CO2 – Freund oder Feind?

Fazit

Primär dreht sich alles in der Klimadiskussion um die Temperaturerhöhung am Boden, bzw. um die Wärme des Bodens und die Wärme der bodennahen Luft, die bei Einstrahlung (Sonne) aufsteigt und sich dabei abkühlt. 
Die Frage ist: Wie kommt Wärme in die Luft und vor allem, wie kommt sie in die rund 98 % der Moleküle, die nicht strahlen?

1. Da haben wir die Verdunstung aus den Ozeanen, die riesige Mengen warmer Wasserdampfmoleküle in die Luft entlässt, die sich mit dem Rest vermischen, und ihre Energie kinetisch an 98 % der Luftmoleküle verteilt.
2. Dann gibt es den Abriss des adhäsiven Luftfilms (ca. ab 22 °C), der rein konduktiv erwärmt wurde und die Grundlage von Thermik und Konvektion vor allem im Sommer ist. Hierbei wird warme bis heiße Luft mit kalten Luftschichten verwirbelt, die sich so als Ganzes erwärmt und aufsteigt. Beispielsweise im Sommer erkennbar als heiße Luftschlieren (auch als Hitzeflimmern bekannt), in der Wüste als Fata Morgana oder auch als flimmernde Luftschicht über heißem Asphalt. Die dadurch entstehenden schlechten Sichtverhältnisse sind manchmal sogar in der Lage, Hindernisse auf einer Straße unsichtbar zu machen.

Beide Effekte werden heutzutage (in der Klimaforschung und deren Modellen, die dann die Schreckensnachrichten produzieren) völlig unterschätzt. 
Der erste deshalb, weil die Tropen Einstrahlung-Überschussgebiete sind (also ca. 60 % der Erdoberfläche).  Diese überschüssige Wärmeenergie wird von tropischen Ozeanen und Regenwäldern fortlaufend abgegeben. Ein bekanntes Beispiel ist etwa der Golfstrom, der – zusammen mit seinen Verlängerungen in Richtung Westeuropa bis hinauf zur Barentssee – Norwegens Fjorde wärmt. (Siehe hierzu auch die vom ZAMG beschriebene Atmosphärische und Ozeanische Zirkulation.)
Der zweite Effekt sorgt während der heißen Sommermonate für Extremtemperaturen der Luft und erzeugt eine sehr starke Thermik, die bis hinauf in die Stratosphäre steigen kann. 
Dann gibt es rund 2 % (20’000 ppm) Infrarot-absorbierende Moleküle; der Großteil davon ist Wasserdampf. Sie absorbieren in bestimmten Wellenlängen das abstrahlende Infrarot und werden so wärmer. In dünnerer Luft wird die IR wieder emittiert (abgestrahlt) und die Moleküle dadurch wieder abgekühlt. 
Der Nettoeffekt auf die Luftschichten = Null. 
Erst wenn ein heißes IR-absorbierendes Molekül seine kinetische Energie an Sauerstoff und Stickstoff abgibt, kann sich theoretisch Luft erwärmen. Aber durch CO₂ nur minimal, weil 400 CO₂-Moleküle von fast 1 Million kälterer nicht IR-absorbierender Moleküle umgeben sind, wodurch die von den 400 CO₂-Molekülen absorbierte kinetische Wärme massiv verdünnt wird.

Hinzu kommen die Wolken-Effekte, in denen sich Wasserdampf konzentriert und so eine Wasserphase ausbildet, die direkt von der Sonne, insbesondere dem nahen Infrarot der Sonne, erwärmt wird. So strahlen sie ihrerseits mittleres IR ins All ab. Diese in den Wolken umgesetzte Sonneneinstrahlung fehlt unten am Boden. Dort kühlt es ab, was jeder, der unter einer Wolke steht oder liegt, augenblicklich registriert. 
Im Grunde ist alles einfach und wiederum viel komplexer als die einzig auf CO₂ gestützte Theorie. Die Wärmemenge von knapp 120 zusätzlich angeregten CO₂-Molekülen ist vergleichbar mit dem Furz eines Moskitos, der im statistischen Rauschen untergeht. Wasserdampf und Wolken haben eine weitaus größere Wirkung auf die Temperatur. Diese Wirkung kann trotz moderner Supercomputer nur mit Faustregeln parametrisiert werden, wie der Klimaforscher Bjorn Stevens (Max-Planck-Institut, Hamburg) im Frühling 2019 in einem Interview etwas frustriert erklärte.

Es kommt auch nicht darauf an, ob es 280 oder 400 CO₂-Moleküle gibt, die Infrarot absorbieren, es kommt darauf an, wie viel der absorbierten Wärme am Tag von diesen CO₂-Molekülen in kinetische Wärme in der Luft umgesetzt wird. Diese Menge ist begrenzt, denn die Nettoabstrahlungsrate des IR hat auch eine Zeitkomponente. Sie ist zeitlich auf die Nacht oder die Wintermonate mit negativer Einstrahlung limitiert. 
Mit anderen Worten: Mehr CO₂ in der Atmosphäre speichert tagsüber zwar ganz wenig mehr an Wärme, aber das Mehr an CO₂ strahlt nachts und in den Wintermonaten entsprechend mehr Wärme ins All ab. Netto bleibt ein Gleichgewicht erhalten.

Wasser kühlt aufgrund seiner hohen Wärmespeicherkapazität nur langsam ab und braucht riesige Mengen an Sonnenenergie im Überschuss, um sich netto auf 30 Grad zu erwärmen. Luft kühlt ebenfalls langsam ab, weil die kinetische Wärme von 1 Million Moleküle nur aus 2 % IR-absorbierender und IR-abstrahlender Moleküle (wie Wasserdampfmoleküle und CO₂-Moleküle) abstrahlen kann. 
Ein heißer Körper kühlt schneller ab, wenn die Luft eisig ist, umgekehrt taut ein Eisblock schneller ab, je wärmer das umgebende Medium ist. Gut zu sehen in der Arktis. Je wärmer das Wasser ist, welches das Packeis umspült, umso schneller schmilzt die dünne Packeisschicht. 
Warme Luft hat in der Arktis kaum einen Einfluss, denn über Eis bildet sich eine isolierende Kälteluftschicht, welche die warme Ozeanluft fernhält (außer bei stürmischem, orkanartigem Wetter). Wärmeres Wasser hingegen lässt das Eis im Direktkontakt schmelzen, auch weil Wasser in das Kristallgitter aus Eis eindringen kann, so wie es auch Regen auf Eis tut. 
Warme Niederschläge sind also weit effektiver als warme Luft. Auch Sonneneinstrahlung lässt Eis im Sommer schmelzen, da die Wärmeleitung (Konduktion) im Eis recht groß ist und der Wasserfilm vom nahen IR direkt erwärmt wird. 
Von der Sonne im Überschuss erwärmte tropische Ozeane und von der Sonne aufgeheizte Wolken isolieren gegen die Eiseskälte im All und reduzieren so die Abstrahlungsrate pro Zeit. Nur aus gleichmäßig warmen, bodennahen Luftschichten strahlt netto IR ab, weil bei gleicher Temperatur von CO₂ (Kohlenstoffdioxid) und N2 (Stickstoff) und O₂ (Sauerstoff) nicht mehr thermalisiert wird. Denn es besteht ein thermisches Gleichgewicht und das bedeutet, dass in der Folge hauptsächlich nur IR ins Weltall gestrahlt wird. 
Rückstrahlungseffekte (die angeblich den großen Wärmeeffekt des CO₂ ausmachen sollen) gibt es nur dort, wo IR messbar aus einem Kubikmeter Luft in den nächst darüber liegenden transmittiert wird, oder eben auch zurückgestrahlt wird. Dazu bedarf es jedoch einer stabilen Temperaturschichtung, wie sie vor allem nachts auftritt. Tagsüber überwiegen die Turbulenzen durch abreißende heiße Luftblasen und konvektive Effekte, die heiße Luft in kältere Luftschichten tragen. 
Die Übertragungsrate (Transmissionsrate) von abgestrahltem IR geht aber bei moderaten Temperaturen ohne große Thermik sehr schnell gegen null, außer an den Absorptionsrändern von CO₂, die schlecht absorbieren und viel IR durchlassen. Das nicht absorbierte IR des rechten Rands wird allerdings vom Wasserdampf absorbiert. Ein Teil des abstrahlenden IR am Rand des atmosphärischen Fensters wird von zusätzlichem CO₂ teilweise absorbiert. Aber der Effekt tritt erst nach mehreren Kilometern Luftsäule auf, wirkt also nur in großen Höhen, wo kaum noch thermalisiert wird und verpufft so durch Rückstrahlung des IR ins All. 
Am Boden ist der minimale Effekt des Rands nicht Temperatur-wirksam. Abstrahlungsverluste entstehen kontinuierlich durch das atmosphärische Fenster, wie jeder nachts bei klarem Himmel ohne Wolken beobachten kann. Dann kann die Bodentemperatur sogar unter die der bodennahen Luftschicht fallen (siehe Bodenfrost). 
Die Strahlenphysik sagt uns nur, dass CO₂ IR absorbieren und remittieren kann, und wie viel die Erde ohne Atmosphäre bei einer gewissen Temperatur an infrarot abstrahlt. Sie sagt uns nicht, wie viel Sonnenlicht als Wärme in Ozeanen gebunkert wurde, und sie sagt uns nicht, wie viel Wärme die Atmosphäre als kinetische Energie und als warme Wasserphase in Wolken speichert. Beides wirkt zeitverzögernd gegen Abstrahlungsverluste unter Bedingungen fehlender Einstrahlung in der Nacht oder negativer Einstrahlungsbilanz im Winter. Im Winter wirkt sich zurzeit bei positiver AMO (Atlantische Multidekaden-Oszillation; ein sehr kurzer Temperatur-relevanter Zyklus in einem Interglazial) besonders stark der atlantische Wärmespeicher aus, der mit Westwinden warme feuchte Luft auf kaltes Land schickt und die Luft wärmer macht als den teils gefrorenen Boden. Ähnliche Effekte hatten wir mit der heißen Sahara-Luft Ende Juni 2019 und der warmen südwestlichen Atlantikluft Ende Juli 2019. 

CO₂ – Freund oder Feind?

Für das Klima: Weder ein Freund noch ein Feind.
Für die Pflanzen: Nur Freund – verbessert Wachstum und Ertrag.
Für den Menschen: Nur Freund, da er auf Pflanzen angewiesen ist.

Quellen:

• Physik-bewanderte Menschen und wissenschaftlich orientierte Websites, die teils auf meiner Website verlinkt sind und zitiert wurden.
• Wikipedia (Stand: Anfang Dezember 2019)
• ZAMG, Wien