Helmut Ullmann*)
Ausgangssituation
In den letzten 150 Jahren wurde eine Erhöhung der globalen Temperatur um etwa 1 Grad beobachtet. Im gleichen Zeitraum wuchs die Konzentration des Kohlendioxids in der Luft von 280 auf 400 Vol.-ppm. Die gemessene CO2–Temperatur–Zeit-Beziehung führt zum Verdacht, menschengemachte CO2-Emissionen aus der Nutzung fossiler Energieträger während der Industriellen Revolution wären Ursache des Temperaturanstiegs. Das menschengemachte CO2wird als Klimakiller geächtet. In der Folge werden Null-Emissions-Ziele und Dekarbonisierung zum Klimaschutz politisch durchgesetzt, die zu Deindustrialisierung und Verarmung der Gesellschaft führen können.
Hier wird anhand physikalisch-chemischer Daten zum Wärmespeichervermögen der Gase eine Bewertung durchgeführt.
Sonneneinstrahlung
Mit ihrer Lufthülle, den Meeresströmungen und dem Wasserkreislauf bildet die Erde eine Art Thermostat. Temperaturabweichungen von 1 bis 2oC pro Jahr entsprechen 0,1 bis 0,2 % der globalen Oberflächentemperatur von 288 K. Während die Temperatur am oberen Rand der Atmosphäre nach Sattelitenmessungen -18 oC beträgt, werden an der Erdoberfläche im Durchschnitt +15 oC gemessen. Die Differenz von 33 Grad bezeichnet man als Treibhaus-Effekt.
An der äußeren Lufthülle der Erde, in ca. 20 km Höhe, hat die Sonnenstrahlung eine Leistungsdichte von 1,35 kW/m2(=Solarkonstante). Auf dem Weg durch die Atmosphäre wird die Sonnenstrahlung durch Reflexion und Absorption geschwächt, abhängig von Weglänge und Einstrahlwinkel. An der Erdoberfläche beträgt die Leistung der Sonnenstrahlung maximal noch 1 kW/m2, abhängig von geographischer Breite, Höhenlage, Witterung sowie Tages- und Jahreszeit. Bei höherer geographischer Breite beschränkt sich der Spitzenwert auf die Mittagszeit und die Monate Juni und Juli. Am 60. Breitengrad sind das im Sommer bis 900 W/m2, im Winter bis 200 W/m2.
Das Spektrum der Sonnenstrahlung reicht von UV über den sichtbaren Bereich bis IR mit zunehmender Wellenlänge. Die energiereichste UV-Strahlung wird in chemischen Reaktionen unter Bildung und Zerfall von Ozon bereits in der Stratosphäre absorbiert. Nur etwa ein Zehntel der UV-Strahlung erreicht die Erdoberfläche.
Sichtbares Licht wird von Wolken und Feinstaub in der Atmosphäre reflektiert, nur etwa die Hälfte erreicht die Erdoberfläche. Wärmestrahlung (IR) wird von Wasserdampf, von Aerosolen und von Spurengasen (CO2, CH4 und anderen) in der Atmosphäre absorbiert. Am Boden kommt etwa nur die Hälfte der IR-Strahlung an.
Im Mittel erreichen nach verschiedenen Angaben1,2 ca. 60 bis 75% der eingestrahlten Energie die Erdoberfläche, wobei sich die spektrale Verteilung zugunsten der langwelligen Anteile verschiebt. Die Zahlen schwanken je nach Wetter, Luftfeuchte und regionalen Luftverunreinigungen in einem weiten Bereich.
Wärmespeicher Erdatmosphäre
An der Erdoberfläche wird die absorbierte Sonnenstrahlung in Feststoffen und Wasser absorbiert und in Wärme gewandelt. Der größte Teil der Wärme wird an erwärmten Dachflächen, Betonautobahnen, Hauswänden, Ackerflächen und Gewässern auf Luftmoleküle übertragen. Erwärmte Luft hat geringere Dichte und steigt auf. Die Wärme breitet sich durch Konvektion, Luftströmungen, Hoch- und Tiefdruckgebiete in der Atmosphäre aus.
Die Aufnahmekapazität von Gasen für Wärme wird durch ihre Wärmekapazität beschrieben. Tabelle 1 enthält gesammelte Messwerte3,4 der molaren Wärmekapazitäten Cp. Wärme ist Bewegungsenergie (kinetische Energie Ekin) der Teilchen. Die Reihe der Edelgase (Tab. 1a) zeigt, Cp ist unabhängig von der Masse der Teilchen, die aufnehmbare Energie entspricht der Bewegungs- oder Translationsenergie.
In zweiatomigen Gasen wie N2 und O2 kann zusätzlich zur Bewegungsenergie durch energiereiche Strahlung oder hohe Temperaturen noch Schwingungsenergie in Form von Rotations- und Oszillationsfreiheitsgraden in der Struktur der Moleküle als potentielle Energie Epot aktiviert werden. Die maximal aufnehmbare Energie je Mol ist etwa ein Drittel größer als für einatomige Gase (Tab. 1b).
Drei- und mehratomige Gasmoleküle wie H2O (bis zu 5% in der Atmosphäre) und Spurengase wie CO2, CH4 und andere (in Summe weniger als 0,05Vol.% in der Atmosphäre) weisen auf Grund ihres Molekülbaus in ihrem Spektrum weitere Freiheitsgrade in Form von Rotations-, Oszillations- und Deformationsschwingungen auf, ihre molare Wärmekapazität ist um ca. ein weiteres Fünftel gegenüber den zweiatomigen Gasen erhöht (Tab. 1c). Die Schwingungen im Molekül treten in Resonanz mit der Energie von IR-Photonen, sie können solche absorbieren und auch wieder ausstrahlen4,5.
Die aufgenommene Energie ist die Summe von kinetischer und potentieller Energie, wenn man die Translationsenergie als die kinetische und die Schwingungsenergie in der Molekülstruktur als potentielle Energie auffasst. Die einzelnen Anteile können sich ineinander wandeln, ihre Summe bleibt konstant: E = Ekin + Epot.
Die Energierückhaltung im Treibhaus Erde wird durch alle Gasbestandteile entsprechend ihrer molaren Wärmekapazität und Konzentration in der Atmosphäre bewirkt. Der größte Teil der Energie ist in den Hauptbestandteilen der Atmosphäre, Stickstoff und Sauerstoff, enthalten ist. Für Wasserdampf, bei 3% in der Luft, wären es 37,2 x 0,03 Anteile des Energieinhalts der Atmosphäre. Das Verhältnis der Energieinhalte von Luft zu Wasserdampf zu Spurengasen wäre dann etwa 100 : 35 : 0,07. Dieses Verhältnis wird durch die geringe Temperaturabhängigkeit der Cp-Werte6,7 nicht verändert. Selbst Argon mit 1% Gehalt in der Luft würde mehr zur Wärmespeicherung beitragen als CO2.
Der Beitrag des Wasserkreislaufs ist stets weit größer als der Energiegehalt in dem kleinen Anteil der Spurengase, wegen seiner Abhängigkeit von Luftfeuchte und von verschiedenen Aggregatzuständen mit ihren Umwandlungsenergien schwer zu quantifizieren.
Das Strahlungsgleichgewicht – die Erdrückstrahlung
Sonneneinstrahlung und Erdausstrahlung sollen sich die Waage halten. Die Bilanz ist nur dann ausgeglichen, solange keine Änderungen an den solaren oder planetaren Parametern auftreten, was in der Geschichte unseres Planeten mehrfach passierte: Es gab Warm- und Eiszeiten, aus Grünland wurden Wüsten. Aber auch bei konstanten kosmischen Parametern ist die Strahlungsbilanz weder täglich noch im Jahr ausgeglichen, manchmal erst nach Jahrtausenden.
Wie gelangt die Wärme zurück in den Weltraum? Der Energieaustausch mit dem All kann nur über elektromagnetische Strahlung erfolgen. Nur 15 bis 30 % der Energie werden von der Erdoberfläche als IR-Strahlung zurückgestrahlt2. Der größte Teil der gespeicherten Energie ist kinetische Energie der Gasmoleküle. Um die Energiebilanz zwischen Ein- und Ausstrahlung wieder herzustellen, müsste die Energie mit den Gasmolekülen in den Weltraum entweichen, diese werden aber von der Schwerkraft an der Erde gehalten.
Wärme muss also in elektromagnetische Strahlung gewandelt werden. Als Wandler wirken die 3- und mehratomigen Gase H2O und die Spurengase CO2, CH4 und andere, die ihre in Molekülschwingungen gespeicherte potentielle Energie als IR-Photonen abgeben können. Resonanzen zwischen Schwingungsenergie und IR-Photonen sind möglich, liegen doch die Energiewerte im Bereich der IR-Photonenenergien (Tab. 2). Die Energiewerte je Molekül in Milli-Elektronenvolt errechnen sich nach7
1 mol = 6,02 x 1023 Moleküle 1 eV = 1,602 x 10-19 J.
Es ist anzunehmen, dass bei Stößen mit Gasmolekülen bestimmter Energie Molekülschwingungen generiert als auch gestoppt und in Photonen gewandelt werden können.
Nur auf diese Weise ist die Wandlung der Bewegungsenergie in elektromagnetische Strahlung und damit die Energiebilanz zwischen Ein- und Ausstrahlung möglich. Die von der Klimaforschung als „Treibhausgase“ bezeichneten Spurengase wären danach als Katalysatoren für den Abbau von Wärme und die Aussendung von elektromagnetischer Strahlung aufzufassen. Der Austausch der Bewegungsenergie mit den Schwingungsenergien in den Molekülen eines Gasgemisches ist ein thermodynamischer Prozess. Ein Stau einer Energieart in einem Bestandteil des Ganzen ist nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik nicht zu erwarten.
Die Dichte der Atmosphäre und damit ihr Wärmeinhalt nehmen mit steigender Höhe ab. Die IR-Photonen werden nach allen Richtungen ausgestrahlt. Die Rückstrahlung in Richtung Erde gilt in der Klimaforschung2 als Argument, Werte für einen „Strahlungsantrieb“ als Ursache des Temperaturanstiegs durch die „Treibhausgase“ zu berechnen. In Richtung Erde treffen die IR-Strahlen jedoch auf eine höhere Dichte absorbierender Moleküle als in Richtung Weltraum, so dass der Transport ins All gegenüber dem Rücktransport zur Erde begünstigt sein sollte.
Schlussfolgerungen
Die Atmosphäre der Erde wirkt durch ihre Speicherung von eingestrahlter Sonnenenergie wie ein Treibhaus. An der Energiespeicherung sind alle Gase der Atmosphäre entsprechend ihrer molaren Wärmekapazitäten und Konzentrationen beteiligt. Stickstoff und Sauerstoff als Hauptbestandteile der Luft tragen den größten Anteil der gespeicherten Energie.
Der Energieinhalt des Wassers in der Atmosphäre schwankt in einem weiten Bereich, ist aber weit größer als der der Spurengase.
Der Energieinhalt der Spurengase Kohlendioxid, Methan, u.a. ist auf Grund ihrer kleinen Konzentration gering. Nach der thermodynamischen Analyse kann Kohlendioxid keinen Wärmestau verursachen.
Wasserdampf und die Spurengase haben eine katalytische Funktion zur Wandlung von Wärmeenergie der Luft in elektromagnetische Strahlung. Sie spielen eine wichtige Rolle für die Einhaltung der Strahlungsbilanz.
*) Prof.Dr.sc.nat. Helmut Ullmann, Dipl.-Ing. für Radiochemie
1 N.Leitgeb, Strahlen, Wellen, Felder, Thieme Verlag, 1990, S.196
2 6.Sachstandsbericht des IPCC, März 2023
3 Tabellensammlung Chemie/de.wikibooks.org
4 G.Kortüm, Einführung in die chemische Thermodynamik, Verlag Chemie, Basel 1981
5 Czeslik, H.Seemann, R.Winter, Basiswissen Physikalische Chemie, Vieweg und Teubner, GWV Fachverlage, Wiesbaden 2010
6 earthobservatory.nasa.gov/features/EnergyBalance/page7.php
7 H.Ullmann, Der Treibhauseffekt – eine molekulare Analyse.
ageu-die-realisten.com/archives/6440 07/05/2023