausbleibender Energiezufuhr viel schneller als die Hüllflächen von Hohlräumen aus. Deswegen lebten unsere Vorfahren in Höhlen und lernten schließlich künstliche Hohlräume wie Zelte und Hütten zu bauen.

Die Entdeckung des Feuermachens ermöglichte es schließlich, den Wärmeverlust in Hohlräumen auszugleichen.

Durch Erfindung des Glasfensters gelang es, Solarstrahlung für die Hohlraum-Temperierung zu nutzen, ohne dass die Infrarotstrahlung der Hüllflächen in den Weltraum abwandert und die Lufttemperatur sich immer sofort im Temperaturaustausch mit der Außenluft (Halbraum) schnell abkühlt.

Durch Verbesserung der Wärmedämmung und der Luftdichtigkeit ließ sich die Verminderung der Hohlraum-Abkühlung optimieren.

Warme Winde und Konvektionsheizung

Warme Winde fallen nicht aus dem Weltraum auf die Erde, sondern werden ebenfalls durch einen Wärmeübergang von Erdoberflächen zur Luft erzeugt. Die auf diese Weise in einer Region temperierte Luft wird dann ihm Rahmen der Luftströmung anderswohin transportiert, anstatt vollständig in die Höhe hinein abzukühlen. Die Warmluftströmung ermöglicht es, dass die Luft in bestimmten Regionen wärmer wird, als es ihre sonnenbestrahlten Erdoberflächen von sich aus leisten können.

Das Strömungsprinzip warmer Winde wird bei der Konvektionsheizung wie folgt genutzt: Die Luft wird an den Heizungsoberflächen so stark erhitzt und in Bewegung versetzt, dass sich die gesamte Raumluft erwärmen kann, obwohl die Oberflächen der Raumumfassung (Wände, Decke, Boden) kühler als die Luft sind. Die Luft kühlt an den kälteren Oberflächen laufend ab und muß durch die Konvektionsheizung stets wieder neu auf Temperatur gebracht werden. Geschieht dies nicht, wird die Luft so kalt wie die mittlere Temperatur der Raumumfassungsflächen.

Bei kleinen Heizlüftern genügt die Oberfläche von Heizstäben, um die Luft ausreichend warm zu reiben, da die Heizstäbe auf eine glühend heiße Oberflächentemperatur gebracht werden. Da die Oberfläche von Heizstäben jedoch zu klein ist, um eine starke Luftströmung zu erzeugen, wird die Luftströmung durch Ventilatoren in Gang gebracht. Man spricht deshalb von "erzwungener Konvektion".

Infrarotheizungen: Wärmeübergang & Konvektion wie in der Natur 

Bei Heizkörpern ohne technische Konvektionsverstärker (sog. Konvektoren) funktioniert die Lufttemperierung wie in der Natur: Die Energiequelle bestrahlt die Oberflächen, die Oberflächen erwärmen die Luft. Im Unterschied zur Sonne erwärmt dabei auch die Heizungsoberfläche selbst die Luft per Wärmeübergang.

Die Heizfläche ist im Holhlraum (geschlossener Raum) ein Bestandteil der Raumumfassungsfläche.

Ein Treibhaus, das luftdurchlässig ist?

Gewächshäuser, auch Treibhäuser genannt, sind eine frühe Form der Solar-Architektur: Durch ein Glasdach und der Sonne zugewandte große Fensterflächen wird für maximale Sonneneinstrahlung gesorgt. Solange das Treibhaus geschlossen gehalten wird, kann die warme Luft nicht entweichen und wärmt sich stattdessen bei anhaltender Sonneneinstrahlung zunehmend auf. Ohne solare Strahlung kühlen die Glasbauten aber auch gleich wieder aus und müssen künstlich beheizt werden.

CO2 kann aufsteigende Luft dagegen nicht wie ein Glasfenster zurückhalten, da es ein flüchtiges Gas ist und sowieso nur einen Luftanteil von 0,04 Prozent hat. Es ist nur eines der beweglichen Bestandteile der Luft (Gasmoleküle), die nach oben abkühlt. Nicht nur, weil die Erde keine geschlossene Thermoskanne ist. Außerdem nehmen Luftdichte und Luftdruck mit zunehmender Höhe ab und kühlen schon deswegen in zunehmender Höhe extrem ab.

Die Abkühlung in Richtung Weltraum findet auch bei ungetrübtem Sonnenschein statt, weil Sonnenstrahlen die Luft nicht direkt erwärmen können. Wäre das nicht so, wäre die Lufttemperatur in extrem heißen Erdgebieten noch viel höher (insbesondere bei meist wolkenfreien Wüsten).

Lokale Treibhauseffekte unter Wolkendecken

Gestaut werden kann die Abkühlung der Luft vorübergehend durch dicke Wolkendecken. Dies ist ein thermodynamisches Ereignis und hat nur teilsweise mit Infrarot-Rückstrahlung zu tun. In solchen Wolken herrscht eine hohe Wassertropfendichte, welche die nach oben drückende Luft abbremst.

Die Luftfeuchtigkeit kann unter Wolkendecken in Folge ansteigen, wenn die von der Erdoberfläche aufsteigende Konvektion die Wärme und Luffeuchtigkeit vermehrt. Es wird dann unangenehm schwül. 

Die enorme innere Energie der Wolken wird dabei zusätzlich aufgeladen. Meistens werden solche treibhausähnlichen Wettersituationen mit einem Gewitter beendet, welches die innere Energie der Wolken elektrisch entlädt (Blitze) und durchs Abregnen wohltuende Abkühlung schafft. 

Es ist fördert das eigene Klima-Verständnis erheblich, sich dieses Natur-Phänomen zu vergegenwärtigen:

Selbst die lokal mit Wasserdampf dicht getränkten und deshalb extrem Energie speichernden Wolken können die Erdabkühlung nicht verhindern. Wie sollte es dann ein CO²-Luftanteil von 0,04 Prozent tun können? Das ist nach Physik nicht nachvollziehbar. CO² wäre dann ein Wundermittel, mit dem wir drastisch Heizkosten einsparen könnten, indem wir den CO² Anteil in Wohn- und Geschäftsräumen künstlich bis zu der Grenze erhöhen, wo der Sauerstoffanteil der Luft nicht mehr zum Atmen ausreicht. Denn CO² ist kein gesundheitsschädliches Gift, sondern fördert das Wachstum von Pflanzen, die ihrerseits Sauerstoff produzieren: Den Stoff, den wir zum Atmen brauchen.

Ansonsten tragen Wolkendecken eher zur Abkühlung bodennaher Luft bei, weil sie die kurzwellige Infrarotstrahlung der Sonne teilweise direkt abprallen (Reflexion in den Weltraum) und teilweise in die viel schwächere langwellige Infrarotstrahlung umwandeln. Wolken wirken wie Sonnenschirme.

Strahlungsbilanz und konvektive Lufterwärmung

Nachdem Wilhelm Herrschel im Jahre 1800 die Infrarotstrahlung der Sonne entdeckt hatte, weckte das natürlich die Frage, was Infrarotstrahlung für den Wärmehaushalt der Erde bedeutet. Bei der Berechnung von Sonneneinstrahlung und Rückstrahlung ergab sich dann, dass die Erdoberfläche im Mittel bei -18 Grad Celsius liegen müßte. Bei Annahme einer  mittleren Erdtemperatur von 15 Grad Celsius fehlten 33 Grad Celsius. Bereits diese Annahme war und ist aber eine reine Vermutung. Selbst heute verfügen wir nicht über eine rundum den Globus gleichmäßig verteilte Anzahl von Meßstationen, aus denen sich eine mittlere Erdtemperatur Fakten basiert ableiten läßt.  

Joseph Fourier zog aus diesem willkürlich gesetztem Durchschnittstemperaturwert die Schlußfolgerung, es müsse in der Atmosphäre irgendetwas geben, was die Rückstrahlung in den Weltraum blockiert. Als sichtbarer Faktor kam Wasserdampf in Frage. Um 1850 entdeckte John Tyndalldann die Absorbtionsfähigkeit von  Kohlendioxid. Svante Arrhenius stellte 1896 einen Zusammenhang zwischen anthropogenen Verbrennungsvorgängen, Kohlendioxid und einer Erhöhung der Lufttemperatur her. Arrhenius kam zu der Schlußfolgerung, dass Industrialisierung einen Treibhauseffekt durch CO2-Zunahme auslösen wird.

Diese Ansätze bestimmen unsere Vorstellungen vom Weltklima bis heute. Insbesondere vor dem Hintergrund der Ergebnisse der modernen Physik (Atomlehre und Quantentheorie) und Chemie (Molekularstruktur und Verhalten von Gasen) sind sie aber alles andere als stichhaltig.  

Trotzdem wurden in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts die Theorien von Fourier, Tandall und Arrhenius erneut aufgegriffen und für eine Rück-Rückstrahlungstheorie verwendet, welche eine globale Klimaerwärmung beweisen sollte: Die kurzwellige Sonneneinstrahlung wird auf den Erdoberflächen in langwellige gewandelt, zurück in Richtung Weltraum gestrahlt, dabei aber von absorbierenden Spurengasen teilweise daran gehindert und zurück auf die Erdoberfläche gestrahlt. Auf der Strahlungsebene passiert das prinzipiell durchaus so. Aber es läßt sich daraus kein physikalisch nachvollziehbarer Treibhauseffekt ableiten:

Sowohl den Gasen, die Infrarotstrahlung teilweise absorbieren können, als auch der Infrarotstrahlung selbst werden bei der Treibhaus-Hypothese Fähigkeiten zugewiesen, die sie physikalisch schlichtweg nicht erbringen können. Strahlung hat keine Temperatur. Damit Strahlungsenergie in eine Lufttemperierung umgesetzt werden kann, muß sie zunächst Erdoberflächen erwärmen, an der sich dann Luftteilchen erwärmen können. Um dabei eine Lufttemperatur z.B. von 15 Grad Celsius erzeugen zu können, muß die Strahlungsleistung (Watt) der Energiequelle stark genug sein. Nach dem Modell der Treibhaustheorie muß immerhin eine Temperatur von -18 Grad Celsius auf 15 Grad Celsius gebracht werden! Es ist illusorisch, dass dies im Rahmen einer langwelligen Rück-Rückstrahlung durch Gase leistbar ist:

Die Erdoberfläche kann Luft nur dann auf 15 Grad Celsius bringen, wenn sie selbst wärmer ist. Um das dafür erforderliche Temperaturniveau zu erreichen und zu erhalten, ist eine viel höhere Wattleistung erforderlich, als es langwellig strahlende Gas-Moleküle aufbringen können. Das schafft nur die Energie der Sonne.

Wenn die Erdoberfläche eine Temperatur von 18 Grad Celsius hat, erzeugt sie eine langwellige Strahlung, welche das Strahlung absorbierende Gas-Molekül erwärmt, weil es in der Regel schon aufgrund des Höhenunterschieds kälter ist. Die maximale Erwärmung des Gas-Moleküls liegt dann entsprechend weit unter 18 Grad Celsius.  Damit ist die Strahlungsleistung des Gas-Moleküls geringer als die der Erdoberfläche. Denn die Strahlungsleistung eines Strahlers hängt direkt von seiner Temperatur ab. Die IR-Strahlung absorbierenden Gasmolekühle können mit ihrer Strahlung den Erdboden deshalb nicht zusätzlich erwärmen und ermöglichen allenfalls eine gewisse Verzögerung der Erdoberflächen-Abkühlung während länger anhaltender Bevölkung oder nach Sonnenuntergang.

Die Verzögerung der Abkühlung spielt sich allerdings in einer Dimension ab, die nicht meßrelevant ist. Denn der CO2-Gehalt der Atmosphäre ist extrem klein. Der Anteil von CO2 im Luftgemisch der Atmosphäre beträgt nicht 20%, nicht 10%, nicht 1 %, ja nicht einmal 0,1 %, sondern gerademal rund 0,04%. Deshalb spricht man von einem "Spurengas".

Hinzukommt, dass die IR-absorptionsfähigen Gase mehr als die Hälfte der aufgenommen Infrarotstrahlung in den Weltraum abgeben (nicht nur nach oben, sondern auch seitlich). 

Prozentuale Volumenanteile der Gase in der Troposphäre

Bedingt durch den geringeren Luftanteil kann nicht einmal davon ausgegangen werden, daß CO2 überhaupt durchgängig IR-Strahlung absorbiert. Die tatsächliche Absorption von Gasen, die IR-Strahlung aufgrund ihrer Molekülstruktur aufnehmen und aussenden können (freie Ladungen verfügbar), hängt nämlich auch von der Anzahl der Moleküle ab, die sich in einer Luftschicht befinden. Die Dichte von Gasen wird dabei vom Partialdruck und der Schichtdicke bestimmt (Beersches Gesetzt). Eine ausreichende Dichte ist bei einem prozentualen Luftgemisch-Anteil von 0,04 Prozent nur in selten auftretenden, singulären Luftzusammensetzungen denkbar. Denn Wärmestrahlung setzt nach moderner Physik u.a. auch eine ausreichende kinetische Energie in den Atomen voraus.

Aber auch eine Wärmeleitung innerhalb einer Luftschicht (Kohlendioxid-Moleküle erwärmen Stickstoff- und Sauerstoff-Moleküle durch Berührung/Aufprall) kann zu keiner bodennahen Temperierung führen. Denn die Erwärmung des jeweiligen Luftschichtanteils hat Auftrieb zur Folge und damit einhergehend Abkühlung. Die von CO2-Molekülen teilweise absorbierte Erdrückstrahlung verhindert den Wärmeabfluss also nicht, sondern setzt ihn nur anders um: Während die nicht von CO2 absorbierte Erdrückstrahlung direkt in den Weltraum zielt, wird die absorbierte Erdrückstrahlung in Wärme gewandelt, welche thermodynamisch abkühlt.

Einfach gesagt sieht es so aus: Ebenso kraftvoll wie die Sonne eine Erwärmung der IR-absorbsionsfähigen Erdoberflächen erzeugt, findet eine Auskühlung aller Erdoberflächen bei nicht mehr vorhandener Sonneneinwirkung statt - vor allem nachts bei unbewölktem Himmel (die tagsüber kühlenden Wolken können nachts mehr IR-Rückstrahlung erzeugen als CO2).

Kohlendioxyd kann - mit einem Luftanteil von nur 0,04 Prozent - diesen Auskühlungsprozeß maximal nur um deutlich weniger als 0,04 Prozent reduzieren, da die CO2-Moleküle mehr als die Hälfte ihrer aufgenommen Energie nach oben und seitlich in den Weltraum abstrahlen.

Natürliche Solarspeicher

Die Besonderheit der bodennahen Konvektion besteht darin, dass feste und flüssige Erdoberflächen bei Erwärmung nicht wie Gase in die Höhe driften und nicht in der Luft verwirbelt werden. Dadurch ist gewährleistet, dass eine dauerhafte bodennahe Lufterwärmung und damit ein halbwegs gleichmäßiges Jahreszeitenklima möglich ist. Außerdem wird die Wärme - anders als bei flüchtigen Gasen - in Feststoffen und Flüssigkeiten gespeichert. Bodennahe Konvektion erfolgt daher auch noch nach Sonnenuntergang, wodurch eine abrupte Auskühlung der Luft verhindert wird. Nur in Wüsten ist das anders: Wüstensand speichert Wärme kaum. Darum ist es in Wüstengebieten tagsüber extrem heiß, nachts dagegen trotzdem sehr kalt.

Der Speicherfähigkeit der festen und flüssigen Erdoberflächen ist es zu verdanken, dass es auf der Erde nicht überall -18 Grad Celius kalt oder noch kälter ist. Meereströmungen (z.B. Golfstrom), Winde und Wolken transportieren dabei gewaltige Mengen gespeicherter Wärme um den Globus.  Nur dank dieser enorm großen natürlichen Energiespeicher und Energietransporte ist es möglich, dass es in so vielen Gebieten der Erde ein lebensfreundliches Klima gibt.  

Eine "globale Klimabilanz" kann nur unter Berücksichtung der regionalen Sonneneinstrahlungen (abhängig vom Breitengrad), ihrer regional möglichen Umsetzungen in Konvektionswärme (abhängig vom Absorptionsgrad), der regional vorhandenen natürlichen Energiespeicher und der regional verfügbaren Fremdkonvektion wirklichkeitsnah sein.

Speicheraufladung durch IR-absorbierende Gase

IR-absorbierende Gase wie Kohlendioxid, Wasserdampf und Methan können durch ihre Strahlung die Erdoberfläche zwar nicht zusätzlich (nicht mehr als die Sonne) auf Temperatur bringen, aber sie tragen neben der Sonne dazu bei, dass die natürlichen Wärmespeicher aufgeladen werden und unterstützen damit eine Aufrechterhaltung der Konvektion bei schwacher Sonneneinstrahlung und nach Sonnenuntergang.

 
Konvektion & atmosphärische Rückstrahlung

Bezüglich der Entstehung der atmosphärischen Rück- oder Gegenstrahlung wird der Fokus in der Regel auf die langwellige IR-Strahlung gelegt, welche von der Erde ausgeht. Übersehen wird dabei, dass die von den Erdoberflächen ausgelöste Konvektion die Luft erwärmt und damit zwangsläufig ebenfalls IR-Strahlung in den absorbierenden Luftanteilen wie Wasserdampf und Kohlendioxid auslösen kann:

Allein schon der Umstand, dass Luft immer eine bestimmte Temperatur hat, sorgt für eine laufende Strahlung der Spurengase - auch in Richtung Erdoberfläche.

Die Gretchenfrage lautet nur: Was trägt in welcher Höhe und unter welchen Wetterbedingungen mehr zur atmosphärischen Gegenstrahlung bei: terristische Langwellen-Infrarotstrahlung oder Konvektion/Ausdunstung?

CO2 ist kein Schadstoff, sondern Pflanzennahrung

CO2 ist ein Gas, welches wir täglich ausatmen. Pflanzen benötigen es, um uns mit Sauerstoff zu versorgen. Ohne einen ausreichend hohen Luftanteil an Sauerstoff würden wir ersticken.

Mehr Kohlendioxid fördert die Land- und Forstwirtschaft. Die Luft in modernen Gewächshäusern wird zusätzlich mit CO2 angereichert. Pflanzen benötigen dann weniger Wasser, wachsen schneller und sind robuster. 

Zur einer tödlichen Gefahr wird Kohlendioxid, wenn es in Bodennähe in großen Mengen ausgeschüttet wird. Nicht weil es giftig ist. Aber es ist schwerer als Sauerstoff und kann diesen eine Zeitlang verdrängen. Die Folge ist Erstickungstod aufgrund eines nicht ausreichenden Sauerstoffgehaltes in der bodennahen Luft. 

CO2 als Indikator des anthropogenen Wärmebeitrages 

Dem anthropogenen Anteil der CO2-Menge in der Troposphäre ist immer eine Verbrennung fossiler Stoffe vorausgegangen. Durch diese Verbrennungsvorgänge entsteht Abwärme - und zwar weltweit rundum die Uhr.

Die gemessene CO2 Menge deutet an, welche Größenordnung die tägliche anthropogene Zusatzerwärmung der Troposphäre haben könnte. Beispiel: Der Jahreszuwachs lag 2010 bei 1,9 Gigatonnen. Wenn dieser Zuwachs ausschließlich menschengemacht wäre, hieße das: Pro Tag waren gegenüber dem Vorjahr durchschnittlich mehr als 5 Millionen Tonnen Kohlendioxid durch anthropogene Verbrennungsvorgänge in die Troposphäre gepumpt worden.

Allein schon die bei Verbrennungsvorgängen direkt stattfindende Konvektion (z.B. durch Auspuffe und Kamine) ist beachtlich. Kraftwerke, Industrieanlagen und Verkehrsmittel geben zudem gleichzeitig Infrarotstrahlung ab. Ein Teil dieser Infrarotstrahlung verpufft im Weltraum, der andere Teil kann umgebende Oberflächen zusätzlich erwärmen und damit die örtliche Konvektion verstärken. 

Ein Beispiel: Die Infrarotstrahlungsleistung eines kleinen PKW reicht aus, um einen 100 m² Wohnraum zu beheizen. Eine Milliarde Autos weltweit sind eine Milliarde Umwelt-Flächenheizungen, die zur täglichen Lufterwärmung beitragen.

Gleichzeitig erwärmen PS-starke Container-Schiffe die Weltmeere wie Tauchsieder. 

Städte - vor allem Großstädte - fungieren als effektive Wärmespeicher und erzeugen viel Konvektion.

Auch CO2-freie Atomkraftwerke und geothermische Anlagen ergänzen die terristische Konvektion. 

So entstehen durch menschlichen Aktivitäten enorme Wärmemengen, welche die tägliche solare Energiezufuhr künstlich aufstocken. Dieser Erwärmungsfaktor findet in Klimadiskussionen keine Beachtung, statt dessen dreht sich immer alles um CO2 als mysteriöses Treibhausdach.

Die anthropogene Wärmeabgabe kann jederzeit durch Reduktion der Verbrennungsvorgänge bzw. Verhinderung der Wärmeabgabe an die Luft (Wärmedämmung) vermindert werden. Eine irreversible Klimaerwärmung erzeugt sie also nicht. Luftverschmutzung kann das Klima dagegen nachhaltig verändern:

Warum Luftverschmutzung die Wetterverhältnisse ändern kann

Wird die Luft durch Partikel verschmutzt, die schwerer als Luft sind, kann dies eine Verminderung der Albedo (Reflexion der Sonneneinstrahlung) zur Folge haben. Dazu gehört auch Infrarotstrahlung absorbierender Feinstaub. Solche Luftverunreinigungen schmelzen nicht nur die Eisflächen an den Polen und in hohen Gebirgen, sondern können auch die sphärische Albedo (Reflexion durch Wolken) vermindern. 

Je mehr Schnee- und Eisflächen abgebaut werden, desto mehr vergrößert sich die Absorption von Sonneneinstrahlung und die durch Absorption verursachte Konvektionswärme.

Wer den anthropogenen Anteil an einer Klimaerwärmung mindern will, muß dafür sorgen, dass die Luftverschmutzung eindedämmt wird, die insbesondere in den Schwellenländer enorm zugenommen hat.

Einen großen Anteil an der Luftverschmutzung haben Container- und Luxusschiffe, die auf den Weltmeeren noch mit Schweröl betrieben werden dürfen und die Umwelt durch schwarze Rußwolken belasten.  

Klimaschutz ja - aber bitte richtig begründet

Das Verhältnis von Albedo und absorbierenden Oberflächen ist ausschlaggebend dafür, in welcher Menge solare Infrarotstrahlung auf der Erde und in der Atmosphäre in Wärme umgesetzt werden.

Das ungetrübte Weiß von Schnee und Wolken ist ein Strahlungsspiegel, der aufprallende kurzwellige Sonnenstrahlen in den Weltraum zurückschleudert und damit eine Boden- und Lufterwärmung verhindert. Wolken, Land- und Wasserflächen sind Strahlungstauscher, welche die aufprallende kurzwellige Sonneneinstrahlung in langwellige wandeln. Dickere Wolkendecken fungieren als Kurzwellen-IR-Schirme. Vor allem Meere und Wolken sind riesige Wärmespeicher und Wärmetransporteure.

Es gibt keinen globalen Treibhauseffekt. Die Erde ist keine in Glas oder durchsichtige Kunstofffolie eingeschlossene Kugel. Die Zunahme von CO2 selbst kann keine Klimaerwärmung auslösen. Der geschätzte anthropogene Anteil von Co2 in der Troposphäre ist allenfalls ein Indikator dafür, dass die durch menschliche Aktivitäten generierte Wärmeabgabe an die Umwelt deutlich zugenommen hat. 

Faktoren einer Klimaerwärmung sind insbesondere:

• Abwärme durch Verbrennung fossiler Stoffe (z.B. Kraftwerke, Industrie, Verkehr, Haushalte)
• Abwärme von Atomkraftwerken
• Luftverschmutzung (Infrarotstrahlung absorbierende Partikel, welche bei Niederschlag die Albedo vermindern)
• Abwärme und Luftverschmutzung durch Vulkanausbrüche und Waldbrände 
• Größere solare Infrarotstrahlungsleistung (verstärkte Sonnenaktivität)

Photovoltaik-Anlagen, Windkraftanlagen und Wasserkraftwerke stellen Strom aus dem täglichen solaren Energieertrag zur Verfügung, anstatt die natürliche Tagesration an Energie laufend durch Verbrennung von Kohle, Öl und Gas zu vergrößern. Eine Luftverschmutzung findet nicht statt.

Photovoltaik, Solarthermie und Windkraftanlagen emittieren keine Schadstoffe. Erdgas verbrennt fast rußfrei (blaue Flamme). Bei der Verbrennung von Kohle, Ölderivaten und Holz können Schadstofffilter eingesetzt werden.

Der Wärmeschutz von Gebäuden und Industrieanlagen erzeugt weniger Abwärme und verbraucht weniger Resourcen.

Da CO² keine wetterrelevante Konvektion erzeugen kann, ist es völlig aberwitzig, CO² bei Verbrennungsvorgängen "abschneiden" und lagern zu wollen, um eine Klimaerwärmung zu unterbinden. Das ist wie Asche mit Feuer verwechseln!

Abschneiden bzw. herausfiltern muß man die bei Verbrennungsvorgängen entstehenden Abgasstoffe, die gesundheitsschädlich sind und die Sonneneinstrahlung entweder blockieren (Abkühlung) oder die Albedo verringern (Erwärmung). 

Bilden Sie sich Ihre eigene Meinung!

Mit kostengünstigen Thermometern und Pyrometern (berührungslose Temperaturmessung) kann man auf der Ebene der Thermodynamik einige Temperaturvorgänge auf einfachste Weise selbst durch Messung nachvollziehen.

Nach wissenschaftlichen Methoden ermittelte, exakte Daten erhalten Sie von Wetterstationen, die per Internet verfügbar sind. Wer nicht lange suchen will, dem empfehlen wir die Wetterstation Garching der LMU München. Die Wetterstation erfaßt die Temperatur in Luft und Boden in unterschiedlichen Höhen/Tiefen, erlaubt einen Vergleich von Erdausstrahlung und Rückstrahlung und gibt sogar die Albedo an.

Sonneneinstrahlung, Wolkenbildung und Niederschläge kann man sich parallel eindrucksvoll per Panorama-Webcam ansehen.

Um Wärmestrahlung ihrem Prinzip nach zu verstehen, benötigt man zumindest ein Grundwissen über elektromagnetische Wärmewellen. Wer sich schlau machen will, findet ideologisch unbelastete, wissenschaftliche Darstellungen in den Standard-Lehrbüchern der Chemie (Gase) und Physik (Wärmelehre, Atomphysik und Quantentheorie).

Der bereits oben erwähnte Beitrag von Heinz Thieme bietet eine leicht verständliche Einführung, weiterführende Lesetips und Internet-Links. Mit Physik und Mathematik vertraute Leser finden in diesem Vortrag von Prof. Gerlich eine aufschlußreiche Einstiegslektüre. 

Hinweise über das Wärmeverhalten speziell von Gasen in der Atmosphäre finden Sie in diesem Beitrag von Heinz Thieme.

Viele Darstellungen der Wetterkunde und Geografie gehen auf den Zusammenhang von Strahlungsphysik und Thermodynamik nicht ausreichend ein. Nicht selten wird die Wandlung von Wärmenergie nicht oder physikalisch unkorrekt beschrieben und die CO2-Treibhaus-Idee unkritisch repetiert (auch in Schulbüchern).

Treibhaus-Klimatologen beziehen sich auf Ergebnisse von computergestützten Modellrechnungen, deren Berechnungsmethoden nicht in ausreichender Weise offen gelegt werden, um für Aussenstehende wirklich nachvollziehbar zu sein. In Computer basierten Modellrechnungen können "Szenarien" simuliert werden, die sich weit von dem entfernen, was als naturwissenschaftlich fundiert gilt. Das ist dann eher Science Fiction. Diesbezüglich sollte man sich klarmachen:

Der Besitz oder Zugang zu hochleistungsfähigen Computern ist kein Wahrheitskriterium. Auch Superrechner tun immer nur das, wofür sie programmiert wurden - und rechnen dementsprechend falsch oder richtig. In beiden Fällen nur extrem schneller als es ein einzelner Mensch oder ein Arbeitsteam ohne elektronische Rechenmaschine leisten kann.

Ihr herstellerneutrales Team von Wärmemeister.de aus München / Bayern