1. Da der CO2-Gehalt etwa 1/100 des Wassergehalts ausmacht, sollte der überwiegende Teil der IR-Strahlung der Erde vom Wasser in der Atmosphäre absorbiert werden? Ausserdem beträgt die Wämekapazität von CO2 etwa 1/6 der Wärmekapazität von H2O. Daraus ergibt sich ein etwa 600fach höherer Wirkungsgrad von H2O als Wärmeträger in der Atmosphäre.
2. Homogene Gase können ihre thermische Energie nur an kältere Zonen abgeben (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Das funktioniert vorwiegend über Konduktion und Konvektion, aber nicht über Strahlung! Erst am Übergang zum Vakuum, wenn Konduktion und Konvektion nicht mehr möglich sind, können geringe Energiemengen über Strahlung abgegeben werden. Deshalb kann es keine thermische Rückstrahlung in Richtung Erde geben? Eine thermische Rückstrahlung durch Reflexion ist nur für H2O in seinen wechselnden Aggregatzuständen an Grenzfläche unterschiedlicher optischer Dichte bekannt.
3. Die Absorptionsspektren von CO2 und H2O sind sehr ähnlich. Bei etwa 4 Vol% H2O kann man aufgrund des Absorptionskeffizienten davon ausgehen, dass etwa 90% der IR-Strahlung der Erde absorbiert werden. Wieso soll dann der zusätzliche geringe CO2-Gehalt für die Gesamtabsorption noch relevant sein? Noch dazu wirken sich Änderungen der CO2-Konzentration nach dem Lambert-Beerschen Gesetz nicht linear, sondern logarithmisch auf die Absorption aus.
4. Aus diesen Zusammenhängen erkenne ich keinen relevanten thermischen Effekt für CO2 und für die anderen Spuren-Gase gegenüber dem H2O in der Atmosphäre, welche den Treibhauseffekt beeinflüssen könnten.
5. Die lineare Korrelation zwischen der CO2-Konzentration und der Erderwärmung kann allein schon wegen des Lamber-Beerschen Gesetzes nicht auf einen kausalen Zusammenhang zurückgeführt werden. Immerhin sind fast alle exothermen Prozesse auf der Erde mit dem Entstehen von CO2 gekoppelt und haben deshalb vielleicht auch einen Anteil am Klima, zumal diese Prozesse mit der Industriealisierung und dem Anstrieg der Erdbevölkerung erheblich zunehmen.

Vielen Dank für die Zusendung dieser interessanten Fragestellung. Wir freuen uns, dass Sie sich kritische Gedanken zum Thema Klimawandel machen.

Bitte haben Sie Verständnis dafür, dass Professor Schellnhuber Fragen wie die Ihre nicht persönlich beantworten kann. Er hat mich daher gebeten Ihnen Auskunft zu geben.

Deshalb möchte ich Ihnen im Folgenden hier die physikalischen Grundlagen erläutern, die hoffentlich Ihre Fragen ausreichend beantworten.

Wie Sie bereits in Ihrem Schreiben erwähnt haben, ist die Troposphäre homogen durchmischt und es gilt der erste Hauptsatz der Thermodynamik.
Der Treibhauseffekt resultiert aus der Absorption der Treibhausgase im Infrarot-Bereich. Bei dieser Infrarot-Strahlung handelt es sich um die langwellige Ausstrahlung der Erdoberfläche, die eine Folge der kurzwelligen Einstrahlung des Sonnenlichtes darstellt.

Während diese IR-Strahlung von der Erdoberfläche aus in immer höhere Luftschichten gelangt, wird jeweils ein kleiner Teil dieser Strahlung von anwesenden Treibhausgasen absorbiert. Das entsprechende Treibhausgas-Molekül, das diese Strahlung absorbiert hat, kann sie wieder in eine beliebige Richtung abgeben (also zum Teil zurück zur Erde, zum Teil in Richtung Weltraum) oder die Energie resultiert in einer höheren Geschwindigkeit des Moleküls, welches diese Energie über Kollisionen an seine Nachbarn abgibt und so zu einer Erwärmung der jeweiligen Luftschicht führt.

Je höher man in der Atmosphäre gelangt, desto dünner (d.h. desto weniger Moleküle sind pro Volumen vorhanden) und desto kälter wird sie. Irgendwann erreicht die IR-Strahlung, die von der Erde kommt, eine Höhe, in der die Luft so dünn ist, dass die Strahlung ins All entweichen kann ohne noch weiter von Treibhausgasen daran gehindert zu werden.

Enthält die Atmosphäre nun mehr Treibhausgase, so enthalten alle Luftschichten entsprechend mehr Treibhausgase und absorbieren deshalb mehr IR-Strahlung – auch die oberste dünne Luftschicht. Deshalb verschiebt sich die Luftschicht, die letztendlich die langwellige Strahlung wieder ins All entlässt, nach oben. Diese noch höheren Schichten sind kälter und strahlen deshalb nicht so viel Energie ab.

Somit strahlt die Erde in ihrer Gesamtheit weniger Energie ab, als sie erhält. Die hohen Luftschichten strahlen ihre überschüssige Energie zum Teil auch nach unten ab, so dass sich dadurch tiefer liegende Luftschichten erwärmen (bis hinunter zur Erdoberfläche). Um wieder ein Gleichgewicht herzustellen, müssen sich die oberen Luftschichten so lange erwärmen, bis sie so viel Energie ins All abstrahlen können, wie der Planet erhält.

Falls Sie weitere Fragen haben, können Sie sich natürlich gerne nochmal an mich wenden.

Mit freundlichen Grüßen

Dr. Simone Groß