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Der Treibhauseffekt scheint viel größer zu sein als bisher angenommen. Das bedeutet aber auch, dass der Treibhauseffekt nicht die Temperatur bestimmt. Die Temperaturen der Erde sind viel niedriger. Die Höhe der Erdtemperaturen scheint vollständig von der Abkühlung durch das H2O-Molekül abhängig zu sein, das die Temperaturen auf der Erde seit vier Milliarden Jahren in engen Grenzen halten kann. Angesichts der enormen Kühlkraft des Wasserdampfs kann der Einfluss zusätzlicher Treibhausgase nicht mehr als null Prozent betragen. Die Konsequenz aus den folgenden Ausführungen ist, dass die Politik wieder völlig frei ist bei der Suche nach der praktischsten, der strategisch richtigen und der kostengünstigsten Lösung für das aktuelle (2022) Energieproblem. Es sind wieder alle Optionen offen.

Der Treibhauseffekt der Erde ist viel größer als bisher angenommen. Wenn die Oberflächenstrahlung und der Treibhauseffekt die Oberflächentemperaturen bestimmen würden, würden unsere Ozeane kochen. Glücklicherweise tun sie das nicht. Die Erde verfügt über einen starken, auf Wasserdampf basierenden Mechanismus zur Verdunstungskühlung an der Oberfläche, der die Oberflächentemperaturen effektiv auf einem viel niedrigeren Niveau festlegt und stabilisiert, als es die Kühlung durch Oberflächenstrahlung vermag. Dank des Wasserdampfs ist unser Temperatursystem weitaus stabiler als allgemein angenommen, und dank des Wassers, des Wasserdampfs und der Wolken sind die Oberflächentemperaturen für das heutige Leben günstig.

Die frühe Erde bestand aus heißer, geschmolzener Lava, die von einer extremen Treibhausatmosphäre bedeckt war: Kaum eine Oberflächenstrahlung konnte den Weltraum erreichen, wenn überhaupt. Dennoch kühlte sich die Oberfläche ab. Durch Aufwärtskonvektion wurde die fühlbare und latente Wärme von den heißen Oberflächen in die Höhen am Rande der Atmosphäre transportiert, von wo aus die Energie effektiv in den Weltraum abgestrahlt werden konnte. Trotz des nahezu maximalen Treibhauseffekts kühlte sich die Oberfläche der frühen Erde ab, und zu einem bestimmten Zeitpunkt entstanden die ersten Ozeane. Diese kochenden Ozeane führten zu einem enormen konvektiven Aufwärtstransport von Energie, der die Oberfläche weiter abkühlte. Bis heute spielt der konvektive Aufwärtstransport von Energie die Hauptrolle bei der Abkühlung der Oberfläche. Die Konvektion bestimmt und reguliert die Oberflächentemperaturen auf dem aktuellen Niveau. Ohne Verdunstungs-Konvektions-Wolken-Kühlung würde unsere aktuelle Treibhausatmosphäre theoretisch zu einer Oberflächentemperatur von 202,3°C führen. Auf der realen Erde erwärmt der Treibhauseffekt die Oberfläche, aber die Erwärmung durch den Treibhauseffekt bestimmt und kontrolliert nicht die endgültigen Oberflächentemperaturen. Dies geschieht durch das auf H2O basierende Kühlsystem der Erde.

Theoretischer Treibhauseffekt
Wir können den Erwärmungseffekt der gegenwärtigen Treibhausatmosphäre für einen theoretischen Planeten[1] für den Fall berechnen, dass seine Oberfläche nur durch Strahlung gekühlt wird. Ohne Treibhausatmosphäre und bei optimaler Kühlung durch Strahlung[2] beträgt die Temperatur eines solchen theoretischen Planeten minus 42,3 Grad Celsius. Aber eine Treibhausatmosphäre macht einen großen Unterschied. Anfänglich.

Die gegenwärtige Treibhausatmosphäre der Erde ist immer noch eine „fast perfekte“ Treibhausatmosphäre. Wie in Abbildung 1 dargestellt, können nur 22 W/m2 der von der Oberfläche abgestrahlten Energie (396 W/m2) den Weltraum erreichen, ohne absorbiert zu werden. Eine Oberflächenkühlungseffizienz von nur 5,556 %.

Die Effizienz der Kühlung durch Oberflächenstrahlung ist sehr gering: Nach der Absorption kehrt fast die gesamte von der Oberfläche abgestrahlte Energie als abwärts gerichtete Strahlung oder (ohne Konvektion) als fühlbare Wärme in die untere Atmosphäre zurück. Mit der Kenntnis der Kühleffizienz der Oberflächenstrahlung der Erde können wir die Oberflächentemperatur des Treibhauses für den Fall berechnen, dass die Oberfläche unseres imaginären Planeten nur durch Strahlung gekühlt wird, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Bei dem derzeitigen Treibhauseffekt der Erde hätte die Oberfläche unseres imaginären Planeten eine Temperatur von 202,3 Grad Celsius, wenn sie nur durch die Oberflächenstrahlung abgekühlt würde. Die gesamte anfängliche Erwärmung durch den Treibhauseffekt ist enorm, siehe Tabelle 1.

In Anbetracht des hohen anfänglichen Treibhauseffekts müssen auf unserer relativ kühlen Erde andere Faktoren als die Oberflächenstrahlung das Niveau der Oberflächentemperaturen steuern; wahrscheinlich eine H2O-bedingte Oberflächenabkühlung.

Die Höhe der Oberflächentemperaturen der Erde

Wo im Bereich der „Treibhaustemperaturen“ liegen die Oberflächentemperaturen der Erde? Die Oberflächentemperaturen der Erde lassen sich am besten an der Oberflächentemperatur des Ozeanwassers ablesen, das 71 % der Erdoberfläche bedeckt. Die maximale jährliche Durchschnittstemperatur beträgt 30 °C, während die minimale Temperatur bei minus 1,8 °C liegt (in Abbildung 3 grün dargestellt).

Nur Strahlung“ hätte die Abkühlung der Erdoberfläche bei 202,3 °C beendet. Die durchschnittlichen jährlichen Oberflächentemperaturen auf der Erde sind viel niedriger, etwa 15 °C. Auf der realen Erde hat die zusätzliche Abkühlung durch Verdunstung, Wärmeleitung, Konvektion und Wolken die Oberflächentemperaturen weit unter das Niveau gesenkt, das die „reine Strahlungskühlung“ zur Folge gehabt hätte. Und warum? Die Antwort ist, dass die H2O-bedingte Abkühlung (Verdunstungs-, Konvektions- und tropische Wolkenabkühlung) sehr stark, sehr dynamisch und sehr wirksam im Temperaturbereich über 15 °C ist.

Verdunstung
Die Verdunstung steigt um 6-7 % (Clausius-Clapeyron) pro Grad Temperaturanstieg, ein enormer Prozentsatz. Im höheren Temperaturbereich kühlt die Verdunstungskälte extrem ab: man denke an kochendes Wasser von 100°C. Bei Temperaturen unter 15 Grad Celsius nimmt die Verdunstungskälte um denselben hohen Prozentsatz von 6-7% ab. Irgendwann hielten sich die H2O-bedingte Oberflächenabkühlung und die Erwärmung durch die Sonnenabsorption an der Oberfläche bei 15 °C die Waage.

Konvektion
Konvektion in der Atmosphäre ist der Aufwärtstransport von latenter und fühlbarer Wärme von der Oberfläche in höhere Lagen. Durch die Konvektion wird die Oberflächenwärme effektiv abgekühlt und Energie in Höhenlagen gebracht, in denen das wichtigste Treibhausgas, der Wasserdampf, fehlt. In diesen Höhen ist die Emission in den Weltraum effektiver als die Oberflächenemission. Die Konvektion wird durch die bei der Verdunstung entstehenden Wasserdampfmoleküle geringer Dichte stark angeregt. Die konvektive Verdunstungskühlung ist im höheren Temperaturbereich enorm und erzeugt große Mengen an sonnenreflektierenden tropischen Wolken. Wenn sich tropische Wolken bilden, wird die Verdunstungskühlung an der Oberfläche mit einer verminderten solaren Erwärmung an der Oberfläche kombiniert: sehr effektiv.

Konduktion
Starke Konvektion verstärkt den Wind über der Oberfläche und führt trockenere und kältere Luft von anderswo her heran, was zu einem höheren konduktiven Wärmeverlust an der Oberfläche führt.

Abnehmende H2O-basierte Kühlung
Die gesamte verdunstungsbasierte Kühlung ist sehr dynamisch. Die gesamte H2O-basierte Oberflächenkühlung wird durch die zunehmende Verdunstung bei steigenden Temperaturen angeheizt. Die Verdunstung nimmt jedoch auch stark ab, wenn die Temperaturen auch nur um ein Grad sinken, was eine weitere Abkühlung der Oberfläche verhindert. Derzeit halten sich die gesamte Oberflächenabkühlung und die gesamte Oberflächenerwärmung der Erde[4] bei einem Jahresdurchschnitt von 15 Grad Celsius die Waage.

Sonneneinstrahlung
Die Aufnahme von Sonnenenergie durch den Ozean hängt stark von der An- bzw. Abwesenheit tropischer Wolken ab. Wenn die Temperaturen sinken, nehmen die tiefer gelegenen tropischen Wolken stark ab, und mehr Sonnenenergie kann die Oberfläche erreichen und erwärmen. Die Erwärmung der Oberfläche führt zu einem Anstieg der Verdunstung. Steigende Verdunstung, Gewitter und ähnliche Prozesse, die in tropischen Wolken enden, beenden bald die zusätzliche Sonnenerwärmung. Daher die unglaubliche Stabilität der Oberflächentemperaturen der Erde.

Gleichgewicht
Bei 15°C besteht ein Gleichgewicht zwischen der Erwärmung der Oberfläche durch die Sonneneinstrahlung und der Abkühlung der Oberfläche. Jede weitere Abkühlung der Oberfläche führt zu einer höheren Sonnenaufnahme und neutralisiert die anfängliche Abkühlung. Und jede Oberflächenerwärmung führt zu einer stärkeren Abkühlung durch Verdunstung und konvektive Wolken, wodurch die anfängliche Oberflächenerwärmung neutralisiert wird.

Die anfängliche Erwärmung durch zusätzliche Treibhausgase wird wie jede andere Oberflächenerwärmung vollständig neutralisiert. Die Neutralisierung der Erwärmung erfolgt auf unterschiedlichen Zeitskalen, manchmal innerhalb von Sekunden (Strahlung) oder Stunden, einem Tag oder einer Jahreszeit, oft aber auch über Jahrzehnte (durch längerfristige Ozeanschwankungen) und manchmal über noch längere Zeiträume wie die Erholung von der kalten Kleinen Eiszeit, die Jahrhunderte dauern kann.

Warum 15°C und warum nicht 202,3°C?
Die Strahlungskühlung ist weniger dynamisch als die H2O-basierte Kühlung. Bei einem Grad Unterschied in der Oberflächentemperatur steigt oder sinkt die Strahlungskühlung nur um 1,4 %, die H2O-basierte Kühlung dagegen um 6-7 %. Die frühe Erde war zunächst heiß und kühlte dann nach ihrer Entstehung ab. Bei einer derzeitigen Oberflächentemperatur von nur 15 °C (dem Temperaturniveau für diesen geologischen Zeitraum und für diese Orbitalposition) hat die H2O-bedingte Oberflächenabkühlung die Sonnenabsorption an der Oberfläche ausgeglichen.

Die frühe Erde
Die frühe Erde war heiß und dampfig. Die Akkretionswärme schmolz das gesamte kollidierende Material aus dem Weltraum, aus dem die Erde entstand. Es bildete sich eine nahezu perfekte Kugel, deren Atmosphäre die perfekte Treibhausatmosphäre war: eine Atmosphäre mit einem sehr hohen Wasserdampfgehalt, sehr reich an Kohlendioxid und einem von Wolken bedeckten Himmel. Kaum eine Oberflächenstrahlung konnte den Weltraum erreichen, ohne absorbiert zu werden. Die Konvektion musste die Oberflächenenergie an den Rand der dampfenden Atmosphäre transportieren, wo die Emission ins All stattfinden konnte. Bei der frühen Erde hing die Abkühlung der Oberfläche von der Stärke der Konvektion ab. Als die Temperaturen sanken, setzte sich die konvektive Abkühlung fort, nahm aber kontinuierlich an Stärke ab. Auch die Wolkenbedeckung in den Tropen nahm ab, so dass die Sonne die tropischen Ozeane erwärmen konnte. Trotz des enormen Treibhauseffekts auf der Erde waren die Oberflächentemperaturen nie von der Stärke des Treibhauseffekts abhängig, sondern von der Temperatur, die sich einstellt, wenn die H2O-bedingte Oberflächenabkühlung die Erwärmung durch die zunehmende Sonneneinstrahlung an der Oberfläche ausgleicht.

Intrinsische Eigenschaften
Das faszinierende H2O-Molekül hat viele intrinsische Eigenschaften. Eine seiner Eigenschaften ist der starke Zusammenhalt der Moleküle, der zu einer starken Oberflächenspannung führt, die „dichte“ Oberflächen schafft, auf denen manche Insekten sogar laufen können. Die starke Oberflächenspannung erschwert es einem Oberflächenmolekül, in die Atmosphäre zu entweichen, was die Temperatur erhöht, bei der genügend Wasserdampf freigesetzt wird, um eine „Superkonvektion“ zu verursachen. Eine weitere intrinsische Eigenschaft legt die Gefriertemperatur auf null Grad Celsius fest und nicht auf +10, +20 oder minus 20 Grad. Die Bindung eines Sauerstoffatoms an zwei Wasserstoffatome geringer Dichte ergibt ein Wassermolekül geringer Dichte, so dass sehr feuchte Luft geringer Dichte leicht aufsteigt. Die inhärenten Eigenschaften von H2O bestimmen alle wesentlichen Elemente des Hauptkühlsystems der Erde, das von H2O dominiert wird. Diese Eigenschaften sind dem Molekül selbst eigen: Sie ändern sich nicht mit der Zeit. Daher hätte die Oberflächentemperatur der Erde über Milliarden von Jahren gleich bleiben können, wenn sich die Einstellungen der Erdumlaufbahn und die Verteilung der Ozeane und Kontinente auf der Erdoberfläche nicht verändert hätten. Die inneren Eigenschaften von H2O bestimmen die Höhe der Oberflächentemperaturen der Erde für jede spezifische Ausrichtung und Oberflächenanordnung der Erde. Das H2O-Molekül, sonst nichts.

Paradoxon der schwachen jungen Sonne
In den ersten Jahren der frühen Erde muss die Sonnenleistung etwa 30 Prozent geringer gewesen sein als heute. Weniger Sonnenenergie erreichte die Erde. Trotzdem war die Oberfläche der Erde nie viel kälter als die heutige Erde. Dies wird als das Paradoxon der schwachen jungen Sonne bezeichnet. Wenn man die Rolle der H2O-bedingten Oberflächenabkühlung kennt, ist dieses Paradoxon gelöst. Da die gesamte Sonneneinstrahlung, die die Oberfläche erreicht, durch tropische Wolken und die Oberflächentemperaturen der Erde durch die H2O-bedingte Oberflächenkühlung gesteuert werden, hängen die Oberflächentemperaturen der Erde nicht einfach von der Intensität der Sonneneinstrahlung ab, die die Erde erreicht. Bei einer schwachen Sonne nimmt die Verdunstung ab, weniger tropische Wolken bedecken die tropischen Ozeane und ermöglichen, dass mehr (aber schwächere) Sonnenstrahlen eine größere Fläche erreichen und erwärmen. Das Endergebnis für die tropischen Ozeane ist in etwa dasselbe.

Kein Schneeball Erde
Da die Menge der Sonneneinstrahlung, die die Oberfläche erreicht, durch tropische Wolken gesteuert wird, und aufgrund der durch H2O gesteuerten Oberflächenabkühlung hat es wahrscheinlich keine vollständige Schneeball-Erde gegeben. Eine etwas kältere Oberfläche vermindert die H2O-bedingte Oberflächenabkühlung stark. Die abnehmenden tropischen Wolken führen zu einer höheren Aufnahme von Sonnenenergie durch die tropischen Ozeane. Das Endergebnis ist, dass die tropischen Ozeane immer noch warm bleiben. Auf der Wassererde ist kein vollständiger Schneeball Erde möglich. Selbst wenn die gesamte Landfläche (29 % der Gesamtoberfläche) auf die beiden Pole konzentriert wird, ist das Ergebnis nur eine teilweise schnee- und eisbedeckte Oberfläche. Der größte Teil der übrigen 71 % der Oberfläche wird von relativ warmen Ozeanen bedeckt sein, die die von den Tropen absorbierte Sonnenenergie über die mittleren Breiten umverteilen, ohne von einem Kontinent behindert zu werden.

Schlussfolgerungen
Der Treibhauseffekt der Erde ist enorm, viel höher als normalerweise angenommen. Würde die Oberfläche eines theoretischen Planeten nur durch die Oberflächenstrahlung gekühlt, hätte sie eine Oberflächentemperatur von 202,3 °C. Die Oberflächentemperaturen der Erde werden jedoch nicht durch die Stärke des Treibhauseffekts bestimmt. Zusätzliche Kühlsysteme auf H2O-Basis halten die Oberfläche auf einer viel niedrigeren Temperatur und gleichen die steigende Strahlungsaufnahme der Oberfläche aus. Derzeit wird dieses Gleichgewicht bei einem Jahresdurchschnitt von 15 Grad Celsius erreicht.

Dank der H2O-bedingten Oberflächenkühlung sind die Oberflächentemperaturen der Erde auf einen engen Bereich begrenzt, auf ein Temperaturniveau, das für das Leben auf der Erde gut geeignet ist. Aufgrund dieser Stabilität hat sich das Leben über viele hundert Millionen Jahre hinweg entwickelt.

Die Temperatur regelt das Kühlsystem; das Kühlsystem regelt die Temperatur.

Fußnoten

1 – Die Berechnungen beziehen sich auf einen theoretischen Planeten, der vollständig dem Stefan-Boltzmann-Gesetz entspricht. Der theoretische Planet ist ein perfekter Absorber/Emitter (Schwarzer Körper) und besteht aus einer „unendlich dünnen Hülle“, die keine Energie speichern kann. Seine Oberfläche ist supraleitend, was zu der niedrigstmöglichen Emissionstemperatur führt.
2- Berechnet für die tatsächlich absorbierte Sonnenoberfläche (161 W/m2) unter der Annahme maximaler Absorption und maximaler Emission und unter der Annahme, dass die gesamte Oberflächenstrahlung direkt in den Weltraum abgestrahlt wird, d. h. ohne absorbiert zu werden. Der Wirkungsgrad der Oberflächenemission beträgt 100 % oder ein effektiver Emissionsgrad von 1″. Berechnung mit dem Stefan-Boltzmann-Rechner.
3-Diese Version der Grafik aus dem Jahr 2011 ist die korrigierte Version. Die Beschriftung des Bildes: „Der globale mittlere jährliche Energiehaushalt der Erde für 2000-2005 (W m-2). Die breiten Pfeile zeigen den schematischen Energiefluss im Verhältnis zu seiner Bedeutung. Angepasst von Trenberth et al. (2009) mit im Text vermerkten Änderungen“.
4 – Der gegenwärtige Zustand der Erde umfasst die Konfiguration der Erdbahn sowie die Lage, Größe und Topografie der Kontinente und Ozeane. Der Gesamtzustand führt zu einer bestimmten Verteilung und Umverteilung der Sonnenenergie über die Breitengrade. Die Wettermuster hängen von der Verteilung und Umverteilung der Sonnenenergie ab. Das Klima ist definitionsgemäß der Durchschnitt des Wetters von 30 Jahren. Veränderungen des Klimas sind das Ergebnis von Veränderungen in der Verteilung und Umverteilung der Sonnenenergie über die Erdoberfläche.