Kurzfassung

1827 publizierte Joseph Fourier eine Hypothese, wonach Wasserdampf und CO₂ die Erd-Atmosphäre erwärmen würden. Diese These, die später als „Treibhauseffekt“ bekannt wurde, war von vornherein umstritten. Selbst der Begriff war falsch gewählt, da der Erwärmungseffekt von Gewächshäusern nichts mit der Wärmestrahlung der IR-aktiven Gase zu tun hat. So ist es nicht verwunderlich, dass Klima-Alarmisten wie Al Gore und Hoimar von Ditfurth neue „Beweise“ vorlegen wollten, um der breiten Öffentlichkeit die gefährliche Erderwärmung durch CO<sub >2</sub> zu vermitteln. Eine umfangreiche Überprüfung ihrer Experimente zeigt nun, dass sie das falsche Objekt, die Lufttemperatur, untersucht haben und dabei unbemerkt auf die besondere Isolierwirkung von Gas-Schichtungen gestoßen sind. So wird eine besonders starke Lufterwärmung erhalten, wenn CO₂ von unten eingeleitet wird und sich ein „Gas-See“ bildet, der zu einem Schichtungs-Effekt und zu einem Wärmestau führt. Werden aber, wie in der Atmosphäre, Luft und CO₂ gleichmäßig vermischt, bleibt die Luft-Erwärmung aus.
Die Öffentlichkeit wird durch diese Experimente manipuliert und getäuscht, da die teilweise beträchtlichen Temperaturerhöhungen nichts mit dem CO₂-Treibhauseffekt zu tun haben. Dabei hätten die Autoren Ihren Irrtum leicht bemerken können, wenn sie ihren „Gas-See“ nur kurz umgerührt hätten.

Einleitung

Folgt man den etablierten Massenmedien ist der angeblich vom Menschen verursachte Klimawandel wissenschaftlich eindeutig bewiesen und benötigt keine weitere Forschung. Zunächst ein Widerspruch in sich, denn die Naturwissenschaft liefert keine absolute Wahrheit, in Stein gemeißelte Gesetze, sondern nur Annahmen und Hypothesen. Selbst wenn sich eine These in der Praxis bewährt und allgemeine Anerkennung gefunden hat, ist eine kritische Überprüfung kein Sakrileg, sondern unverzichtbare Pflicht eines jeden Wissenschaftlers. Denkverbote und Maulkörbe sind Methoden und typische Merkmale einer drohenden Diktatur, die die Wissenschaft zu einem unwürdigen Knecht der Mächtigen degradiert. Wie glaubwürdig ist eine Gesellschaft, die bunt sein möchte aber Meinungsvielfalt unterdrückt (EIKE, 2019).
Es ist sehr beunruhigend, dass sich beim Thema Klimawandel hauptsächlich nur ehemalige Institutsdirektoren, pensionierte Professoren und Forscher zu Wort melden und den Weltuntergangsszenarien widersprechen. Wenn nur Menschen Widerstand leisten, die sich keine Sorgen bezüglich ihrer Karriere, Reputation oder ihres Einkommens machen müssen. Wenn in Deutschland die ältere Generation von einem öffentlich rechtlichen Sender („Meine Oma ist `ne alte Umweltsau“) verspottet wird.

Für einen Außenstehenden ist es schwer bis unmöglich, die Vorhersagen von Dürre, Hitze, Überschwemmungen und Artensterben zu überprüfen. Es sein denn, man stöbert in uralten Zeitungen und findet düstere Prophezeiungen in schöner Regelmäßigkeit ( Washington Post, 1922, Rückzug der Gletscher, 1934, 50-years-failed-eco-pocalyptic-predictions, 2019). Vielleicht sind es die Lebenserfahrungen der Älteren, dass sie dem Sensations-Journalismus nicht auf den Leim gehen und eher gelassen reagieren.

Die Untergangsprognosen spalten die Gesellschaft in Menschen, die alles glauben was die Medien produzieren und Menschen, die sich lieber selber eine eigene Meinung bilden. Meine experimentellen Untersuchungen richten sich an die letztere Gruppe. Auch wenn sich das komplexe Geschehen von Wetter und Klima im Labor nicht nachbilden lässt, einzelne Aspekte und Aussagen lassen sich durchaus überprüfen. Im folgenden Artikel geht es um spektakuläre Labor-Experimente prominenter Klima-Alarmisten, die kritisch hinterfragt werden sollen. Am Ende wird sich herausstellen, warum ihre Experimente scheitern mussten und ihre Warnung vor dem angeblich gefährlichen CO2 unbegründet ist.

1. Das Hoimar von Ditfurth Experiment

Man findet im Internet eine Reihe von einfachen Versuchen, die den CO₂-Treibhauseffekt mit der Lufttemperatur verknüpfen. Danach soll sich CO₂ wie eine Glasscheibe verhalten, die kurzwelliges Licht durchlässt, aber langwellige Wärmestrahlung absorbiert und sich dadurch erwärmt. Eine deutliche Erwärmung nach Zugabe von CO2 wurde als Beweis eines Treibhauseffektes erachtet. Die bekanntesten Versuche stammen von Al Gore (2011), Prof. Volker Quaschning (2019), und Hoimar von Ditfurth (1978). Sie haben einen sehr ähnlichen Versuchsaufbau und lassen sich wie folgt charakterisieren:

1. Eine Glühlampe bestrahlt von außen ein Gefäß (Simulation der Sonnenstrahlung).
2. Ein Gefäß wird wahlweise mit normaler oder CO₂-haltiger Luft gefüllt (Erd-Atmosphäre).
3. Eine Bodenfläche oder ein kugelförmiger Körper simuliert die Erdoberfläche.

Das wohl spektakulärste Experiment wurde 1978 von dem Autor und Fernsehmoderator Dr. Hoimar von Ditfurth† durchgeführt. Diese Vorführung verdient einige Superlative: Neben spektakulär ist es das größte und gefährlichste Experiment, mit dem stärksten Temperatur-Anstieg und den meisten physikalischen Rätseln.

Auf einer Bühne waren zwei große Zylinder mit den ungefähren Maßen 2 x 3 m aus durchsichtiger Plastikfolie aufgebaut. In jedem dieser Zylinder befand sich eine Testperson, die ein Thermometer beobachtete, aber nur in einem Zylinder wurde CO₂ sehr rasch von unten eingeleitet.
Die Zylinder werden mit einem Bühnenscheinwerfer von oben bestrahlt, wodurch sie sich erwärmten.
Am Ende wurde festgestellt, dass der CO₂-gefüllte Zylinder 11,3 °C wärmer war als der Vergleichszylinder.
Das YouTube-Video, das noch immer im Internet zugänglich ist, vermittelt eine Botschaft, die wegen ihrer Einfachheit auch von der breiten Öffentlichkeit leicht zu verstehen ist: „Seht her, CO₂ kann unsere Erde um 11 °C oder vielleicht noch höher erwärmen, wenn ihr nicht sofort handelt.“ Aber stimmt diese Prophezeiung?

Die Experimente der prominenten Klima-Alarmisten sind reine Demonstrationen. Es fehlen detaillierte Beschreibungen, Angabe der CO₂-Konzentrationen und Kontroll-Experimente. Zur Auswertung kommt lediglich eine Vorher- Nachher-Betrachtung. Diese Versäumnisse sollten durch eine gründliche Prüfung behoben werden.

2. Die Versuchsapparatur

Die Versuchs-Apparatur ist eine polierte Aluminiumröhre mit einem Volumen von 65 Liter, die von unten mit Probegasen befüllt werden kann und von oben mit einer 100 W Rotlicht-Lampe aus 60 cm Entfernung bestrahlt wird (Abb. 1).
Das Ende der Röhre ist mit einem Windschutz versehen. Die Röhre kann entweder offenen gelassen werden (Blende 1) oder mit einer PE-Folie verschlossenen werden (Blende 2).
Sieben Thermometer, die an Datenloggern angeschlossen sind, dokumentieren im Minutentakt die Temperaturen innerhalb und außerhalb der Röhre. Die Daten-Aufzeichnungen beginnen 70 Minuten vor Zugabe der Probegase, um die Konstanz der Temperaturen zu zeigen. Um diese Konstanz zu erreichen wird die Rotlicht-Lampe 5 Stunden vorher eingeschaltet. Auch der Versuchsraum hat eine konstante Temperatur und wird als Raum-Temperatur angegeben.
Die Probegase werden innerhalb von 15 Minuten von unten eingeleitet, wodurch die Boden-Temperatur kurzzeitig beeinflusst wird (Abb. 5, 6). Für die Auswertung eines Versuches spielt diese Störung keine Rolle, da alle Temperatur-Änderungen über eine sehr lange Zeitspanne von 4 – 5 Stunden beobachtet wird.
Die Auswertung erfolgt mit Excel-Diagrammen, wobei immer fünf Daten zu einem Durchschnittswert zusammengefasst sind.

2.1 Überprüfung des Ditfurth-Experimentes

Wie beim Ditfurth-Experiment wird die mit Luft gefüllte, offene Apparatur (Abb. 2, linkes Bild) mit einer 100 W Rotlicht-Reflektor-Lampe bestrahlt. Die Daten von 0 -70 Minuten zeigen die Temperaturen der luftgefüllten Apparatur vor Zugabe von CO2. Durch die Bestrahlung ist die Versuchs-Apparatur bis zu 10 °C wärmer als die Raum-Luft. Dabei entsteht eine ungewöhnliche Luftschichtung. In geschlossenen Räumen hat normalerweise die Decke die höchste Temperatur aber bei diesem Bestrahlungs-Experiment ist es umgekehrt. Der Boden hat die höchste Temperatur, gefolgt vom Dom und jede weitere Schicht ist kälter als die vorhergehende (Abb. 3).

Die Erklärung ist das Lambert’sche Kosinusgesetz. Der Boden, obwohl am weitesten von der Lampe entfernt, erhält wegen seiner parallelen Ausrichtung zur Strahlungsquelle die größte Strahlungsdichte von der Rotlicht-Lampe. Alle anderen Flächen werden nur schräg angestrahlt und dadurch weniger erwärmt. Die Wärme breitet sich hauptsächlich durch Wärmeleitung aus, wie an der 4 °C Differenz zwischen Boden und Dom-Luft zu sehen ist (Abb. 3, Boden vs. Dom).
Nach Ablauf der 70-minütigen Luft-Messungen werden 23 L CO₂ innerhalb von 15 Minuten von unten in die Apparatur eingeleitet. Die Temperaturen in der Apparatur reagieren sofort auf das CO₂, allerdings sehr unterschiedlich. Während sich Boden und Dom-Luft sofort erwärmen, zeigen die anderen Sensoren zunächst eine Abkühlung, um nach einer gewissen Verzögerung ebenfalls einen Anstieg zu vermelden (Abb. 3).

Nach einer Beobachtungszeit von 180 Minuten (Ruhephase) werden die Gase durch das „Einleitungsrohr“ im Boden wieder abgepumpt. Das Abpumpen war als Kontrolle gedacht, um nachzuweisen dass die Temperatur-Anstiege tatsächlich durch CO₂ verursacht werden.
Eine Bestimmung der abgepumpten CO₂-Menge ergab, dass nur noch wenig CO₂ von den ursprünglichen 23 Litern vorhanden war. Das meiste CO₂ war während des Versuches aus der oben offenen Apparatur unbemerkt in den Laborraum entwichen (diffundiert). Der stetige Temperatur-Anstieg der Top-Position (gelbe Linie) zeigt diese Diffusion.

2.2 Das Argon-Kontroll-Experiment

Auf den ersten Blick sieht das vorherige CO₂-Experiment wie eine Bestätigung der Ditfurth-Hypothese aus. Aber Zweifel ist die Mutter aller Wissenschaften und so muss auch dieses Ergebnis überprüft werden. Als alternatives Kontroll-Gas bietet sich Argon an. Argon ist wie CO₂ ein schweres Gas aber kein Treibhausgas und sollte beim Einleiten in die Röhre keine Temperatur-Änderung verursachen. Der Kontroll-Versuch ist jedoch eine faustdicke Überraschung: Das IR-inaktive Argon verursacht exakt die gleichen Temperatur-Anstiege wie das Treibhausgas CO₂ (Abb. 4).

2.3 Schlussfolgerungen

Das Edelgas Argon ist ein IR-inaktives Gas, das weder Wärmestrahlung absorbieren noch emittieren kann. Wenn CO₂ und Argon den gleichen Erwärmungs-Effekt zeigen, muss man die Ursache außerhalb der Wärmestrahlung suchen. Schwere Gase haben eine kleinere spezifische Wärmeleitfähigkeit λ als Luft (die Tabelle in Abb. 4). Werden diese Gase in die Röhre eingeleitet, verringern sie den Wärmestrom innerhalb der Apparatur. Die schweren Gase wirken wie eine Isolierschicht. Somit lässt sich feststellen:

Das Ditfurth-Experiment zeigt nicht den Treibhauseffekt, sondern ist ein Phänomen schwerer Gase.

Diese erste Erkenntnis bestätigt die Skepsis von Anthony Watts (2011) und Helmut Krebs (2020, S. 91,98), die an den Ditfurth- und Al Gore-Experimenten, als Beweis des CO₂-Treibhauseffektes, gezweifelt hatten.

3. Experimente in der geschlossenen Apparatur

3.1 Überprüfung des Ditfurth-Experimentes in der geschlossenen Apparatur

Da bei der ersten Untersuchung CO₂ entweichen konnte, wurde der Versuch von Kap. 2 mit einer geschlossenen Apparatur wiederholt. Hierzu wurde Blende 2 mit Silicon-Gummi oberhalb der konischen Erweiterung eingeklebt. Blende 2 ist mit einer durchsichtigen PE-Folie (Schichtdicke: 11 µm) bespannt, die Wärmestrahlung durchlässt, aber den Austritt von CO₂ verhindert (Abb. 1, das Bild in der Mitte). Überraschenderweise gingen bei diesem Versuch die Temperaturen bereits nach zwei Stunden wieder auf die Ausgangswerte zurück, obwohl gar nicht abgepumpt wurde (Abb. 5).

Das abweichende Verhalten lässt sich durch einen unterschiedlichen Verlauf der CO2-Diffusion bei einer offenen und geschlossenen Apparatur erklären.
Beim CO₂-Einleiten bildet sich im Dom ein CO₂-„See“, vergleichbar mit einer Flüssigkeit, die in eine Schüssel gefüllt wird. (Für diese Art der Gasfüllung wurde die „Abdeckplatte“ im Dom installiert!) Das CO₂ breitet sich danach langsam durch Diffusion nach oben aus. Es bilden sich Schichten unterschiedlicher CO₂-Konzentration aus, die wie bei einer Mehrfachverglasung von Fensterscheiben die Wärmeleitung erheblich reduzieren.

Da die unterste Schicht aus fast reinem CO₂ besteht, ist dieser Bereich der Röhre viel stärker als die oberen Abschnitte von einem Wärmestau betroffen. Das erklärt die entgegengesetzten Temperatur-Änderungen zwischen Boden- und Top-Position in den ersten Minuten kurz nach der CO₂-Einleitung.
Durch die Diffusion nähert sich das CO₂ der Rotlichtlampe und wird hier stärker erwärmt als in den unteren Schichten, was den Aufstieg beschleunigt. Bei der offenen Apparatur führt das zu einem Entweichen der obersten Schichten CO₂. Dadurch nimmt insgesamt die CO₂-Menge in der Röhre ab, aber der Schichtungs-Effekt bleibt erhalten.

Bei der geschlossenen Apparatur führt die Diffusion zu einer Vermischung, Homogenisierung mit der Innenluft. Dieser Homogenisierungs-Prozess beseitigt den Schichtungs-Effekt, wodurch der Wärmestau beseitigt wird und die Temperaturen auf ihre Anfangswerte wieder zurückgehen (Abb. 5).

Der starke Temperatur-Anstieg des Ditfurth-Experimentes wird hauptsächlich durch diesen Schichtungs-Effekt verursacht wird.

Bisher hatten Kritiker solcher Bestrahlungs-Experimente argumentiert, dass die geringe spezifische Wärmeleitung von CO₂ die Ursache für solche Temperatur-Anstieg ist. Tatsächlich ist der Wärmeleitungs-Effekt gut durchmischter Gase nur für eine minimale Erwärmung von 0,1 – 0,2 °C verantwortlich.

3.2 CO₂-Experiment mit beschleunigter Homogenisierung

Die These der internen Vermischung von CO₂ und Luft ließ sich experimentell bestätigen. Nach Einleitung von CO₂ wurde für 30 Minuten mit einer Aquarium-Pumpe das im Dom befindliche CO₂ abgesaugt und in das obere Rohr wieder eingeleitet. Durch dieses Pumpen im Kreis wurde die Homogenisierung beschleunigt und die Temperaturen sanken deutlich schneller als beim vorherigen Versuch (Abb. 6 und Tab. 1).

3.3 Homogenisierungs-Versuche mit schweren Gasen

Weitere Homogenisierungs-Versuche mit unterschiedlichen Mengen CO₂, Freon 134a und Argon ergaben immer die gleichen geringen Temperatur-Anstiege von 0,1 – 0,3 °C (Tab. 1). Auch ein CO₂-Kontrollversuch mit einem farblosen 100 W Strahler (Abb. 2, rechtes Bild) führte zu keinem anderen Ergebnis.

3.4 Homogenisierungs-Experimente in Argon

In einer letzten Versuchsreihe wurde vor Zugabe von Treibhausgasen die Luft in der Apparatur (die Raumluft) durch Argon ausgetauscht. Durch diese Maßnahme sollte der Einfluss der Wärmeleitung in der Gas-Phase verringert werden. Tatsächlich verursachten jetzt CO₂ bzw. Freon 134a keine messbare Erwärmung der Luft in der Dom-Position, während es am Boden sogar zu einer Abkühlung kam (Tab. 2).

4. Das Harald Lesch-Experiment

Kapitel 4 wurde aus aktuellem Anlass, dem offenen Brief von Prof. Döhler et al. an Prof Harald Lesch (Klaus-D. Döhler, 2020), diesem Artikel zugefügt. Prof. Leschs Auftritt im ZDF gehört ebenfalls zu dem Thema „Die falschen Klima-Experimente“, allerdings mit einem anderen Fehler als beim Ditfurth-Experiment.
Prof. Lesch verwechselt Emission mit Absorption und demonstriert lediglich, dass CO₂ ein IR-aktives Gas ist, was Klima-Skeptiker ja gar nicht bezweifeln. Für diese Täuschung verwendet er wesentliche Bausteine der IR-Spektroskopie.
Bei einem IR-Spektrometer wird eine Probe in einer Küvette (bei Lesch ist es die Dose) mit einer Wärmestrahlung hoher Strahlungsdichte durchstrahlt (bei einem IR-Spektrometer sind Strahlungsquellen mit Temperaturen bis zu 1500 °C üblich). Mit dieser Methodik wird nachgewiesen, dass CO₂ bestimmte Wellenlängen des IR-Lichtes (Wärmestrahlung) absorbieren kann. Absorption von Wärmestrahlung bedeutet jedoch Aufnahme von Energie, die zwingend zu einer Erwärmung der CO₂-haltigen Luft in der Dose führt.
Beim Treibhauseffekt der Atmosphäre geht es aber nicht um die Sonnenstrahlung^*), wie Prof. Lesch fälschlich behauptet, sondern hauptsächlich um die IR-Strahlung der Erdoberfläche. Es geht die Frage wie diese Energie von der Erdoberfläche bis zum Rand der Atmosphäre transportiert wird. Neben anderen Mechanismen gelingt das durch eine stetige Wiederholung von Absorption und Emission der IR-Strahlung mit Komponenten der Atmosphäre, die diese Eigenschaft haben. Das geht solange bis die Atmosphäre dünn genug ist, um die Wärmestrahlung endgültig in das Weltall zu entlassen.
Anders als beim Lesch-Experiment sind hier die Strahlungsdichten wesentlich geringer und die Auswirkung auf die Temperatur der unteren Atmosphäre eher gering. Ob, wo und in welchem Umfang eine Temperatur-Erhöhung auftritt ist immer noch heftig umstritten.

Prof. Lesch folgt einem über hundertjährigen Irrtum, der sich nicht ausmerzten lässt. Schlimm, wenn solche Fehler Schülern und Studenten als Treibhauseffekt verkauft werden sollten.

Das Manipulations-Potential zeigt sich in der Größe und dem Ort der Erwärmung. Bei Lesch’s Absorptions-Demonstration können Luft-Erwärmungen von über 10 °C erreicht werden. Bei Strahlungsaustausch-Experimenten (dem wahren Treibhauseffekt) wird eine simulierten Erdoberfläche durch CO₂ um etwas mehr als 1 °C erwärmt und die Lufttemperaturen rühren sich nicht (ich möchte nicht vorgreifen, diese Publikationen kommen später, siehe Fazit der Untersuchung).

*) Für die ganz Wachen unter den Lesern und bevor wieder ein Proteststurm losbricht: Ja die Sonnenstrahlung hat auch einen hohen IR-Anteil aber das ist hauptsächlich NIR (nahes IR). Die wenigen relevanten MIR-Anteile (mittleres IR) treffen bereits in der Stratosphäre auf CO₂ und kurioserweise bewerten Modellrechnungen dieses Zusammentreffen als eine kühlende Wirkung, denn in dieser Höhe kann die CO₂-Strahlung ungehindert in das Weltall entweichen.

5. Fazit der Untersuchung

Die Untersuchungen zum Ditfurth-Experiment wurden mit einfachsten Mitteln durchgeführt und sind deshalb als Versuche für Schüler und Studenten besonders geeignet. Erste Wiederholungen meiner Arbeit durch Studentengruppen bestätigen, dass die Gase Argon und CO₂ den gleichen Temperatur-Anstieg ergeben (Axel Jacquin, 2020). Da Argon kein Treibhausgas ist, kann der Treibhauseffekt nicht die Ursache für den beobachteten Temperatur-Anstieg sein.

Die Behauptungen von Al Gore, Ditfurth und Quaschning, den CO₂-Treibhauseffekt durch eine Luft-Erwärmung nachgewiesen zu haben, sind falsch. Beseitigt man Sondereffekte, die hauptsächlich durch Gas-Schichtungen und durch die geringe spezifische Wärmeleitung schwerer Gase entstehen, bleibt von der postulierten Erwärmung nichts mehr übrig.

Die Autoren sind Opfer des falschen Begriffes „Treibhauseffekt“ geworden. Der Begriff verleitet zur Annahme, dass man diesen Effekt mit dem Modell eines Gewächshauses, mit und ohne CO₂, demonstrieren kann. Bereits 1909 hatte Robert Wood jedoch herausgefunden, dass sich Gewächshäuser nur deshalb erwärmen, weil sie das Aufsteigen und Entweichen erwärmter Luft verhindern. In der Folgezeit wurde Wood‘s Experiment mehrfach wiederholt und seine These bestätigt (Nasif S. Nahle, 2011, Jan-Eric Solheim, 2017).

Der besonders hohe Temperatur-Anstieg des Ditfurth-Experimentes ist einem Schichtungseffekt geschuldet, der ähnlich wie eine Mehrfachverglasung von Fenstern zu einer extrem kleinen Wärmeleitung führt, wodurch ein Wärmestau entsteht. Eine solche Schichtung tritt auf, wenn CO₂ von unten in eine Vorrichtung eingebracht wird. Diese Erkenntnis ist neu, denn bisher wurde nur die unterschiedliche spezifische Wärmeleitung von CO2 und Luft als Ursache des Temperatur-Anstieges vermutet. Wird das CO₂, wie in der Atmosphäre, gleichmäßig mit der Luft vermischt, gibt es nur eine minimale oder gar keine die Luft-Erwärmung. Damit wurde ein 40 jähriger Widerspruch von CO2-Experimenten, die entweder eine starke oder gar keine Temperatur-Erhöhung ergaben, aufgelöst und eine plausible Erklärung für die unterschiedlichen Resultate gefunden.

Die vorliegende Untersuchung sollte nicht als Ablehnung des Treibhauseffektes missverstanden werden. Es ist unbestritten, dass CO₂ ein IR-aktives Gas ist und Wärmestrahlung absorbieren kann. Strittig ist jedoch, wie viel der Treibhauseffekt zur Erwärmung der Erde (Hermann Harde, 2014) bzw. der Atmosphäre beiträgt (Ross McKitrick, 2020) und ob vom CO₂ eine Bedrohung der Menschheit ausgeht (Rex J. Fleming, 2019).

Fouriers These, den Treibhauseffekt als eine generelle Luft-Erwärmung zu definieren, war eine naive Vorstellung, die den komplexen Wechselwirkungen von Wärmestrahlung und IR-aktiven Stoffen in der Troposphäre (Erwärmung?) und Stratosphäre (Abkühlung?) nicht gerecht wird. Die Frage, ob und welchen Einfluss die Treibhausgase tatsächlich auf die Temperaturen der Atmosphäre haben, ist Gegenstand der aktuellen Forschung und noch längst nicht „settled“. Erinnert sei hier an der peinlichen „Hot-Spot-Debatte“, die 2007 im 4. IPCC Klimabericht aus Modell-Rechnungen abgeleitet wurde, sich aber durch Messungen nicht bestätigen ließ (Kalte Sonne, 2017).

Treibhaus-Experimente, die sich an der Lufttemperatur orientieren, müssen scheitern, da diese Gase in Labor-Versuchen nur die Boden-Temperatur erhöhen (Michael Schnell, 2019). Wird das berücksichtigt, lässt sich der (geringe) CO₂-Treibhauseffekt im Labor nachweisen. Das ist allerdings eine andere Geschichte, über die demnächst berichtet werden soll.

Die englische Version dieses Beitrags ist hier:

The wrong climate experiments

Albert Arnold „Al“ Gore ist nicht als zuverlässiger Prophet bekannt. Seine düsteren Vorhersagen, dass bis zum Jahr 2012 alle Gletscher im Glacier National Park verschwunden sind oder die Gipfel des Kilimandscharo 2016 keinen Schnee mehr haben, wollten sich einfach nicht erfüllen (Taylor, 2020).

Aber ein Labor-Experiment, wonach CO2 angeblich die Atmosphäre aufheizt, hat bis heute viel Aufmerksamkeit gefunden und hat zu einer erheblichen Verwirrung geführt. Alles begann mit einem YT-Video (eine halbe Millionen Klicks)  vom 21.09.2011 mit Gores Mitarbeiter Bill Nye als Erzähler (CLIMATE 101). Der Moderator erklärt, dass die Luft-Temperatur ansteigt, wenn man CO2  in einer, von außen beleuchteten, gläsernen Keksdose einleitet.
Dieses Video war von Anfang an heftig umstritten. Anthony Watts, der aufwendig versuchte, das nur mangelhaft beschriebene Experiment nachzumachen, fand keine Erwärmung, sondern sogar eine geringe Abkühlung (Watts, 2011). In der Folge berichteten verschiedene Klima-Skeptiker auf der deutschen Internet-Plattform „EIKE“, dass auch sie keine Erwärmung gefunden hatten (Solheim, 2017).

Video Der Treibhauseffekt: Sendung Hoimar von Ditfurths aus dem Jahre 1978

Diese negativen Reproduktionen stehen im Widerspruch  zu einem sehr spektakulären Experiment des deutschen Autors und Fernsehmoderator Dr. Hoimar von Ditfurth† aus dem Jahre 1978 (Ditfurth, 1978).
Der Autor war todesmutig in einen großen Plastik-Zylinder gestiegen und hatte am eigenen Leibe eine Erwärmung von 24 °C (75 °F)  auf 35 °C (95 °F) beim Einleiten von CO2 erlitten. Gerade in Deutschland wurde dieses YT-Video Vorbild für immer neue Versuchs-Variationen, womit man die angebliche CO2-Gefahr demonstrieren wollte (Quaschning, 2019).Die Realität – physikalische Erkenntnisse gewinnt man nur durch Messen und Vergleichen

In dieser widersprüchlichen Situation, in der Aussage gegen Aussage stand, kontaktierte mich Dr. Michael Schnell im Dez. 2017. Bis dahin war er für mich ein völlig unbekannter Wissenschaftler, aus der ehemaligen DDR, der mich zu einem Besuch in seinem Haus einlud. Ein schmuckes Einfamilienhaus in einem ruhigen Stadtteil von Berlin. Als ich sein Keller-Labor betrat verschlug es mir den Atem, in einer Ecke eine große Röhre, bis fast zur Decke, ein Gewirr von Instrumenten, Stromkabeln, Schläuchen, Computer. Ich fühlte mich an Billy Gates und seinem Anfang in einer Garage erinnert.
Dr. Schnell, erzählte mir dass er einen völlig neuen experimentellen Ansatz verfolge, wonach man die Strahlung der Treibhausgase, nur vor einem kalten Hintergrund messen könne. Er brachte seine Argumente in ruhiger und verständlicher Argumentation vor, doch ich spürte, dass Herr Schnell, als ehemaliger Chemiker, in der Klimatologie noch unerfahren ist. Ich schlug ihm deshalb vor, seine Ergebnisse mit Fachkollegen zu diskutieren und lud ihn ein, seine Ergebnisse auf unserer jährlichen Internationalen Konferenz „Energie und Klima – IKEK“ vorzutragen.
Im Nov. 2019 überraschte er die Kongressteilnehmer der 13. IKEK in München mit dem kühnen Anspruch, dass er das Rätsel der widersprüchlichen CO2-Experimente weitgehend gelöst hat (Schnell, 2019). Aber es vergingen noch weitere 6 Monate bis ein Schlussstrich gezogen werden konnte und nun alle Puzzlesteine perfekt zusammen passen.

Es ist nicht der Treibhauseffekt, der entscheidet ob CO2 den relativ kleinen Luftraum bei einem Laborversuch erwärmt, sondern die experimentellen Randbedingungen. CO2 hat eine wesentlich kleinere Wärmeleitung von 14,3 mW/(m∙K) als Luft mit 24,1 mW/(m∙K). Es ist also kein Wunder, dass sich die Wärmeleitung bemerkbar macht, wenn man Temperatur-Messungen bei hohen CO2-Konzentrationen vornimmt und Messungen unter 1 Vol.-% CO2 keinen Temperatur-Effekt verursachen.
Eigentlich nichts Neues, dass hatten bereits viele Skeptiker vorgebracht. Aber der eigentliche Clou kommt erst! Noch wichtiger als die Wärmeleitung der reinen Gase ist die Art wie das CO2 in das Versuchsgefäß eingeleitet wird. Da CO2 ein schweres Gas ist (Dichte = 1,98 kg/m³), wurde es bevorzugt immer von unten eingeleitet. Es bildete sich ein „CO2-See“, der sich langsam nach oben durch Diffusion ausbreitet. Dabei entsteht ein Konzentrations-Gefälle, das eine viel geringere Wärmeleitung aufweist als eine gleichmäßig verteilte CO2-Luft-Mischung. Es ist dieser spezielle Effekt, der erklärt, warum bei einigen Experimenten eine ungewöhnliche Erwärmung beobachtet werden kann. Ein einfaches Umrühren hätte gereicht und diese Temperatur-Erwärmung hätte sich in Luft aufgelöst.
In der Natur gibt es CO2-Schichten nur in speziellen Höhlen oder auf der Oberfläche von CO2 ausgasenden Seen. In der Atmosphäre sind Luft und CO2 gleichmäßig vermischt. CO2 hat hier eine sehr kleine Konzentration (0,04 Vol.-%) und somit auch keinen Einfluss auf die Wärmeleitung. Letztendlich wurde die Öffentlichkeit mit den Experimenten der Alarmisten getäuscht und manipuliert, denn die CO2-Wärmeleitungs-Effekte haben absolut nichts mit dem CO2-Treibhauseffekt zu tun.

Mit diesem Urteil deckt sich auch H. Harde‘s ¹⁾ Erkenntnis, dass sich der CO2-Einfluss viel stärker auf den Boden als auf die Luft auswirkt, die er durch Strahlungstransfer-Rechnungen auf der Basis eines Zwei-Schichten Modelles gewonnen hatte.
Es war also von vornherein der falsche Ansatz, den Treibhauseffekt anhand der Lufttemperatur feststellen zu wollen.

Sorry, Al Gore, aber auch diese ihrer Prophezeiungen, der angeblichen Luft-Erwärmung  durch CO2, ging nach hinten los.

Der Beitrag von Dr. Schnell wurde auf der deutschen Internetseite  „EIKE“ zum ersten Mal am 28. Jun. 2020 veröffentlicht (Schnell, 2020). Eine englische Übersetzung befindet sich hier Experimental review of the CO2 greenhouse effect.

———

¹⁾ Hermann Harde, „Radiation and Heat Transfer in the Atmosphere: A Comprehensive Approach on a Molecular Basis“, International Journal of Atmospheric Sciences, Volume 2013, Article ID 503727, 26 pp.

Kurzfassung

Jean-Baptiste Joseph Fourier war der Erste, der 1827 eine Erwärmung der Atmosphäre durch CO₂ postulierte. Viele Jahre später glaubten Hoimar von Ditfurth, Albert Arnold „Al“ Gore und Volker Quaschning, dass sie die Fourier-These experimentell nachgewiesen haben, da sie eine beträchtliche Lufterwärmung bei verschiedenen CO₂-Experimenten beobachteten. Eine sorgfältige Überprüfung ihrer Experimente zeigt nun, dass hier die Öffentlichkeit manipuliert und getäuscht wird. Die Temperaturerhöhungen werden nicht durch den CO₂-Treibhauseffekt, sondern durch die Abnahme der Wärmeleitung verursacht. Besonders starke Effekte erhält man, wenn CO₂ als „Gas-See“ unter einer Luftschicht eingeleitet wird. Werden aber, wie in der Atmosphäre, Luft und CO₂ gleichmäßig vermischt, bleibt die Erwärmung aus und unter besonderen Umständen kann sogar eine leichte Abkühlung auftreten.

Einleitung

Folgt man den etablierten Massenmedien ist der angeblich vom Menschen verursachte Klimawandel wissenschaftlich eindeutig bewiesen und benötigt keine weitere Forschung. Zunächst ein Widerspruch in sich, denn die Naturwissenschaft liefert keine absolute Wahrheiten, in Stein gemeißelte Gesetze, sondern nur Annahmen und Hypothesen. Selbst wenn sich eine These in der Praxis bewährt und allgemeine Anerkennung gefunden hat, ist eine kritische Überprüfung kein Sakrileg sondern unverzichtbare Pflicht eines jeden Wissenschaftlers. Denkverbote und Maulkörbe sind Methoden und typische Merkmale einer Diktatur, die die Wissenschaft zu einem unwürdigen Knecht der Mächtigen degradiert. Wie glaubwürdig ist eine Gesellschaft, die bunt sein möchte aber Meinungsvielfalt unterdrückt (hier).
Es ist sehr beunruhigend, dass sich beim Thema Klimawandel hauptsächlich nur ehemalige Institutsdirektoren, pensionierte Professoren und Forscher zu Wort melden und den Weltuntergangsszenarien widersprechen. Wenn nur Menschen Widerstand leisten, die sich keine Sorgen bezüglich ihrer Karriere, Reputation oder ihres Einkommens machen müssen. Wenn in Deutschland die ältere Generation von einem öffentlich rechtlichen Sender („Meine Oma ist `ne alte Umweltsau“) verspottet wird.

Für einen Außenstehenden ist es schwer bis unmöglich die Vorhersagen von Dürre, Hitze, Überschwemmungen und Artensterben zu überprüfen. Es sein denn, man stöbert in ur-alten Zeitungen und findet düstere Prophezeiungen in schöner Regelmäßigkeit wie z.B. die „ungewöhnliche“ Arktis-Erwärmung im Jahre 1924 und 1934 (hier, hier). Vielleicht sind es die Lebenserfahrungen der Älteren, dass sie dem Sensations-Journalismus nicht auf dem Leim gehen und eher gelassen reagieren.

Die Untergangsprognosen spaltet die Gesellschaft in Menschen, die alles glauben was die Medien produzieren und Menschen, die sich lieber selber eine eigene Meinung bilden. Meine experimentellen Untersuchungen richten sich an die letztere Gruppe. Auch wenn sich das komplexe Geschehen von Wetter und Klima im Labor nicht nachbilden lässt, einzelne Aspekte und Aussagen lassen sich durchaus überprüfen. Im folgenden Artikel geht es um spektakuläre Labor-Experimente prominenter Klima-Alarmisten, die kritisch hinterfragt werden sollen. Am Ende wird sich herausstellen warum ihre Experimente scheitern mussten und ihre Warnungen vor dem angeblich gefährlichen CO₂ unbegründet sind.

1. Das Hoimar von Ditfurth Experiment

Man findet im Internet eine Reihe von einfachen Versuchen, die den CO₂-Treibhauseffekt mit der Lufttemperatur verknüpfen. Danach soll sich CO₂ wie eine Glasscheibe verhalten, die kurzwelliges Licht durchlässt, aber langwellige Wärmestrahlung absorbiert. Eine deutliche Erwärmung nach Zugabe von CO₂ wurde als Beweis eines Treibhauseffektes erachtet. Die bekanntesten Versuche stammen von Al Gore (hier), Volker Quaschning (hier), und Hoimar von Ditfurth (hier). Sie haben einen sehr ähnlichen Versuchsaufbau und lassen sich wie folgt charakterisieren:

1. Eine Glühlampe bestrahlt von außen ein Gefäß (Simulation der Sonnenstrahlung).
2. Das Gefäß wird wahlweise mit normaler oder CO₂-haltiger Luft gefüllt (Erd-Atmosphäre).
3. Eine Bodenfläche oder ein kugelförmiger Körper simuliert die Erdoberfläche.

Das wohl spektakulärste Experiment wurde 1978 von dem Autor und Fernsehmoderator Dr. Hoimar von Ditfurth† durchgeführt. Diese Vorführung verdient einige Superlative: Neben spektakulär ist es das größte und gefährlichste Experiment, mit dem stärksten Temperatur-Anstieg und den meisten physikalischen Rätseln.

Auf einer Bühne waren zwei große Zylinder mit den ungefähren Maßen 2 x 3 m aus durchsichtiger Plastikfolie aufgebaut. In jedem dieser Zylinder befand sich eine Testperson, die ein Thermometer beobachtete, aber nur in einem Zylinder wurde CO2 aus mehreren großen CO₂-Flaschen sehr rasch von unten eingeleitet.
Der eigentliche Kern des Versuches waren zwei Bühnenscheinwerfer, die aus kürzester Entfernung, von oben in die offenen Zylinder hineinstrahlten und sie dadurch erwärmten.
Am Ende wurde festgestellt, dass der CO₂-gefüllte Zylinder 11,3 °C wärmer war als der Vergleichszylinder.
Das YouTube-Video, das noch immer im Internet zugänglich ist, vermittelt eine Botschaft, die wegen ihrer Einfachheit auch von der breiten Öffentlichkeit leicht zu verstehen ist: „Seht her, CO₂ kann unsere Erde um 11 °C oder vielleicht noch höher erwärmen, wenn ihr nicht sofort handelt.“ Aber stimmt diese Prophezeiung?

Die Experimente der prominenten Klima-Alarmisten sind reine Demonstrationen. Es fehlen detaillierte Beschreibungen, Angabe der CO₂-Konzentrationen und Kontroll-Experimente. Zur Auswertung kommt lediglich eine Vorher-Nachher-Betrachtung. Diese Versäumnisse sollen durch eine gründliche Überprüfung nachgeholt werden.

2. Die Versuchsapparatur

Die Versuchsapparatur und erste Ergebnisse wurden bereits auf der alternativen 13. Klima-Konferenz (IKEK) in München November 2019 vorgestellt (hier).
In der Zwischenzeit wurde die Apparatur durch Einbau eines 7. Sensors „Tp. Boden“, der die Temperatur der Dom-Wand misst, erweitert. Dadurch lassen sich Luft- und Boden-Temperaturen miteinander vergleichen.

Die wichtigste Neuerung ist eine PE-Folie in Form von Blende 2 oberhalb der konischen Erweiterung der Röhre. PE hat den Vorteil, dass die Folie Wärmestrahlung durchlässt, aber den Versuchsraum gasdicht verschließt. Dadurch lassen sich vergleichende Experimente mit offener (Blende 1) und geschlossener Apparatur (Blende 2) durchführen.

2.1 Überprüfung des Ditfurth-Experimentes

Wie beim Ditfurth-Experiment wird die mit Luft gefüllte, offene Apparatur (Abb. 2, linkes Bild) mit einer 100 W Rotlicht-Reflektor-Lampe bestrahlt. Durch die Bestrahlung ist die Versuchs-Apparatur bis zu 10 °C wärmer als die Raum-Luft. Dabei entsteht eine ungewöhnliche Luftschichtung, mit warmer Luft unten und kälterer Luft oben (Abb. 3). Die Erklärung ist das Lambertsche Kosinusgesetz. Der Boden, obwohl am weitesten von der Lampe entfernt, erhält wegen seiner parallelen Ausrichtung zur Strahlungsquelle die größte Strahlungsdichte von der Rotlicht-Lampe. Alle anderen Flächen werden nur schräg angestrahlt und dadurch weniger erwärmt. Die Wärme breitet sich hauptsächlich durch Wärmeleitung aus, wie an der 4 °C Differenz zwischen Boden und Dom-Luft zu sehen ist (Abb. 3, Boden vs. Dom).
Nach einiger Zeit werden 23 L CO₂ innerhalb von 15 Minuten von unten in die Apparatur eingeleitet. Die Temperaturen in der Apparatur reagieren sofort auf das CO₂, allerdings sehr unterschiedlich. Während sich Boden und Dom-Luft sofort erwärmen, zeigen die anderen Sensoren zunächst eine Abkühlung, um nach einer gewissen Verzögerung ebenfalls einen Anstieg zu vermelden (Abb. 3).

Nach einer Beobachtungszeit von 180 Minuten (Ruhephase) werden die Gase durch das „Einleitungsrohr“ im Boden wieder abgepumpt. Das Abpumpen war als Kontrolle gedacht, um nachzuweisen dass die Temperatur-Anstiege tatsächlich durch CO₂ verursacht werden.
Eine Bestimmung der abgepumpten CO₂-Menge ergab, dass nur noch wenig CO₂ von den ursprünglichen 23 Litern vorhanden war. Das meiste CO₂ war während des Versuches aus der oben offenen Apparatur unbemerkt in den Laborraum entwichen (diffundiert). Der stetige Temperatur-Anstieg der Top-Position (gelbe Linie) zeigt diese Diffusion.

2.2 Das Argon-Kontroll-Experiment

Auf den ersten Blick sieht das vorherige CO₂-Experiment wie eine Bestätigung der Ditfurth-Hypothese aus. Aber Zweifel ist die Mutter aller Wissenschaften und so muss auch dieses Ergebnis überprüft werden. Als alternatives Kontroll-Gas bietet sich Argon an. Argon ist wie CO₂ ein schweres Gas aber kein Treibhausgas und sollte beim Einleiten in die Röhre keine Temperatur-Änderung verursachen. Der Kontroll-Versuch ist jedoch eine faustdicke Überraschung: Das IR-inaktive Argon verursacht exakt die gleichen Temperatur-Anstiege wie das Treibhausgas CO₂ (Abb. 4).

2.3 Schlussfolgerungen

Das Edelgas Argon ist ein IR-inaktives Gas, das weder Wärmestrahlung absorbieren noch emittieren kann. Wenn CO₂ und Argon den gleichen Erwärmungs-Effekt zeigen, muss man die Ursache außerhalb der Wärmestrahlung suchen. Schwere Gase haben eine kleinere spezifische Wärmeleitfähigkeit λ als Luft (die Tabelle in Abb. 4). Werden diese Gase in die Röhre eingeleitet, verringern sie den Wärmestrom innerhalb der Apparatur. Die schweren Gase wirken wie eine Isolierschicht. Somit lässt sich feststellen:

Das Ditfurth-Experiment zeigt nicht den Treibhauseffekt, sondern ist ein Phänomen schwerer Gase.

Diese erste Erkenntnis bestätigt die Skepsis von Helmut Krebs und Anthony Watts, die an den Ditfurth- und Al Gore-Experimenten, als Beweis des CO₂-Treibhauseffektes, gezweifelt hatten (hier, S. 91,98).

3. Experimente in der geschlossenen Apparatur

3.1 Überprüfung des Ditfurth-Experimentes in der geschlossenen Apparatur

Da bei der ersten Untersuchung CO₂ entweichen konnte, wurde der Versuch von Kap. 2 mit einer geschlossenen Apparatur wiederholt. Hierzu wurde Blende 2 mit Silicon-Gummi oberhalb der konischen Erweiterung eingeklebt. Blende 2 ist mit einer durchsichtigen PE-Folie (Schichtdicke: 11 µm) bespannt, die Wärmestrahlung durchlässt, aber den Austritt von CO₂ verhindert (Abb. 1, das Bild in der Mitte). Überraschenderweise gingen bei diesem Versuch die Temperaturen bereits nach zwei Stunden wieder auf die Ausgangswerte zurück, obwohl gar nicht abgepumpt wurde (Abb. 5).

Das abweichende Verhalten lässt sich durch einen unterschiedlichen Verlauf der CO₂-Diffusion bei einer offenen und geschlossenen Apparatur erklären. Beim CO₂-Einleiten durch das untere Einleitungsrohr bildet sich im Dom ein CO₂-„See“, vergleichbar mit einer Flüssigkeit, die in eine Schüssel gefüllt wird. (Für diese Art der Gasfüllung wurde die „Abdeckplatte“ im Dom installiert!) Das CO₂ arbeitet sich danach langsam durch Diffusion nach oben aus. Dabei nähert sich das CO₂ der Rotlichtlampe und wird hier stärker erwärmt als in den unteren Schichten, was den Aufstieg beschleunigt. Bei der offenen Apparatur führt das zu einem Entweichen von CO₂, bei der geschlossenen aber zu einer Vermischung, Homogenisierung mit der Innenluft.

Der Homogenisierungs-Prozess verändert das Verhältnis von CO₂-Wärmeleitung und CO₂-Wärmestrahlung.
Die Wärmeleitung einer CO₂-haltigen Schicht hängt von ihrer Zusammensetzung und der CO₂-Konzentration ab (hier). Den größten Isoliereffekt hat das reine CO₂ beim Einleiten in den Dom, wodurch die oberen Schichten weniger Wärme von dem wärmeren Boden bekommen. Beim Vermischen mit Luft verringert sich der Isoliereffekt mit abnehmender CO₂-Konzentration. Das erklärt die entgegengesetzten Temperatur-Änderungen zwischen Boden- und Top-Position in den ersten Minuten kurz nach CO₂-Einleitung.
Im Gegensatz dazu ist das Strahlungsvermögen von CO₂ nicht von seiner Konzentration, sondern von der Anzahl der CO₂-Moleküle abhängig. Der Homogenisierungs-Prozess verringert die CO₂-Konzentration aber nicht die Anzahl der CO₂-Moleküle.
Dieser Zusammenhang führt zu der Erkenntnis, dass der anfänglich starke Temperatur-Anstieg von 1 – 2 °C hauptsächlich durch ein Konzentrationsgefälle verursacht wird. Eine homogene CO₂-Luft-Mischung führt dagegen nur zu einer geringen Erwärmung von 0,1 – 0,2 °C (Abb. 5).

3.2 CO₂-Experiment mit beschleunigter Homogenisierung

Die These der internen Vermischung von CO₂ und Luft ließ sich experimentell bestätigen. Nach Einleitung von CO₂ wurde für 30 Minuten mit einer Aquarium-Pumpe das im Dom befindliche CO₂ abgesaugt und in das obere Rohr wieder eingeleitet. Durch dieses Umpumpen wurde die Homogenisierung beschleunigt und die Temperaturen sanken deutlich schneller als beim vorherigen Versuch (Abb. 6 und Tab. 1).

3.3 Homogenisierungs-Versuche mit schweren Gasen

Weitere Homogenisierungs-Versuche mit unterschiedlichen Mengen CO₂, Freon 134a und Argon ergaben immer die gleichen geringen Temperatur-Anstiege von 0,1 – 0,3 °C (Tab. 1). Auch ein CO₂-Kontrollversuch mit einem farblosen 100 W Strahler (Abb. 2, rechtes Bild) führte zu keinem anderen Ergebnis.

3.4 Homogenisierungs-Experimente in Argon

In einer letzten Versuchsreihe wurde vor Zugabe von Treibhausgasen die Luft in der Apparatur (die Raumluft) durch Argon ausgetauscht. Durch diese Maßnahme sollte der Einfluss der Wärmeleitung verringert werden. Tatsächlich verursachten jetzt CO₂ bzw. Freon 134a keine messbare Erwärmung der Luft in der Dom-Position, während es am Boden sogar zu einer Abkühlung kam (Tab. 2).

4. Fazit und Ursachensuche

Die Behauptungen von Al Gore, Ditfurth und Quaschning, den CO₂-Treibhauseffekt durch eine Luft-Erwärmung nachgewiesen zu haben, sind falsch. Beseitigt man Sondereffekte, die durch die geringe spezifische Wärmeleitung schwerer Gase und durch einen Konzentrationsgradienten entstehen, bleibt von der postulierten Erwärmung nichts mehr übrig.

Aber warum funktionieren solche Experimente mit einer Bestrahlung von außen nicht? Um das zu verstehen, muss man sich die Bestrahlungs-Lampen, als Quelle der Energiezufuhr, genauer ansehen. Die Glaskolben der farblosen und der Rotlicht-Lampe erreichen Temperaturen von 115 °C bzw. 125 °C und produzieren dadurch, neben ihrem sichtbaren Licht, eine erhebliche Wärmestrahlung. Entscheidend ist nun, dass diese Wärmestrahlung den gleichen Wellenlängen-Bereich λ = 3 – 30 µm umfasst, der auch von Treibhausgasen benutzt wird.

Um die Bedeutung der Wärmestrahlung zu verstehen, müssen wir zunächst abschweifen und die Frage beantworten, was die Erde mit der Wärme macht, die sie von der Sonne bekommt.
Die Erde hat eine ganze Reihe von unterschiedlichen Möglichkeiten, Wärme horizontal und vertikal zu transportieren, was von der Meteorologie erforscht und vereinfacht als Wetter bezeichnet wird. Der größte Teil dieser Wärme landet in der Atmosphäre und nur ein sehr kleiner Teil (40 W/m²) wird direkt von der Erdoberfläche an das Weltall in Form von Wärmestrahlung abgegeben. Tatsächlich ist es die Atmosphäre (in rund 5 bis 10 km Höhe) und nicht die Erdoberfläche, die die Wärme der Sonne wieder entfernt, und zwar ausschließlich durch Wärmestrahlung (Ausstrahlung) von rund 200 W/m² in Richtung Weltall, wenn man Kevin E. Trenberth Energieschema zugrunde legt (hier).
Stickstoff, Sauerstoff und Argon, die Hauptbestandteile der Atmosphäre, sind IR-inaktiv, d.h. sie können zwar Wärme speichern und transportieren, aber keine Wärmestrahlung aussenden. Diese Funktion und Fähigkeit besitzen nur Wolken, Aerosole und Treibhausgase. Ohne diese kleinen Partikel und die IR-aktiven Spurengase würde sich die obere Atmosphäre langfristig erwärmen, und nur in Bodennähe gebe es noch einen gewissen Wärmeaustausch durch Wärmeleitung. Dann gäbe es nur noch in Bodennähe einen gewissen Temperatur-Gradienten durch den Tag- und Nacht-Wechsel und zwischen dem Äquator und den Erdpolen.
Die Atmosphäre ist eine gewaltige Wärmekraftmaschine, die einen Teil ihrer Wärme in Arbeit umwandelt. Diese Arbeit ist der Antriebsmotor der planetarischen Zirkulation mit ihren Luftströmungen (Passatwinde, Polarwinde, Jetstreams) und den verschiedenen Strömungs-Zellen (Hadley, Ferrel, Walker) und der Hebeprozesse (Konvektion). Wie bei allen Wärmekraftmaschinen ist der Wirkungsgrad dieser Energie-Umwandlung von der Temperatur-Differenz zwischen den warmen und kalten Schichten der Atmosphäre abhängig. Bei einer nahezu isothermen Atmosphäre wäre das aber nicht mehr gegeben. Die Treibhausgase, die bisher nur als Hinderung der terrestrischen IR-Ausstrahlung gesehen werden (Treibhauseffekt) spielen hier eine unverzichtbare positive Rolle, da sie durch ihre IR-Strahlung die obere Atmosphäre abkühlen und so für den erforderlichen Temperatur-Unterschied sorgen.

Die IR-Strahlung der Treibhausgase hat allerdings keine Vorzugsrichtung, was zu zwei entgegengesetzten Effekten führt. Einerseits wird durch die Strahlung in Richtung Weltall (Ausstrahlung) die obere Atmosphäre abgekühlt und andererseits durch Strahlung in Richtung Erde (Gegenstrahlung) die Erdoberfläche erwärmt.
Ob und inwieweit zusätzliches CO₂ zur Erwärmung der Troposphäre beiträgt, ist umstritten. Das IPCC hatte im zweiten Bericht „SAR“ unter Leitung von Ben Santer diese These als Ursache einer globalen, vom Menschen verursachten Erwärmung aufgestellt und als Beweis echte Messungen zwischen 1963 bis 1968 angeführt. Sehr peinlich, denn kurz darauf konnten Michaels und Knappenberger nachweisen, dass die troposphärischen „Hot Spot“ verschwinden, wenn der Gesamtzeitraum, der damals verfügbaren Daten von 1958 bis 1995 betrachtet wird. Die Autoren warfen dem IPCC Rosinenpicken und Datenmanipulation vor (hier).

Welche Rolle das CO₂ für die Erderwärmung spielt ist ebenfalls heftig umstritten. Nach den Modell-Rechnungen könnte bei einer Verdopplung der CO₂-Konzentration (CO₂-Klimasensitivität) eine Erwärmung in einer Spanne zwischen 0,6 °C bis 4,5 °C auftreten (hier, hier, hier).
Diese beträchtliche Unstimmigkeit entsteht durch eine unterschiedliche Bewertung der Wolken-Wirkung und durch strittige Rückkopplungen. Wäre CO₂ das einzige Treibhausgas der Atmosphäre, wäre die CO₂-Klimasensitivität rund 1 °C (hier). Ein Wert, der weitgehend akzeptiert wird und keine ernsthaften Auswirkungen hätte. Der Streit zwischen „Alarmisten“ und „Skeptiker“ ist also nicht die Wirkung von reinem CO₂ sondern die komplexen Wechselwirkungen und Überlagerungen der verschiedenen IR-aktiven Stoffe der Atmosphäre und vor allem die sogenannte CO₂-Wasserdampf-Rückkopplung, die unterschiedlich bewertet werden. Dabei würde eine positive Rückkopplung die CO₂-Klimasensitivität verstärken aber eine negative Rückkopplung die Wirkung von CO₂ verringern.
Der Streit entbrannte an einer seltsam anmutende Theorie der Alarmisten, dass eine Erwärmung der Erdoberfläche (⅔ Wasser!) um 0,065 °C den Wolkenbedeckungsgrad um 1 % reduziert (hier)!
Wie bitte, wärmeres Wasser = mehr Verdunstung = weniger Wolken? Die Alarmisten sind sich hier sicher, denn die Daten wurden aus dem ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project) Beobachtungen der globalen Erwärmung gewonnen. Danach sind im Zeitraum von 1986 bis 2017 die Meeres-Oberflächen-Temperaturen (SST) von 19,1 °C auf 19,4 °C gestiegen und der Wolkenbedeckungsgrad von 72 % auf 67 % gesunken.

Hier zeigt sich das gleiche Dilemma wie beim Ditfurth-Experiment, Daten-Erfassung und Daten-Interpretation sind zwei völlig verschiedene Schuhe. So kann es nicht verwundern, dass kürzlich eine ganz andere Interpretation auftaucht, die sogar von einem negativen Feedback ausgeht, wenn man kürzere Zeiträume in den ISCCP-Daten zugrunde legt. M. Jonas hatte herausgefunden, dass der Wolkenbedeckungsgrad und SST-Erhöhung eine positive Korrelation zeigen, wenn man den Wolkenbedeckungsgrad 1 – 6 Monaten nach der gemessenen Wasser-Temperatur betrachtet (hier).
Sollte sich diese Einschätzung bewahrheiten, wäre der CO₂-Treibhauseffekt als Klima-Killer erledigt und könnte wie ein Kartenhaus in sich zusammenfallen. Allen Regierungen, Geschäftsführern und Aktivisten sollte das eine Warnung sein. Ihre Rechtfertigung für die „Große Transformation“ und dem damit verbundenen Konsumverzicht hängt an einem seidenen Faden, der jederzeit reißen kann.

Doch nun zurück zu den Laborversuchen, hier überlagert die Wärmestrahlung der Lampen die CO₂-Strahlung. Die Bestrahlung der Apparatur durch die externe Lampe hat die gleiche Richtung wie die CO₂-Gegenstrahlung. Nach dem Planck’schen Gesetz erzeugt die Rotlicht-Lampe im Spektralbereich 14 – 16 µm (annähernd CO₂-Bande bei 15 µm) bei einer Temperatur von 125 °C, eine Strahlungsdichte von rund 100 W/m². Wieviel davon tatsächlich den Boden der Apparatur erreicht ist unklar, denn durch die kugelförmige Ausbreitung der Lampen-Strahlung verringert sich die Strahlungsdichte bevor sie in die Apparatur eintritt.

Das CO₂ in der Gasphase absorbiert die IR-Strahlung der Lampe und sendet dafür eine eigene Strahlung aus, die bei der Luft-Temperatur von 23 °C im Wellenlängenbereich 14 – 16 µm maximal 43 W/m² betragen kann. Wenn die absorbierte Lampen-Strahlung größer ist als die emittierte CO₂-Strahlung, verringert sich die Bestrahlung des Bodens und er kühlt sich ab (Tab. 2). Dieser Vorgang ist vergleichbar mit einem IR-Spektrometer, bei dem die Schwächung eines IR-Strahls durch CO₂ gemessen wird.

Aber warum gibt es keine Luft-Erwärmung, wenn das CO₂ doch einen gewissen Teil der Lampen-Strahlung absorbiert hat? Die Antwort ist die Art und Weise wie CO₂ IR-Strahlung emittiert. Betrachtet man die Strahlungsachse Lampe –Boden, dann haben wir zwei Flächen, Richtung Lampe und Richtung Boden, über die CO₂ die absorbierte Energie wieder abgeben kann. Solange die absorbierte Energie der Lampen-Strahlung nicht die CO₂-Ausstrahlung auf zwei Flächen übersteigt gibt es auch keine Luft-Erwärmung.

Ob eine Luft-Erwärmung auftritt oder nicht hängt also von der Intensität der Lampen-Strahlung und der Temperatur der CO₂-Schicht ab, dem Verhältnis von Absorption und Emission. Das lässt sich sogar zeigen, wenn man sich die einzelnen Messpositionen von Boden bis Top ansieht.
Die IR-Strahlung der Lampe trifft zunächst auf das CO₂ in der Top-Position, wodurch hier die Absorption ein Maximum hat und in Richtung Boden langsam zurückgeht. Im gleichen Maße verändert sich das Absorptions-Emissions-Verhältnis wodurch sich ein Temperatur-Gradient ausbildet und die oberen Messfühler (R1 bis Top) eine leichte Erwärmung aber der unterste (Boden) eine leichte Abkühlung registrieren (Tab. 1).

Fourier hat als erster formuliert, dass CO₂ als Absorber zur Erwärmung der Atmosphäre beiträgt und damit eine fundamentale Verwirrung ausgelöst, die bis heute andauert. Offensichtlich wurden Al Gore & Co. von dieser Aussage verführt, den Treibhauseffekt durch Messung der Lufttemperaturen ermitteln zu wollen. Dabei wird übersehen, dass das atmosphärische CO₂ nicht nur Absorber sondern auch IR-Strahler ist, also sowohl Abkühlung als auch Erwärmung verursachen kann.
Um den Beitrag von CO2 zur tatsächlichen Erwärmung der Atmosphäre wirklich zu verstehen, muss man eine Integration der Schwarzschild-Gleichung ds = – I_λ + B_λ (T) mit vielen tausend Linien und Koeffizienten über die gesamte Troposphäre/Stratosphäre durchführen. Dabei bezeichnet der erste Term auf der rechten Seite die Verringerung der Strahlungsintensität (Luft-Erwärmung durch Absorption der Boden-Strahlung und der Strahlung der oberen Schicht), während der zweite Term den Anstieg der Strahlungsintensität (Luft-Abkühlung) darstellt, der sich aus der IR-Emission innerhalb der Schicht ergibt (hier).
H. Harde hat diese Berechnungen in drei Klimazonen (Tropen, mittlere und hohen Breiten), für 228 Unterschichten und bis zu einer Höhe von 86 km unter Berücksichtigung der Wasserdampf –Überlagerung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass sich CO₂ viel stärker auf die Boden- als auf die Lufttemperatur auswirkt. Auch verursacht zusätzliches CO₂ nur eine Luft-Erwärmung bis zu einer gewissen Höhe in der Atmosphäre (hier).

Die Lufttemperatur ist also nur ein schwacher Indikator des Treibhauseffektes und wird obendrein noch von der externen Bestrahlung, wie oben angegeben, überlagert. Alle Versuche, den Treibhauseffekt anhand der Lufttemperatur nachzuweisen sind also von vornherein fragwürdig oder zum Scheitern verurteilt.

Entscheidend für den CO₂-Treibhauseffekt ist nicht die Lufttemperatur, sondern die IR-Strahlung, die von einer konkreten CO₂-Menge bei einer bestimmten Temperatur ausgeht. Das ist eine gewisse Herausforderung, da es auf der Erde keinen Versuchs-Raum für das CO₂ gibt, der nicht auch IR-Strahlung aussendet und damit die Messung erschwert, wenn nicht sogar unmöglich macht. Die Lösung ist eine Strahlungsmessung von warmem CO₂ vor einem kalten Hintergrund. Man registriert dabei nicht die absolute CO₂-Strahlung, sondern nur die Zunahme der gemeinsamen Strahlung.
Dieses Konzept hat den Vorteil, dass der erdnahe Treibhauseffekt, die Überlagerung von Wolken- und CO₂-Strahlung, in einem Labor-Experiment realitätsnah simuliert wird. Die Zunahme der IR-Strahlung lässt sich mit einem Strahlungssensor (Wärmebildkamera) oder durch die Temperatur-Änderungen einer zusätzlichen schwarzen Fläche, die die Erdoberfläche simuliert, ermitteln.

Wird im letzteren Fall die Temperatur der schwarzen Fläche konstant gehalten und dafür ihre elektrische Heizung variiert, lässt sich die Strahlung der IR-aktiven Gase quantifizieren. Mit dieser Methode wurden die molaren Emissionsgrade ε_m verschiedener IR-aktiver Gase, als eine Kennziffer ihrer Strahlungsfähigkeit, ermittelt. Dabei erwies sich CO₂ mit ε_m=0,043 als ein deutlich schwächerer IR-Strahler als Lachgas (ε_m=0,055). Nur Methan war mit ε_m=0,029 ein noch schwächerer IR-Strahler (hier). Demnach ist es unverständlich, dass das IPCC dem Methan ein angeblich 28-mal größeres Treibhauspotential als CO₂ unterstellt.

Entgegen Fouriers Annahme war der Gasraum unauffällig und zeigte keinen signifikanten Temperaturanstieg. Möglicherweise war bei diesen Experimenten der Versuchsraum nicht ausreichend isoliert, um die schwachen Erwärmungs-Effekte der Luft, die nach den Modell-Rechnungen erwartet werden, auch tatsächlich messen zu können.

Einen direkten Nachweis der CO₂-Strahlung gelang Christoph und Matthias Marvan, die mit einer Wärmebildkamera warmes CO₂ vor einem kalten Hintergrund untersucht hatten (hier).

So wurde durch zwei unterschiedliche Messmethoden experimentell bestätigt, dass CO₂ bei den üblichen Temperaturen der erdnahen Atmosphäre, eine messbare und quantifizierbare IR-Strahlung aussenden kann. Eine elektromagnetische Anregung durch eine externe Strahlungsquelle ist hierzu nicht notwendig. Aus den Versuchen kann geschlussfolgert werden, dass die CO₂-Moleküle durch Zusammenstoß mit anderen Molekülen in einen angeregten Schwingungs- bzw. Rotationszustand übergehen und durch Abgabe eines Photons wieder in den ursprünglichen Grundzustand zurückfallen. Die erforderliche Energie für die CO₂-IR-Strahlung stammt demnach aus der inneren Energie der Luftschicht, in der sich die CO₂-Moleküle befinden. CO₂ agiert in diesem Zyklus wie ein Katalysator bei chemischen Prozessen, wodurch seine Wirkung erheblich vergrößert wird. Dadurch können auch geringe Mengen CO₂ die Wärmeströme der Atmosphäre beeinflussen.

Mit beiden Untersuchungsmethoden wurde nachgewiesen, dass zumindest der erdnahe CO₂-Treibhauseffekt physikalisch möglich ist. Aber es wurde auch gezeigt, dass die IR-Strahlung der Wolken den Treibhauseffekt von CO₂ erheblich verringert. Die Experimente bestätigen die Position der „Skeptiker“, die in Wasserdampf und Wolken eine Verringerung der CO₂-Klimasensitivität sehen und den „Alarmisten“ eine maßlose Übertreibung einer angeblichen CO₂-Gefahr vorwerfen.

Die englische Version gibt es hier als PDF:

Experimental review of the CO2 greenhouse effect