Treibhauseffekt oder adiabatische Theorie der Erderwämung? (I)

Die Erde wird mal wärmer und mal kühler. Wesentliche Einflussgrößen sind aus geologischer Zeit bekannt und weitestgehend verstanden. Dazu gehören u. a. die Milankowicz Zyklen, die z.T. das Entstehen der Eiszeiten erklären. Die beobachtete Erwärmung der jüngsten Zeit, die man im geringen Anstieg der Temperaturanomalie (bezogen auf den Referenzzeitraum 1961-1990) um ca. 0,7 °C im vorigen Jahrhundert zu erkennen glaubt, wird von einigen Atmosphärenforschern auf die Eigenschaft mancher in der Atmosphäre in sehr geringen Mengen enthaltenen Gase (wie dem CO2) zur Speicherung und Emission solarer Strahlung zurückgeführt. Dieser Effekt – fälschlich umgangssprachlich als Treibhauseffekt bezeichnet- soll, verstärkt durch die anthropogene Emission von Kohlendioxid und weiter verstärkt durch postulierte Rückkopplungseffekte, die Erwärmung des vorigen Jahrhunderts maßgeblich bestimmt haben. Doch andere Forscher widersprechen dieser Theorie vehement. Einer Ihrer Vertreter ist der russsische Geophysiker Sorochtin. Er erklärt die Erwärmung überwiegend mit den thermodynamischen Eigenschaften der Atmosphäre. Lesen Sie seine Argumente.

EIKE möchte den Lesern die Arbeit eines russischen Forschers vorstellen bzw. zur Kenntnis und Diskussion stellen, der bei einer Erhöhung von Treibhauskonzentrationen in der Atmosphäre von einer globalen Abkühlung ausgeht. Warum auch immer fand diese Betrachtungsweise in der westlichen Fachwelt wenig Aufmerksamkeit, die sich weder ernsthaft kritisch oder ebenso ernsthaft befürwortend damit auseinandersetzte.

Oleg Sorochtin kann auf ein langes Forscherleben zurückblicken. Er war Teilnehmer an mehreren Arktis- und Antarktisexpeditionen und zahlreichen ozeanologischen Expeditionen. Als Geophysiker und Mitarbeiter bzw. späterer Direktor des Instituts für Ozeanologie an der sowjetischen / russi­schen Akademie der Wissenschaften beschäftigte er sich näher mit der Tektonik ozeanischer Plat­ten. In dieser Hinsicht ist er Autor vieler wissenschaftlicher Arbeiten, die die Evolution der Hydro­sphäre und Atmosphäre  innerhalb der Erdgeschichte u. a. im Zusammenhang mit Ausgasungspro­zessen aus dem Erdinneren sowie dem oberen Erdmantel abhandeln.

Als studierter Geophysiker verfügt Sorochtin von Hause aus über ein solides mathematisch-­physikalisches Wissen. Er ist Prof. Dr. d. math.-phys. Wiss. (nach russischer Nomenklatur akade­mischer Grade) und ordentliches Mitglied der Russischen Akademie der Naturwissenschaften.

Anhand der Lektüre des vorgestellten Artikels wird ersichtlich, welcher Denkrichtung Sorochtin an­gehört, die nicht untypisch für einen großen Teil von Geowissenschaftlern ist, in sofern, dass Än­derungen des Erdklimas hauptsächlich auf geogene und kosmische, weniger auf anthropogene Ur­sachen zurückgeführt werden.

Im hier vorgestellten Artikel erläutert Sorochtin die „adiabatische Theorie des Treibhauseffektes“, die im Einzelnen so neu nicht erscheint. Sorochtin meint hier, dass die mittlere Temperatur auf je­dem Niveau einer hinreichend dichten Troposphäre eines Planeten (mit Drücken über 200 mbar) eindeutig von der Intensität der Sonneneinstrahlung, dem Luftdruck auf bestimmten Höhenniveau, der Wärmekapazität der Troposphäre, der Feuchtigkeit der Luft und ihrer Fähigkeit Infrarotstrah­lung zu absorbieren bestimmt wird. Jedoch je intensiver die Absorption von Infrarotstrahlung durch die Troposphäre ist, um so geringer erweist sich die Temperatur auf der Planetenoberfläche. Diese auf den ersten Blick paradox erscheinende Schlussfolgerung erklärt Sorochtin damit,  dass dabei der Temperaturgradient in der Troposphäre kleiner wird und sich gleichzeitig die Intensität des Wärmeaustrags aus der Troposphäre in die Stratosphäre erhöht.  Diese Gesetzmäßigkeit, so So­rochtin, erlaube es, eine Reihe prognostischer Berechnungen durchzuführen. Auf diese Weise sin­ke beispielsweise bei einer virtuellen Auswechselung der Erdatmosphäre gegen eine reine CO2-At­mosphäre bei gleichem Druck von 1 atm die Temperatur in Bodennähe um fast 2 °C. Sorochtin folgert danach, dass eine Anreicherung der Erdatmosphäre mit Kohlendioxid, unabhängig von sei­ner Fähigkeit Infrarotstrahlung  absorbieren zu können, nicht zu einer Erhöhung, sondern aus­schließlich zu einer Minderung sowohl  des Treibhauseffektes als auch der mittleren Oberflächen­temperatur eines Planeten. Sorochtin glaubt, dies mit einer in sich schlüssigen Beweiskette (bei ei­ner ersten Betrachtung erscheint dies auch so) bewiesen zu haben.

In einer zweiten weitaus kürzeren Rubrik äußert sich Sorochtin über die Genese von Ozonlöchern. Hier sind für den Leser Ausführungen über die geogene Herkunft von Fluorkohlenwasserstoffen und anderen Gasen möglicherweise neu.

Der vorliegende Artikel wurde dem russischsprachigen Internet entnommen (http://fiz.1september.ru/articlef.php?ID=200501111) und enthält die Kernaussage unten genannter Publikationen. In so weit stellt die vorliegende Abhandlung eine Ergänzung bzw. Modifikation u. g. Artikel dar.

Weitere Quellen (russ. z. T. eng.) aus dem Internet:

http://www.scgis.ru/russian/cp1251/dgggms/1-98/par_eff.htm#p2

(Sorochtin, O.G.; Uschakow, S.A.: Die Natur des Treibhauseffektes…)

Die Kernaussage wurde in der Arbeit

Sorokhtin O.G., Ushakov S.A. Adiabatic theory of greenhouse effect of atmosphere. Bulletin MGU, ser. 5, Geographic, 1996, ?5, p. 27-37.

formuliert.

Die Veröffentlichungen

Sorokhtin O.G. Greenhouse effect atmospheres in a geological history of the Earth. – Dokl. AN USSR, 1990, v. 315, ? 3, p. 587-592.

Sorokhtin O.G., Ushakov S.A. Global evolution of the Earth.-M.: Isdat. MGU, 1991. – 446 pp.

sind Vorläufer der o. g. Arbeit von 1996. Sie sind allesamt im Verlag der Staatlichen Moskauer Uni­versität in russischer Sprache als Mitteilung o. ä. erschienen. Sehr wahrscheinlich liegen sie, wie leider sehr oft der Fall, nur zum Teil in englischer Übersetzung vor.

Spätere Publikationen in englischsprachigen Zeitschriften lediglich unter der Mitautorschaft von Sorochtin beispielsweise von 2008 (Chilingar et. al) haben höchstens nur randlich mit den fast ausschließlich die adiabatische Theorie abhandelnden Artikel zu tun.

Dr. B. Hartmann für EIKE

Den vollständigen Artikel finden Sie als pdf im Anhang

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10 Kommentare

  1. In der Hartmann’schen Übersetzung der Abhandlung von Sorochtin fand ich auf Seite 4 die Formel T = C * p^?(4). Ich konnte weder im Bergmann-Schäfer noch bei der weiteren Suche im Internet diese Formel, geschweige dessen Herleitung finden. Eine ähnliche Formel für die Abhängigkeit von T und p lautete: T * p^? = const. Diese Tatsache hat mich doch sehr verunsichert. Deshalb möchte ich diese Tatsache zur Diskussion stellen.. Für Ihre Bemühungen im voraus meinen Dank.

    Mit freundlichem Gruss

    Dr. Hubert Haar

  2. Als Übersetzer des Sorochtin-Artikels möchte ich mich hier zum Schluss noch einmal zu Wort melden.
    Als Übersetzer und auch als Geologe hatte ich selbstverständlich hinsichtlich des physikalisch-thermodynamischen Teils des Artikels mit meinem einfach gestrickten physikalischen persönlichen Horizont nicht den Anspruch, den Inhalt kritisch beurteilen zu wollen. Auf eine derartige Beurteilung durch die Diskutanden war ich deshalb auch gespannt. Ecken, Kanten, Haken, „Böcke“ usw. im Artikel wurden hier für mich glaubhaft dargelegt, unabhängig davon, dass mir Sorochtins Gedankengebäude nicht unlogisch erschien.
    Im Rahmen des Artikels sind es nur Nebensächlichkeiten, die ich glaube beurteilen und auch zumindest ein Gefühl dafür haben zu können.
    1. Ich gehe davon aus, das Sorochtins Aussagen als erfahrener Ozeanforscher über Meerestemperaturen nicht aus den Fingern gesogen sein können.
    2. Sorochtin verarbeitet in einer Grafik Ergebnisse von Satellitenmessungen der Lufttemperatur. Er gibt leider nicht an, von welchem Satelliten sie stammen (bestimmt ein „geheimer“ russischer). Offensichtlich wäre dies interessant zu wissen.
    3. Nicht nur deshalb, weil ich es für mich selbst unabhängig von Sorochtin wenigtens qualitativ so nachfolzogen habe – die Aussagen zum Ozon sind ernst zu nehmen.

    Eine generelle Frage bleibt für mich offen: Ganz offensichtlich ist Sorochtin ein erfahrener mathematisch-physikalisch bewanderter Geowissenschaftler, der im Resultat seiner langen wissenschaftlichen Tätigkeit über Tektonik, Ozeanologie, Paläoklimatologie usw. zu Fragen zum rezenten Erdklima vorstieß und deshalb, insgesamt gesehen, sicher auch ernst zu nehmen ist. Aber wie kann eine solche Persönlichkeit sich überhaupt nicht „warm anziehend“ angesichts einer seriösen wissenschaftlichen Laufbahn eine derartig angreifbare Theorie aufstellen und publizieren? Soll er von allen guten Geistern verlassen sein?

  3. Die Sorochtintheorie kann man sogar durch die schon öfters genannten Schul-Versuche widerlegen: Sorochtin sagt:…Auf diese Weise sin­kt beispielsweise bei einer virtuellen Auswechselung der Erdatmosphäre gegen eine reine CO2-At­mosphäre bei gleichem Druck von 1 atm die Temperatur in Bodennähe um fast 2 °C…
    Im Behälter bei 100%C02 hat der dunkle Erdboden eine höhere T als im Vergleichsbehälter mit Luft. Dafür ist es oben kälter im C02-Behälter im Vergleich zu Luft.
    Wir waren uns einig, dass dies kein TE-Beweis ist, sondern das Thermometer mißt lediglich das Resultat unterschiedlicher Gaseigenschaften. Trotzdem bleibt festzuhalten: Ein 100%C02 Planet wäre am Boden wärmer als der Vergleichsplant mit Luft, weil C02 langsamer zirkuliert und damit die Wärme langsamer vom Boden mitnimmt.

  4. Noch was zur Sorochtin’scher Pseudophysik.

    1. Der Autor erwähnt den Adiabatenexponenten gamma bzw. den abgeleiteten Exponenten alpha = (gamma-1)/gamma, der
    in der Adiabatengleichung Druck und Temperatur verknüpft: T/T0 = (p/p0)^alpha. gamma (und damit alpha) stehen
    wie dort erwähnt (siehe auch Physiklehrbücher) mit den Freiheitsgraden f des Gases in Zusammenhang: alpha = R/cp = 2/(2+f).

    Die Adiabatengleichung auf die Höhe z statt dem Druck p als Vertikalkoordinate ergibt eine exakte lineare
    Temperaturabhnahme mit der Höhe: dT/dz = N = 9.76 K/km = konst. Man kann nachrechnen, dass gilt N = g/cp,
    also nur von Schwerebeschleunigung und spezifischer Wärmekapazität bei konst. Druck abhängt, cp hängt wieder
    nur von den Freiheitsgrades der Gaskomponenten ab und hat bei der durch zweiatomige Moleküle Stickstoff
    und Sauerstoff dominierten Erdluft (wie jedes Gas aus zweiatomigen Molekülen mit f= 5) den Wert 1004 J/kgK. Für alpha ergibt
    sich = 2/7 = 0.2857.

    Da man empirisch gemittelt eine bis knapp unterhalb der Tropopause lineare Temperaturabnahme mit n = 6.5 K/km misst,
    wenden die Meteorologen gerne einen „Trick“ (im Phil Jones’schen Sinne ;-)) an. Man bekommt nämlich automatisch den
    dieser Annahme eine analoge Adiabatengleichung zwischen Druck und Temperatur wie im wirklichen physikalischen
    adiabatischen Formelzusammenhang, allerdings mit einem anderen Adiabatenexponenten gamma‘ bzw. alpha‘: alpha‘ = n/N*alpha = 0.190.
    Diese sog. Pseudoadiabate beschreibt den empirisch festzustellenden Zusammenhang zwischen Druck- und Temperaturabnahme
    mit der Höhe ziemlich gut, hat aber wie man sieht nichts mit Gasphysik zu tun, denn alpha‘ ist ein reiner
    Fitparameter, denn wenn man dies nach der Gleichung oben umrechnen würde, so gibt es keine physikalsiche Entsprechung
    zum Zusammenhang mit irgendwelchen Freiheitsgraden f.
    alpha‘ ist lediglich ein Fitparameter, der berücksichtigt, dass sich
    Kondensations- und Verdunstungsvorgänge (diese dabei notwendigen Wärmemengen werden auch durch eine modifizierte Wärmekapazität
    cp nicht erfasst) im Mittel so ablaufen, dass man diese Vorgänge numerisch in einer Adiabate fitten kann,
    daher „pseudoadiabatisch“.

    2. Der Autor suggeriert, dass der Faktor b = 1.186 1/atm eine „Naturkonstante des Treibhauseffektes“ sei. Wenn man
    Sorochtin Formeln ein bisschen „intelligenter“ zusammenfasst, so ergibt sich aus seinem paper der Zuammenhang:
    b = (T0/Tbb)^(1/alpha‘)/p0, wobei T0 und p0 (mittlere) Temperatur und Druck am Boden sind, und Tbb die „Strahlungstemperatur“
    aus Gl. (7) ist (Herr Hartmann, da muss die Stefan-Boltzmannsche Konstante sigma und nicht ein alpha stehen!) .
    Dieses b bemisst tatsächlich sowas wie den Treibhauseffekt, denn T0 steigt ja durch den Treibhauseffekt an, während
    Tbb nur von Abstand zur Sonne abhängt. Aber b ist keine Konstante, auch wnn der Autor dies durch den
    (zu oberflächlichen) Vergleich mit der Venus suggerieren will. Denn der Druck p0 am Boden hat nichts mit
    dem Treibhauseffekt zu tun, sondern alleine mit der Historie der Atmosphäre und damit wieviel Gas den Planten heute umgibt.
    Als „Beweis“ nimmt der die Venusatmosphäre. Mit einer Zusammensetzung von 96% CO2 und 4% N2 ergibt sich eine adiabatischer
    Temperaturgradient N von 10.5 K/km. Bis zu einer Höhe von 60 km fällt die Tempertur real von ca. 750 K mit 7.5 K/km ab.
    Für alpha ergibt sich (dominierendes CO2!) 0.25, bzw. alpha‘ = 7.5/10.5*0.25 = 0.179 Somit ist Sorochtin Fit mit 0.173
    nicht schlecht. Aber dies spricht nicht für eine universelle Naturkonszante b, sondern ist einfach daraus zu begründen,
    dass die Venusatmosphäre im Gegensatz zur Erdatmosphäre vor allem aus einem 3-atomigen Gas gebildet wird! Dass dieses
    3-atomige Gas nun ausgerechnet das Treibhausgas CO2 ist, tut nichts zur Sache.

    3. Dass b keine „Naturkonstante“ ist, sieht man auch am Mars, dort kommt b = 160.7 1/atm heraus,
    bei der Erde genaugenommen 1.173, bei der Venus 1.005 1/atm. Also so gleich sind die beiden
    Werte nun auch nicht, aber der Mars beweist, dass da kein Naturgesetz vorliegt.

  5. Lieber Herr Lüdecke,

    „Es sind aber leider noch mehr „Böcke“ in der Arbeit von Sorokhtin enthalten.“

    Ist mir auch aufgefallen, aber ich habe die Arbeit daraufhin nicht zuende gelesen.
    Hier eine Auslistung, der Fehler auf dem ersten Blick:
    – in einer Atmosphäre, die keine Phasenübergänge macht, wo also nur die thermische Erwärmung eine Rolle spielt, folgt aus der adiabatischen Schichtung, dass die Temperatur exakt linear nach oben abnimmt (bei konstanter Schwerebeschleunigung und Komposition). Bei der trockenen Erdatmosphäre (mit oder ohne Wasserdampf, aber ohne Gas-flüssig Übergang) beträgt der Temperaturgradient -9.75 K/km.
    – im Gegensatz dazu beträgt der empirisch ermittelte Gradient 6.5 K/km, mit „beliebigen“ Schwnakungen in der Realität
    – bis zur Tropopause kann man jedoch für so praktische Anwendungen wie Altimetereinstellungen annehmen, dass die Temperatur linear mit diesem empirischen Gradienten abnimmt.
    – Die real im Mittel geringere Abnahme gegenüber der trockenen Atmosphäre mit der Höhe liegt an den Kondensationsprozessen und der dadurch freigesetzten Wärme bei Aufstieg der Luft.
    – berücksichtigt man die Kondensationsprozesse, bekommt man aber einen nicht-konstanten Gradienten heraus
    – es ist aber physikalischer Unsinn, aus dem empirischen Gradienten zusätzliche spezifische Wärmekapazitäten wie Cw und cr abzuleiten, denn die 6.5K/km kommen nicht durch zusätzliche Erwärmungsprozesse zustande, sondern durch Kondensationswärme!
    – physiklaisch sinnlos ist Gleichung (11), wo cr definiert wird. Die Gleichung gilt es in der Physik nicht
    – ebenso sind alle folgenden Gleichungen Unsinn, die (11) benutzen.
    – interessant wären die Fälle einer trockenen Atmosphäre mit Treibhausgasen, dort würde sich herausstellen, dass die Theorie Unfug ist
    – wie gesagt, man kann die Energie Qa nicht zweimal zählen, denn die Energie, die per Treibhauseffekt durch Strahlung transportiert wird, wandelt sich ja 1:1 in Wärme der Luft um, und wird beim Wert Qa und der entsprechenden Temperatur via cp vollständig in trockener Luft (inkl. Treibhausgasen) berücksichtigt.

    die exkannm an der im Gegensatz zum theoretisch ableitbaren Temperaturgradienten in mittlere Temperaturgradient

  6. Lieber Herr Hartmann,

    tja und nun die Preisfrage – wo ist der Fehler? Da muss man sich schon mit Thermodynamik sehr gut auskennen, aber ein Tip: es hängt am cr!

    cr gibt es nicht in der Physik, die ich gelernt habe. Und zwar aus dem einfachen Grund, weil ein Luftmolekül keinen Extrawärmebeitrag aus dem Strahlungsfeld bekommt, denn auch diese ist im thermodynamischen Gleichgewicht bereits durch das cp abgedeckt.

  7. Frage dazu: Wie ist dann demzufolge die hohe Temperatur (bis 470°C) auf der Venus mit Ihrer 96% Co2 gesättigten Atmosphäre zu erklären ??
    Andere Rahmenbedingungen ? welche ?

  8. In diesem Zusammenhang sollte auch das Buch der Autoren: O.G. Sorokhtin, Leonid F. Khilyuk und George V. Chilingarian „Global Warming and Global Cooling: Evolution of Climate on Earth“ aufmerksam gemacht werden. Es ist als 5. Buch der Serie „Developemnts in Earth & Environmental Sciences“ im renommierten und leider auch teuren Elsevier Verlag erschienen.

    Hier der Link:

    http://www.amazon.fr/gp/reader/0444528156/ref=sib_dp_pt#reader-link

  9. Ja, Herr Brünomann, „Sorokhtin“ ist die englische Transkription und „Sorochtin“ die richtige deutsche, weil der Name in einer deutschen Übersetzung figuriert, deshalb hier diese Transkription. (dabei geht es um den kyrillischen Buchstaben „cha“ (sprich im Hals rauhes „ch“))

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