Von Frank Bosse
In der letzten Woche gab es einige Aufregung um einen Besuch des Ministerpräsiden-Kandidaten der CDU in Baden-Württemberg, Herrn Hagel in einer Gemeinschaftsschule.
Das ARD-Mittagsmagazin berichtete am 2. März 2028 davon. Fahrt nahm die Diskussion später in Medien auf, als er bei 1:27:45 von der Lehrerin der 7. Klasse gebeten wurde „mal kurz den Treibhauseffekt zu erklären“.
Ob das so spontan war, wie es im Bericht wirkte? Diese Erklärung ist nämlich nicht ohne Fallstricke, wie wir noch sehen werden. Der Politiker schafft das (nur?) im Bericht (geschnittenen?) innerhalb von 15 Sekunden (von 1:27:54 und 1:28:09) so, dass die Lehrerein im Anschluss „beeindruckt“ war und die Erklärung „wunderbar“ fand.
Dazu ist allerdings kein Grund, denn in den gezeigten 15 Sekunden kommt da nichts, was auch nur annährend den Kern trifft, versucht man den Treibhauseffekt wenigstens anschaulich zu vermitteln. Da ist von „dünner werdender Atmosphäreund dadurch mehr Sonne“ die Rede, nichts dergleichen trifft zu.
Die mediale Häme war groß. Wussten es die Kritiker besser? Das darf bezweifelt werden, denn dahinter steckt recht komplexe Physik, womit auch der Astrophysiker Lesch offensichtlich so seine Probleme hat beim Versuch einer populär verständlichen Erklärung.
Doch der Reihe nach.
Strahlung verändert sich in der Erdatmosphäre. Das Licht der Sonne besteht aus vielen Quanten, (wir nennen sie Photonen), die treffen auch auf Stickstoff (N2)- und Sauerstoff (O2)- Moleküle da und es gibt eine Wechselwirkung: Ein Lichtquant kann seine Energie an ein Elektron der Atomhülle der Moleküle „verleihen“, das wird dann auf eine energiereichere „Umlaufbahn“ um den Atomkern gehoben. Im gleichen Augenblick fällt es jedoch wieder zurück auf den ursprünglichen Orbit und gibt die Energie wieder ab: wiederum als Photon.
Das Ergebnis für das Gas-Molekül und das Photon ist netto null. Nichts verändert sich in den Summen, es gibt nur einen Unterschied: Vor der „Verleihe“ kam das Photon gerichtet daher von der Sonne, das Atom entlässt die geliehene Energie jedoch nicht mehr gerichtet: die Strahlung wird diffus.
Dieses „Verleihen“ funktioniert bei mehr ankommender Energie viel besser als bei weniger. Wieviel ein Photon „verleihen“ kann, hängt von seiner Frequenz ab: Es gilt: E= h*f wobei E die Energie ist, h das „Plancksche Wirkungquant“ und f die Frequenz. Sie wissen wahrscheinlich, dass blaues Licht eine höhere aufweist als rotes? Wenn ja haben Sie das „Rätsel“ des blauen wolkenlosen Tageshimmels gelöst: Er entsteht, wenn Sonnenlicht durch unsere Atmosphäre hindurch geht und die entsprechenden Moleküle zum aktiven blauen Leuchten anregt. Dieser blaue Anteil fehlt also, wenn wir die Sonne untergehen sehen nach langer Reise durch die Atmosphäre: sie erscheint dann rötlich.
Gegenprobe: da die Atmosphäre auf dem Mars solche Moleküle kaum aufweist, dürfte dort die Sonne in Horizontnähe sich nicht in dieser Art verfärben:
Links die Sonne von der Erde aus, wohlbekannt rötlich, rechts von einer Marssonde auch in Horizontnähe am Boden fotografiert.
Der blaue Tageshimmel (und damit auch rötliche Sonnenuntergänge) sind also ein Fakt, der sich nur mit der Veränderung von Sonnenstrahlung in der irdischen Atmosphäre erklären lässt.
Merke: Strahlung verändert sich. Wie geschieht das beim „Treibhauseffekt“? Ein buchstäbliches Treibhaus mit Verglasung gibt es ja in der Atmosphäre nicht. Es geht auch (daher der Name) um Wärmestrahlung, die hat eine deutlich geringere Frequenz als die Sonneneinstrahlung selbst und damit auch viel weniger Energie.
Der „Blaue Himmel-Effekt“ (oder auch „Rayligh Scatter“) kann es also selbst nicht sein.
Energie wird jedoch auch hier „verliehen“.
Die Erklärung dafür geht manchmal grandios schief, wie in dieser TV-„Lektion“ von Prof. Harald Lesch:
Bei Min. 3:17 beschreibt er das Kohlendioxid- Molekül, als „asymmetrisch“, was es nicht ist:
Bei Min. 3:31 erklärt er, dass „Infrarotstrahlung von diesen Molekülen in Form von mechanischen Schwingungen gespeichert würde“ und bei Min. 4:12 diagnostiziert er ein „Verschlucken“ von Wärmestrahlung“, bei Min. 6:35 schwadroniert er von der „Absorptionsfähigkeit“ von Atmosphäre. Dann müsste ja, so die Folge, ein solches Molekül und die ganze Atmosphäre immer wärmer werden, wenn da nur „Energie aufnehmen und speichern“ wäre? Das wird jedoch nicht beobachtet!
“Heizquelle” ist immer der der Boden, die Atmosphäre bleibt kälter. Ob solcher “Schein-Erklärungen“ ist es kein Wunder, dass gar mancher Zeitgenosse an diesem Effekt gänzlich zweifelt und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (hier unzutreffend) als “Kronzeugen” aufruft: Wärme kann immer nur vom wärmeren Körper zum kälteren hin gestrahlt werden.
Hier also der Versuch einer schlüssigeren Erklärung:
Lesch hat nicht ganz unrecht, das ist die gute Nachricht. Die (kurzwellige) Sonnenstrahlung trifft auf die Erdoberfläche und erwärmt sie. Diese Wärme wird zunächst gerichtet wieder in Richtung Weltall abgestrahlt. Auf dem Weg dahin trifft sie auch auf relativ komplexe und schwere Atome wie Wasserdampf und Kohlendioxid, genannt “Treibhausgase”. Die Bindungen zwischen den Atomen darin können auch Strahlung „leihen“, wie die Stickstoffmoleküle vom kurzwelligen Sonnenlicht,um den Himmel blau zu färben. Nur halt nicht auf der Ebene von Elektronen, sondern auf der von Molekülbindungen. Das funktioniert auf niedrigeren Frequenzen, weil die beteiligten Massen viel höher sind.
Sehr ähnlich zum „Rayligh Scatter“ wird diese Strahlung auch hier schnell wieder ausgesendet, oder re-emittiert. Für die beteiligte Infrarotstrahlung UND die beteiligten Moleküle ist es vom Betrag auch hier am Ende ein Nullsummenspiel, energetisch passiert unterm Strich nichts. Jedoch auch hier ist die „geliehene“ Strahlung danach nicht mehr gerichtet, sondern diffus. Sie kann also nicht mehr schnurstracks in Richtung Weltall entschwinden, sondern sie „vagabundiert“ in alle Richtungen und kann so in Teilen selbst auch die Erdoberfläche weiter zusätzlich erwärmen. Die Moleküle wirken für abgestrahlte Wärme wie eine „Isolation“, sie selbst verändern sich überhaupt nicht.
Auch hier die Gegenprobe: Wasserdampf und Kohlendioxid sind schon lange in der Erdatmosphäre. Dann müsste die Erde wärmer sein als ohne? Ist sie, man kann errechnen, dass sie um 18°C wärmer ist, als sie es sein dürfte ohne solche Moleküle.
Am Ende kann man mit nach Hause nehmen: Strahlung verändert sich, wenn sie durch die Erdatmosphäre hindurch geht. Es gibt verschiedene Mechanismen, die jede für sich auch prüfbar sind. Jeder, der den blauen Himmel an einem sonnigen Tag genießt, sollte auch einmal bedenken, dass ein ähnlicher Effekt unsere Erde überhaupt erst bewohnbar macht: sie wäre ohne ihn eine Eiswüste.
Allerdings kann man wohl die Zusammenhänge nicht ganz aus dem Stegreif in ca. 15 Sekunden wie im gezeigten „Mittagsmagazin“-Beitrag abspulen.
Rat an Politiker also, wenn sie so gebeten werden: Nein sagen!