Humus for Future E-Book

Jan Robert Wibbing

• Herausgeber: epubli
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 196

Veröffentlichungsjahr: 2022

Beschreibung

Derzeitig geplante Maßnahmen gegen eine exzessive Erderwärmung im Zuge des globalen Klimawandel zielen zum Großteil lediglich auf die Reduzierung der Erwärmung, nicht auf eine aktive Kühlung des Planeten. Dabei liegt der Fokus insbesondere auf Verhinderung von CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Energieträger. Jedoch wird CO2 aus Prozessen der Bodendegradierung als wichtiger Anteil zumeist nicht berücksichtigt, ebenso nicht die Störung der regionalen und globalen Wasserkreisläufe mit ihren komplexen Einflüssen auf das Klima durch Veränderungen der Vegetationsbedeckung als Folge dessen. Durch eine ganzheitliche Betrachtung des Klimawandel können Lösungsansätze basierend auf einer humus-aufbauenden, regenerativen Landwirtschaft mit Agroforst-Systemen geschaffen werden, die Wasserkreisläufe und fruchtbare Böden wiederherstellen und so Klimaveränderungen zurücksetzen können – während anderen, drängenden Problemen der Menschheit im 21. Jahrhundert ebenso positiv beeinflusst werden.

Leseprobe

Dr.-Ing. Jan Robert Wibbing

Humus for Future

Dr.-Ing. Jan Robert Wibbing

Humus for Future

Wie eine humus-aufbauende Landwirtschaft das Klima

regulieren kann

Sachbuch

März 2022

Impressum

Texte:   © 2022 Copyright by Jan Robert Wibbing

Umschlag: © 2022 Copyright by Jan Robert Wibbing

Verantwortlich

für den Inhalt: Jan Robert Wibbing

Amboßstrasse 22a

33739 Bielefeld

www.humus-for-future.de

E-mail: [email protected]

1. Vorwort

Die Entwicklungsgeschichte der Menschheit basiert ganz grundlegend auf der Nutzung von Kohlenstoff zur Energiegewinnung. Diese Nutzung hat unbestritten zur „erfolgreichen“ Entwicklung bis zum heutigen Stand der Zivilisation beigetragen. Ohne das Zurückgreifen auf kohlenstoffbasierte Ressourcen wie Erdöl oder -gas hätte die Menschheit wohl einen anderen Weg eingeschlagen – einen Weg, der wohl nicht so komfortabel für so viele von uns zu gehen wäre. Und doch zerstört die Menschheit langfristig in seinem kohlenstoff-hungrigen, ausbeuterischen Feldzug das Klima, so dass zukünftige Generationen nicht mehr so leben können, wie wir es können. Hier sind sich viele Akteure, Wissenschaftler, Medien und Politiker stimmgewaltig und meinungsführend einig.

Doch ist die „Zerstörungs“-Leistung des Menschen noch viel schlimmer als bislang öffentlich-wirksam dargestellt und wurde bisher sträflich unterschlagen: Denn nicht die „trockenen“ Klimagase wie CO2 sind der Hauptgrund für den menschengemachten Anteil am Klimawandel, sondern die fortschreitende Umweltzerstörung mit drohendem Zusammenbruch der lokalen Wasserkreisläufe als essentielle Komponente der natürlichen Klimaregulation. Und so ist die reine Fokussierung auf CO2 als Klimagas eine extreme, eindimensionale, aber auch bequeme und geschäftstüchtige Verharmlosung der grundlegenden Problematik des Klimawandel sowie verknüpfter Thematiken. Gut für einige wenige, schlecht für die große Masse, schlecht für den Planeten, schlecht für das Klima. How dare you!

Ein Klima, welches nicht ausschließlich durch den Menschen beeinflusst wird, sondern durch eine Vielzahl von natürlichen und menschlich-beeinflusste Klimafaktoren. So wird die Sonnenaktivität als wohl wichtigster Klimafaktor (neben vielen anderen Klimafaktoren) mit direkter und indirekter Klimawirkung durch die CO2-Fokussierung weitestgehend außer Acht gelassen – ein grober Missstand.

Mit dieser eingeschränkten Sichtweise werden potentielle Lösungsansätze für den menschlich-bedingten Klimawandel entsprechend ignoriert, obwohl sie unmittelbar und kostengünstig bereitstehen: Eine neue Art der Landwirtschaft - die regenerative Landwirtschaft - kann zerstörte Böden wieder regenerieren, gestörte Wasserkreisläufe als Kühlelement der Umwelt wieder instand setzen, quantitativ und qualitativ Lebensmittel produzieren – und gewaltige Mengen CO2 wieder dort binden, wo es keinen Schaden anrichtet, sondern förderlich ist: Im Boden. Als Humus.

Denn am richtigen Ort, in der richtigen Form - im Boden als Humus - ist CO2 ist für die kohlenstoff-basierte Menschheit kein Gift, kein Übel, sondern ein großer Gewinn - je mehr, desto besser. Humus ist die Lösung, Humus for future – nicht nur für Klimawandel, sondern auch für andere, existenzielle Probleme der Menschheit des 21. Jahrhunderts.

2. Einleitung

Bodendegradierung

Bodendegradierung ist ein weltweites Problem, das die Menschheit vor immer größere Herausforderungen stellt. Bodendegradierung führt zum Verlust der Fähigkeit des Bodens, die Produktion von Nahrungsmitteln, Futtermitteln, Brennstoffen oder Fasern zu ermöglichen und gleichzeitig andere Ökosystemfunktionen wie Wassergewinnung oder die Speicherung von Nährstoffen und Kohlenstoff und dadurch schließlich Klimaregulation zu gewährleisten. Immer größere Flächen sind betroffen, immer öfter ist die Lebensgrundlage vieler Menschen bedroht, immer stärker sind die Auswirkungen auf den Klimawandel.

Zu den Prozessen der Bodendegradierung gehören Wind- und Wassererosion, Verlust der organischen Bodensubstanz, Verlust der Bodenbiologie, Nährstoffungleichgewichte, Verlust der biologischen Vielfalt, Versalzung der Böden sowie Kontamination, Versauerung, Verdichtung, Versiegelung, Verkrustung und Staunässe (Karlen & Rice, 2015). Derzeit gelten 24 % der weltweiten Landfläche als degradiert (FAO and ITPS, 2015) – oft durch menschliches Missmanagement bedingt.

In Sub-Sahara Afrika (SSA) ist das Fortschreiten der Bodendegradierung weiter Flächen weltweit wohl am sichtbarsten.

In SSA ist die Mehrheit der Menschen immer noch auf Brennholz oder daraus gewonnene Materialien wie Holzkohle für den Primärenergieverbrauch angewiesen. Dies führte zu einem starken Druck auf die natürlichen Waldgebiete und zu einer Entwaldung in weiten Teilen von SSA (Rudel, 2013), was zu einer Veränderung des Mikroklimas und erheblichen Treibhausgasemissionen führte (Pan et al., 2011). Neben der Gewinnung von Brennholz oder Material für die Holzkohleproduktion werden natürliche Waldflächen in SSA häufig für die Ausweitung der landwirtschaftlichen Flächen abgeholzt, um trotz geringer (und sinkender), landwirtschaftlicher Produktivität die eigene Nahrungsmittelversorgung zu sichern.

Die Umwandlung von Wald in Ackerflächen führt jedoch i.d.R. zu höheren Erosionsraten und einem Verlust der Bodenfruchtbarkeit (Bot & Benites, 2005). Wenn der unfruchtbare Boden nicht mehr zur (Eigen-)Versorgung reicht, müssen weitere Waldflächen abgeholzt werden. Graduell gehen potente Ökosysteme verloren, die ehemals wichtige Klimaregulatoren waren.

Wassermangel

Bodendegradierung verschlechtert den Wasserstatus des Bodens auf unterschiedliche Weise. Mit nur schwacher Gefügestabilität und nachteiliger Struktur des Bodens läuft er im Falle eines starken Niederschlags Gefahr zu verschlämmen. Lose Bodenpartikel werden abgespült und verstopfen die Bodenporen und -öffnungen, die eigentlich zur Infiltration und Speicherung des Wassers dienen. Anstatt im Boden gespeichert zu werden, läuft das Niederschlagswasser oberflächlich ab.

So ist das Wasser nicht nur nicht im Boden gespeichert und fehlt später als Treibstoff für Pflanzenwachstum und lokale Kühlung, sondern verursacht ebenso weitere Bodenerosion und Überschwemmungen.

Böden trocknen aus, Ernteerträge gehen zurück, die Grundwasserneubildung wird verringert, Brunnen fallen trocken, vielerorts herrscht eine ausgeprägte Wasserknappheit (McNally et al., 2019). Hydrologische Kreisläufe werden massiv gestört. Das lokale Mikroklima leidet (Kravčík et al., 2007).

Landwirtschaft

Kann die Intensivierung der Landwirtschaft mittels konventioneller Methoden die Probleme langfristig lösen? Wohl kaum, ist die kaonventionelle Landwirtschaft doch eher Ursache denn Lösung für Bodendegradierung und begünstigt dadurch indirekt Wasserknappheit und Klimawandel, auch wenn auf der einen Seite der Gleichung sicherlich erstmal mehr Ertrag steht. Dabei fußt die konventionelle Landwirtschaft vor allem auf energie-intensiven Prozessen und fossilen Ressourcen (z.B. Haber-Bosch Verfahren oder Phosphat-Dünger). Doch wie lange noch? Zu welchem Preis?

Bevölkerungswachstum

Derzeit leben in Afrika ungefähr 1,2 Milliarden Menschen, doch schon in 30 Jahren bis 2050 – also lediglich innerhalb einer Generation – wird sich die Bevölkerung laut Prognose der UN-Weltbank auf Grund hoher Geburtenraten (durchschnittliche Fertilitätsrate: 4,5 Kinder pro Frau im Jahr 2018 und 3,3 Kinder pro Frau in 2050), sinkender Kindersterblichkeit und zunehmender Lebenserwartung nahezu verdoppeln, auf dann ungefähr 2,3 Milliarden Menschen (Population Reference Bureau, 2018; UNICEF, 2014).

Vor allem in den sozial schwächsten Ländern und dort wiederum in den sozial schwächsten Schichten werden am meisten Kinder geboren, z.B. im Tschad (8,4 Kinder pro Frau), in Niger (7,2) oder in Somalia (6,4) (UNICEF, 2014). Dies sind vorrangig Menschen, die bereits jetzt zum Großteil als kleinbäuerliche Subsistenzlandwirte ihre Lebensgrundlage bestreiten und Umweltveränderungen wie Bodendegradierung, Wassermangel, Dürren oder Insektenplagen (z.B. Heuschrecken) im Grunde schutzlos ausgeliefert sind und sein werden. Diese Menschen stellen eine riesige, ressourcen-schwache, kontinentale Gesellschaftsgruppe von Hunderten Millionen dar, deren derzeitige Versorgungslage mit Nahrungsmitteln und Wasser bereits teilweise kritisch ist und zukünftig wohl immer kritischer wird (The World Bank, 2004).

Beispiel Äthiopien

Als eindrückliches Beispiel dieser prognostizierten Entwicklung kann Äthiopien dienen. Die äthiopische Bevölkerung wird sich laut Prognose von derzeit ungefähr 110 Millionen Menschen bis 2050 auf dann circa 190 Millionen vergrößern. Derzeit sind statistisch pro Einwohner des Landes circa 1.400 m² fruchtbares Ackerland vorhanden (Population Reference Bureau, 2018). Vergrößert sich die Bevölkerung entsprechend, so teilt sich die vorhandene Fläche an fruchtbarem Ackerland auf immer mehr Menschen auf, so dass statistisch nur noch weniger als 800 m² pro Einwohner bleiben - ein Feld von 20 x 40 m, das neben der Produktion von Nahrungsmitteln auch zum Anbau von Tierfutter dienen muss, sowie zur Kultivierung von Rohstoffen für Textilien und Brennmaterial. Und dass nur, wenn die verfügbare, fruchtbare Fläche trotz fortschreitender Bodendegradierung stabil gehalten werden kann.

Doch wie kann die wachsende Bevölkerung bei so geringer, fruchtbarer Fläche und die derzeitige und wohl auch zukünftig geringe Produktivität nachhaltige und mit landeseigenen Ressourcen ernährt werden? Noch dazu in hoher Qualität?

Mit den bestehenden Systemen wohl nicht. Ein Kollaps der Nahrungsmittelversorgung in Äthiopien droht in den nächsten Jahrzehnten - nicht nur dort, wohl in ganz Sub-Sahara Afrika, besonders in Regionen, die ein rapides Bevölkerungswachstum aufweisen. Was passiert dann? Wie kann Afrika darauf reagieren, wie die übrige Weltgemeinschaft?

Klimawandel als ein Problem von vielen

Die Menschheit steht also vor großen Problemen im 21. Jahrhundert. Bodendegradierung, Wassermangel, geringe landwirtschaftliche Produktivität, Verknappung von landwirtschaftlichen, fossilen Ressourcen, kritische Nahrungsmittelversorgung, Bevölkerungswachstum, und ja, natürlich auch Klimawandel, oft in gegenseitiger Beeinflussung. Vielfältige, drängende, globale Probleme - doch oft liegt der Fokus rein auf Klimawandel und hier besonders auf CO2 aus Emissionen der fossilen Energieträger.

Doch was ist mit den anderen Problemen, was ist mit anderen CO2-Emissionen z.B. aus Bodendegradierung, was mit anderen Klimagasen wie Wasserdampf, was mit anderen, natürlichen Klimafaktoren? Muss alles Klimawandel untergeordnet werden, ist das die Realität der vermeintlich am stärksten betroffenen Menschen? Können wir noch mehr machen als bloße Reduktion der CO2-Emissionen, können wir noch anders, vielleicht sogar sinnvoller, effizienter, kostengünstiger und synergistischer agieren, um unser Klima nicht nur weniger zu erwärmen, sondern die Erwärmung zu stoppen oder gar aktiv zu kühlen und gleichzeitig die anderen Probleme lösen?

3. Klimafaktoren

Einleitung

Klima ist eigentlich ganz einfach. Wenn mehr Energie durch Sonneneinstrahlung in das Energiesystem der Erde gelangt, als aus diesem System durch Abstrahlung abgegeben wird (die Energiebilanz ist positiv), dann erwärmt sich die Erde und ihre Atmosphäre. Wenn mehr ausgestrahlt als eingestrahlt wird (die Energiebilanz ist negativ), dann kühlt sich die Erde und ihre Atmosphäre ab. So einfach ist Klima - doch die beteiligten Klimafaktoren sind es nicht, erst recht nicht, wenn sie sich gegenseitig bedingen, überlagern, verstärken oder abschwächen (oder in der gesamtheitlichen Betrachtung wissentlich und unrichtigerweise vernachlässigt werden) – wiederum jeweils abhängig von zeitlichen, örtlichen und klimatischen Faktoren. Wo ist hier CO2? Wo sind hier die natürlichen, wo die beeinflussbaren Stellschrauben (Achtung: Plural!), die in den letzten Jahrzehnten zur Erwärmung geführt haben? Wo sind die Stellschrauben (Achtung: schon wieder plural!), die uns die Erwärmung aktiv begrenzen oder sogar kühlen lassen könnten (Achtung: Kühlung als Steigerung von Begrenzung der Erwärmung!)? Wo sind die natürlichen Faktoren, die ohne unser Zutun das Klima verändern? Was können wir eigentlich tun? Für erfolgreichen Klimaschutz müssen wir genau wissen, welche Faktoren wichtig sind, welche natürlichen Ursprungs, welche menschlich-bedingt und damit menschlich-beeinflussbar sind. Doch zunächst einige Grundlagen.

Energiebudget Erde: Einstrahlung

Die Sonne strahlt in jeder Sekunde eine gewaltige Energie von der Fusion von Wasserstoffkernen zu Helium in Form von elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge radial in alle Richtungen des Universums aus. Das ist zum einen das sichtbare Licht, zum anderen auch ultraviolette Strahlung und Infrarotstrahlung. Die Gesamtenergie, einmal freigesetzt, bleibt in ihrer Summe gleich, doch ihre Intensität pro Fläche verringert sich mit der zurückgelegten Entfernung, da eine immer größer werdende, sich ausdehnende, kugelförmige Oberfläche im Universum gleichmäßig bestrahlt wird (siehe Abb. 3, rote und blaue Kreise in Entfernung X und Y von der Sonne als Darstellung der unterschiedlich großen, bestrahlten Kugeloberflächen). In der Entfernung der Erde zur Sonne beträgt die Strahlungsenergie noch 1361 W/m², gemessen als Energieeinstrahlung am oberen Ende der Atmosphäre.

Wenn man die Erde von der Sonne aus betrachten würde, man sähe eine blaue Scheibe (siehe Abb. 3, rechter Kasten). Und diese Scheibe wird nun von der Sonne bestahlt. Dies ist die geometrische Oberfläche, die die ausgestrahlte Energie aufnimmt. Doch natürlich ist die Erde eine mehr oder weniger gleichmäßig geformte, leicht um die eigene Achse geneigte, rotierende Kugel, deren abgewandte Hälfte immer im Dunklen liegt, also kein direktes Sonnenlicht empfängt. Ebenso sind Polkappen und nördliche und südliche Regionen durch die Erdkrümmung weiter von der Sonne entfernt als die Äquatorregionen.

Das Sonnenlicht fällt hier abhängig von der Jahreszeit in einem kleineren Winkel ein (oder auch mal monatelang gar nicht). Um nun einen weltweit gültigen, nützlichen Durchschnittswert der Energieeinstrahlung zu erhalten, wird gerechnet.

Energiebudget Erde: Abstrahlung

Energiebudget Erde: Die Atmosphäre

Dabei verringert die Atmosphäre der Erde sowohl die Energiemenge, die bis zur Erdoberfläche gelangt, als auch die Energiemenge, die zurück in den Weltraum strahlt. Fluch und Segen? Natürlich ein Segen, denn neben unserer Atemluft und dem Schutz vor schädlicher UV-Strahlung ermöglicht die Atmosphäre durch ihren wärmenden Einfluss ein annehmliches Klima, mit Temperaturen das irdische Leben erst ermöglichen.

Zwar ist die Zusammensetzung der Atmosphäre weitestgehend konstant, doch nimmt die Dichte, damit auch der Druck und schließlich die Temperatur mit der Höhe ab.

Deutlich weniger Gasmoleküle schwirren pro Volumen umher, je größer die Höhe ist. Da die Temperatur deutlich absinkt, verringert sich auch die Wasserdampf-Konzentration mit der Höhe – im Gegensatz zu den anderen Gasen mit konstanter Konzentration. Wasserdampf kondensiert in der Kälte der höheren Luftschichten zu Regentropfen oder wird zu Eiskristallen. Je höher, desto kälter, desto weniger Wasserdampf – desto weniger Einfluss dieses Klimagases. Desto wichtiger andere Klimagase.

Die Stratosphäre oberhalb der Troposphäre mit der Grenzschicht der Tropopause erstreckt sich von 10 km (bzw. 15 km) bis ungefähr 50 km Höhe. Das in der Troposphäre wichtigste Klimagas Wasserdampf liegt in dieser Schicht der Atmosphäre kaum noch vor. Hier ist CO2 das bestimmende Klimagas, hier befindet sich die Ozonschicht.

Oberhalb der Stratosphäre – wieder getrennt durch eine Grenzschicht, der Stratopause – liegt die Mesosphäre von 50 bis 80 km Höhe. Darüber folgt noch die Thermosphäre, dazwischen die Trennschicht der Mesopause. Oberhalb von 80 km Höhe liegt die fließende Grenze zum Weltraum.

Klimagase: Aufnahme und Abgabe von Energie

Warum nun sind Klimagase mit ihrer im Verhältnis geringen Anzahl der Moleküle pro Volumen so wichtig? Was macht sie besonders?

Klimagase haben die Eigenschaft, die von der Erde abgestrahlte langwellige Strahlung auf Grund ihrer Molekülstruktur teilweise zu absorbieren. Durch die Absorption werden diese Moleküle - meist aus mindestens zwei unterschiedlichen Elementen und mehr als zwei Ionen zusammengesetzt, z.B. Wasserdampf H2O, Kohlenstoffdioxid CO2, Methan CH4 oder Distickstoffmonoxid N2O - in Schwingung versetzt, im Gegensatz zu Molekülen aus Ionen nur eines Elements (z.B. Stickstoff N2 oder Sauerstoff O2), welche diese Energie nicht absorbieren können und damit keine Klimagase sind. Diese Schwingungsenergie wiederum wird als Wärmestrahlung radial emittiert, also in alle Richtungen abgestrahlt. Nach „oben“, Richtung Weltraum, aber auch nach „unten“, zurück Richtung Erde, und seitwärts. Wenn die Energie nach „oben“ abgestrahlt wird, dann passiert sie weitere, immer dünner werdende Luftschichten, welche immer weniger Gasmoleküle pro Volumen beinhalten. Wieder und wieder wird die Wärmestrahlung durch Klimagase absorbiert und durch Schwingung wieder radial emittiert, „nach oben“, „nach unten“ und seitwärts. Mit steigender Höhe sind jedoch immer weniger Klimagas-Moleküle vorhanden, welche die „nach oben“ emittierte Strahlung absorbieren könnten. Immer mehr Wärmestrahlung kann nun an den nur noch sehr wenigen vorhandenen Klimagas-Molekülen vorbeistrahlen, wird nicht mehr absorbiert und findet seinen Weg schließlich in die Unendlichkeit des Weltraums. Sie verlässt das Energiesystem der Erde und trägt so zu dessen Kühlung bei.

Die Aufnahmefähigkeit von Wärmestrahlung der Klimagase ist abhängig von ihrer Zusammensetzung, aber auch von der Wellenlänge der Wärmestrahlung. Sogenannte Absorptionsbänder veranschaulichen die jeweilige Effizienz der Absorption.

Da ab ungefähr 5 µm Wellenlänge die Abstrahlung der Wärmestrahlung beginnt, ist dieser Bereich von besonderem Interesse. Ein Blick auf das Absorptionsband von Wasserdampf (blauer Graph in Abb. 5) zeigt, dass in diesem Bereich die Wärmestrahlung (abhängig von der Konzentration in der Atmosphäre) vollständig absorbiert wird. Sie kann also nicht ungestört in den Weltraum abgestrahlt werden, sondern wird in der Wasserdampf-reichen oder gar Wolken-bedeckten Troposphäre zurückgehalten. Erst wenn die Wasserdampfkonzentration der Atmosphäre deutlich verringert ist, wie z.B. in Wüstengebieten oder aber in größerer Höhe (z.B. „über den Wolken“, in der Stratosphäre) werden auch diese Wellenlängen effizienter abgestrahlt.

Strahlung mit Wellenlängen zwischen 8 und ungefähr 14 µm jedoch kann relativ ungehindert die Atmosphäre passieren, und ohne Absorption in den Weltraum abstrahlen. Diese „Lücke“ im Absorptionsband wird als „Absorptions-Fenster“ oder atmosphärisches Fenster bezeichnet und spielt eine wichtige Rolle für das Energiesystem der Erde. Eine oberer „Begrenzung“ dieses Bereichs stellt die Absorption durch CO2 um die zentrale Wellenlänge von ungefähr 15 µm dar.

Denn in diesem Bereich der Wellenlänge ist CO2 das dominierende Klimagas, auch wenn Wasserdampf einen gehörigen Anteil dieses Wellenlängen-Bereichs ebenso absorbiert (roter Graph in Abb. 5). Je mehr CO2 in der Atmosphäre, desto effizienter wird Wärmestrahlung dieser Wellenlängen absorbiert – jedoch insbesondere in größeren Höhen, dort wo Wasserdampf kaum noch eine Rolle spielt.

So ist CO2 in der Stratosphäre hauptverantwortlich für die Absorption der ankommenden Wärmestrahlung, weil durch die geringe Temperatur kaum noch Wasserdampf vorliegt. Aber auch nur wieder für die Wellenlängen, die durch CO2 absorbiert werden. Wie wirkt sich nun die weitere Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre aus, wo doch die maximale Absorptionseffizienz von CO2 in der entscheidenden, zentralen Wellenlänge weitestgehend bereits erreicht ist (siehe roter Graph Abb.5) (Schildknecht, 2020; Zhong & Haigh, 2013)?

Mit steigender CO2-Konzentration der Atmosphäre steigt auch die gesamte, CO2-bedingte Absorption der Wärmestrahlung in der Atmosphäre weiter an, allerdings schon lange nicht mehr linear. Denn die zentralen Absorptionsbänder von CO2 um die Wellenlänge 15 µm sind bei der derzeitig vorherrschenden CO2-Konzentration bereits gesättigt. Das heißt, dass bereits sämtliche Wärmestrahlung dieser spezifischen Wellenlänge durch atmosphärisches CO2 (oder anteilig auch Wasserdampf) absorbiert wird. Die weitere Erhöhung der CO2-Konzentration hätte für Wärmestrahlung dieses Wellenlängenbereichs zunächst einmal keinen Einfluss. Sehr wohl jedoch für geringfügig kleiner oder größere Wellenlängen als 15 µm – also für die ungesättigten „Ränder“ des zentralen Absorptionsband von CO2, denn durch eine steigende CO2-Konzentration „weitet“ sich das Absorptionsband, sodass nun auch geringfügig kleinere oder größere Wellenlängen besser bzw. sogar vollständig absorbiert werden. Hier wird ein „Mehr“ an Absorption generiert, auch wenn die effektive Wirkung pro Zuwachs an atmosphärischem CO2 drastisch sinkt (Zhong & Haigh, 2013). So wurde ermittelt, dass die Verdopplung der CO2-Konzentration unter fixen Rahmenbedingungen von 300 auf 600 ppm lediglich zu einer Erhöhung der CO2-bedingten Absorption der Wärmestrahlung von wenigen Prozent führen würde (Schildknecht, 2020).

Und doch ist ebenso zu beachten: Wenn nun, wie in den letzten Jahrzehnten durch unterschiedliche Prozesse geschehen, große Mengen CO2 in die Atmosphäre emittiert werden, mehr als durch natürliche Prozesse gebunden werden kann, dann erhöht sich die Konzentration von CO2 in dem Luftgemisch. Da sich CO2 anteilig nahezu gleichmäßig in der Atmosphäre verteilt, hat dies zur Folge, dass sich immer mehr strahlungs-absorbierendes CO2 auch in hohen Luftschichten akkumuliert, dort also immer mehr CO2 Moleküle vorhanden sind und einen größeren Anteil der Wärmestrahlung absorbieren – in immer höheren Luftschichten, auch wenn hier die Anzahl der gesamten Luftmoleküle pro Volumen viel geringer ist als nahe der Erdoberfläche.

Wenn nun immer mehr CO2 in der Atmosphäre vorliegt, dann verlagert sich die Grenze, an der grade noch sämtliche Wärmestrahlung durch Klimagase absorbiert und radial emittiert werden kann (andersherum: die Grenze, hinter der Wärmestrahlung nicht mehr oder nicht mehr vollständig absorbiert werden kann, sondern entweicht), in immer höhere Höhen, die immer kälter werden. Und das bereitet dem Energiesystem nun Schwierigkeiten, denn für die Effizienz der Abstrahlung ist nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz die Temperatur des abstrahlenden Körpers entscheidend, hier also die Temperatur des schwingenden Klimagas-Moleküls.

Daraus folgt: Je geringer die Temperatur der absorbierenden Klimagase, desto geringer deren Schwingungen, desto geringer der Wärmestrom, der in den Weltraum abgestrahlt wird. Das Kühlsystem der Erde wird ineffizienter, mehr Energie verbleibt im System.

Ersichtlich wird die Effizienz der Abstrahlung abhängig von der der Temperatur anhand von Wolken. Während niedrige Wolken (z.B. Stratocumulus oder Cumulus) einen kühlenden Gesamteffekt auf das Energiesystem haben, verstärken hohe Wolken (z.B. Cirrus) die Erderwärmung.

Niedrige Wolken absorbieren einerseits die Wärmestrahlung der Erde und emittieren einen Teil davon zurück zur Erde (Erwärmung), doch strahlen sie auch einen Teil Richtung Weltraum ab (Kühlung), und zwar mit einer höheren Temperatur als hohe Wolken. Der Wärmestrom ist hier wesentlich höher, weil die Wolken sich wesentlich tiefer in der Troposphäre befinden, also viel wärmer sind (siehe Abb. 6).

Hohe, also kältere Wolken absorbieren ebenso die Wärmestrahlung, emittieren einen Teil davon aber mit wesentlich geringerer Temperatur, also geringem Wärmestrom, Richtung Weltraum. Der Kühl-Effekt ist geringer, der Wärme-Effekt dominiert (siehe Abb. 7, NASA, 1999).

Doch Wolken sind noch aus anderem Grunde essenziell für das Energiesystem der Erde.

Reflektion in der Atmosphäre und der Erdoberfläche

Einmal im Energiesystem der Erde, durchläuft die Energie verschiedene Umwandlungsprozesse, bis sie schlussendlich wieder in den Weltraum gelangen kann. Viel einfacher wäre es doch im Sinne einer Kühlung des Klimas, wenn gar nicht erst so viel Energie in das System eintritt.

Hier ist die Reflektion der kurzwelligen Sonneneinstrahlung essenziell. Denn die Strahlung wird, bevor sie die Erdoberfläche erreicht, bereits durch die Albedo (das Rückstrahlungsvermögen) der Atmosphäre, insbesondere von Wolken, aber auch durch die Albedo der Erdoberfläche (insbesondere „hellen“ Oberflächen von Schnee, Gletscher, sandige, unbewachsene Böden, siehe Abb. 8), teilweise reflektiert. Langwellige Wärmestrahlung, die dann umständlich wieder entweichen muss, entsteht hier erst gar nicht.

Wie praktisch, CO2 kann sich in die Hängematte legen, viel weniger Arbeit mit der Absorption von Wärmestrahlung – sprich, mit höherer Albedo der Atmosphäre oder der Erdoberfläche würde die CO2-Konzentration der Erde für das Klimageschehen weniger relevant.

Energiebudget Erde: Die Bilanz

Die Bilanz von Einstrahlung und Ausstrahlung der Erde ist entscheidend für die die Veränderung des Klimas (heute „Klimawandel“, früher „globale Erwärmung“, bald vielleicht „globale Kühlung“?). Mehr Einstrahlung als Ausstrahlung bedeutet Erwärmung, mehr Ausstrahlung als Einstrahlung resultiert in Kühlung. Die durchschnittliche Einstrahlung von 340,25 W/m² wurde bereits besprochen, doch wie viel kommt davon wirklich im Energiesystem an? Wie wird die Ausstrahlung beeinflusst? Wo sind die Stellschrauben?

Schauen wir auf die Abbildung 9. Hier ist das Energiebudget der Erde dargestellt, gemittelt für alle Tages- und Nachtzeiten und alle Oberflächen der Erde. Von den (gerundeten) 340 W/m² Sonneneinstrahlung werden ungefähr 22 % (75 W/m²) an Wolken und Atmosphäre reflektiert, weitere 7 % (25 W/m²) an der Erdoberfläche. Also werden bereits 30 % (100 W/m²) der Sonnenstrahlung reflektiert und nicht absorbiert. Diese 30 % müssen anschließend nicht aufwendig abgestrahlt werden, ein deutlicher Vorteil für das Klima der Erde.

Der Großteil der Energie wird jedoch in der Erdoberfläche (48,5 %, 165 W/m²) und ein Teil auch in der Atmosphäre durch absorbierende Aerosole und Wassertröpfchen (22 %, 75 W/m²) absorbiert. Hier erfolgt die Umwandlung von kurzwelliger Strahlung in langwellige Wärmestrahlung.