Warum ist es auf dem Berg kalt?

[Skeptiker]

Das Kosmologische Prinzip, den ewigen indirekten Kreislauf, habe immer noch ich erkannt und kein Anderer.

Was soll das sein?

[bumbumpeng]

Das Kosmologische Prinzip, den ewigen indirekten Kreislauf, habe immer noch ich erkannt und kein Anderer.

Was soll das sein?

MacMongo, Frag nicht so saudämlich.

[Skeptiker]

Frag nicht so saudämlich.

Du kannst es also nicht erklären.

[hmpf]

...
Das ist ein Denkfehler, weil:
1. Die Temperaturdifferenz entsteht nicht ausschließlich durch Treibhausgase. Sie ist Folge des gesamten Energieflusses inkl. Solarstrahlung, Emission, Absorption und Konvektion.
2. Konvektion baut die Differenz nicht "weg", sondern stellt einen dynamischen Wärmetransportmechanismus dar, der den Strahlungstransfer ergänzt.
3. Ohne Konvektion könnte die Atmosphäre ihre Energie nicht effizient loswerden, also kühlt das System schlechter, nicht besser.

Gott, wie oft wollen Sie diesen Unfug noch wiederholen?
1. Energieflüsse (Konvektion) bauen Temperaturdifferenzen ab. Sie können Temperaturdifferenzen nicht erzeugen.
2. Jeder Wärmetransport baut Temperaturdifferenzen ab. Er lässt keine entstehen.
3. Konvektion kann Wärme weder erzeugen noch beseitigen. Das ist elementarste Thermodynamik.
Offensichtlich haben Sie sich noch nie mit Wärmemaschinen befasst!

[Frau Holle]

 
Angenommen:

- Die Atmosphäre besteht nur aus N₂ und O₂ (nicht IR-aktiv → strahlungsinaktiv)
- Nur die Oberfläche nimmt Strahlung auf (Sonnenlicht) und gibt Wärmestrahlung ab (kein IR-Austausch in der Luft!)
- Die Atmosphäre ist transparent für Strahlung – sie transportiert Energie nur mechanisch (Wärmeleitung und Konvektion)

Es gibt zwei verschiedene Energietranspotmechanismen:

a) Wärmeleitung (konduktiv):
Wärme fließt durch zufällige Molekularbewegung & Stöße, beschrieben durch Fouriersches Gesetz. In Luft ist die Wärmeleitfähigkeit sehr klein, also ist Wärmeleitung ineffizient über große Distanzen (z. B. von der Erdoberfläche in 10 km Höhe kaum spürbar)

b) Konvektion (adiabatisch):
Luftpakete steigen durch Auftrieb auf, ohne sofort Wärme mit der Umgebung auszutauschen → adiabatisch.
Dabei dehnen sie sich aus → kühlen ab.
Das folgt aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik (ohne Wärmeaustausch).
Daraus ergibt sich der sog. adiabatische Temperaturgradient, typisch −9.8K/km

Im Unterschied zum mikroskopischen Energietransport mit der geringen Wärmeleitfähigkeit erfolgt der Transport durch Konvektion makroskopisch durch größere Luftpakete, nicht bloß einzelne Moleküle.

Wie stellt sich die vertikale Temperaturverteilung ein?

Die Oberfläche wird durch Sonneneinstrahlung warm.
Die Luft direkt über dem Boden erwärmt sich durch Wärmeleitung – aber nur in den untersten ~1–2 Meter effektiv.
Warme Luft hat geringere Dichte → Auftrieb → Konvektion beginnt.
Luftpakete steigen auf und kühlen sich adiabatisch ab.
Solange die Atmosphäre mechanisch instabil ist (unten wärmer als oben), läuft Konvektion weiter.

Konvektion in der Luft.gif (23.77 KiB) 973-mal betrachtet

Was wäre, wenn es nur Wärmeleitung gäbe?

Wenn man annimmt, dass die Atmosphäre ruhig bleibt (keine Konvektion), dann würde sich über die Zeit ein linearer Temperaturverlauf durch Wärmeleitung einstellen.
Aber: Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Luft dauert das viele Wochen bis Monate.
In der Realität würde selbst minimaler Temperaturunterschied in Bodennähe sofort Konvektion anstoßen.

Rein leitende Atmosphäre ist unrealistisch für eine durch die Sonne beheizte Oberfläche!

Die Konvektion ist nicht unähnlich zu siedendem Wasser im Kochtopf. Gasblasen steigen auf und kühlen dabei ab. Den Phasenüberhang flüssig/gasförmig gibt es natürlich in der betrachteten Atmosphäre nicht (trockene Konvektion).

Wenn man z. B. eine Platte von unten erwärmt, beginnt das Gas darüber Konvektionsrollen zu bilden – genau wie in der Atmosphäre.

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Nachdem das nun schon x-mal erklärt werden musste habe ich leider wenig Hoffnung, dass es jetzt endlich verstanden wird von unserem pöbelnden "Physiker" hier.
 

[hmpf]

 
... Luftpakete steigen auf und kühlen sich adiabatisch ab. ...

Kindchen, Sie haben vergessen zu erklären, wie die Wärme aus den oberen Atmosphärenschichten „verschwindet“.
Ohne Treibhausgase gäbe es einen Wärmestau wie in der Kirche unter der Decke. Warme Luft steigt in der
Atmosphäre nämlich solange nach oben, bis ihre Dichte der Dichte ihrer Umgebung entspricht.
Beim Aufstieg kühlt die Luft zwar ab, aber sie hat letztlich Wärme von unten nach oben transportiert.
Mit jedem weiteren nach oben steigenden Luftpaket wird die Temperaturdifferenz zwischen oben und unten verkleinert.

Ebenso haben Sie interschlagen, dass es ja zum Massenausgleich auch gleichgroße absteigende Strömungen geben muss.
Diese werden dabei zwar erwärmt aber sie kühlen dennoch die unteren Atmosphärenschichten.
Beide Strömungen bauen letztlich jede Temperaturdifferenz in der Atmosphäre ab.

Erklären Sie mal einem Physiker, wie man durch Luftverwirbelungen eine Temperaturdifferenz erzeugen
und aufrechterhalten könnte.
Ohne Treibhaugase wäre die Atmosphäre – wie in der Kirche – oben wärmer als unten.

[Frau Holle]

 
... Luftpakete steigen auf und kühlen sich adiabatisch ab. ...

Sie haben vergessen zu erklären, wie die Wärme aus den oberen Atmosphärenschichten „verschwindet“.

Du hast vergessen mitzudenken: Die Wärme verschwindet nicht aus den oberen Atmosphärenschichten. Sie war gar nie dort. Es kommt oben immer kalte Luft an, unterwegs abgekühlt durch Ausdehnung, altbekannte Thermodynamik.
 

[hmpf]

 
... Luftpakete steigen auf und kühlen sich adiabatisch ab. ...

Sie haben vergessen zu erklären, wie die Wärme aus den oberen Atmosphärenschichten „verschwindet“.

Du hast vergessen mitzudenken: Die Wärme verschwindet nicht aus den oberen Atmosphärenschichten. Sie war gar nie dort.
Es kommt oben immer kalte Luft an, unterwegs abgekühlt durch Ausdehnung, altbekannte Thermodynamik.
 

Und welche geheime Energie hält die Temperaturdifferenz von ca. 70 Grad zwischen
Erdboden und Tropopause seit Millionen Jahren aufrecht?
Glauben Sie, die Luft beamt sich, wenn sie oben ist, als kalte Luft wieder nach unten?
Sie haben schon eine sehr kindliche Vorstellung von Physik.
Ihr theologischer Glaube an gehorsame Luftmoleküle, für die die Thermodynamik
einfach nicht gilt, ist absolut lächerlich.
Aber Sie könnten ja einen Kühlschrank zum Patent anmelden, der ohne Kompressor und
ohne diese blöden schwarzen Kühlkörper (auf der Rückseite der Kühlschränke) funktioniert.
Ohne diese beiden Komponenten funktioniert definitiv kein Kühlschrank und diese gibt es
in der Atmosphäre nun mal nicht.
Aber die Ingenieure auf diesem Planeten sind ja alle nicht so thermodynamisch erfahren wie Sie.

[Frau Holle]

Sie haben schon eine sehr kindliche Vorstellung von Physik.

Und du eine sehr falsche. Lass' es dir doch von einem Physiker bestätigen:

In einer Atmosphäre ohne IR-aktive Gase:
- Nur die Erdoberfläche absorbiert Sonnenstrahlung (kurzwellig).
- Und nur die Erdoberfläche gibt Wärme ab (langwellige IR-Strahlung).
- Die Atmosphäre selbst ist strahlungsintransparent und strahlungsinaktiv.

Damit ist die Oberfläche die einzige Stelle, an der Energie in das System kommt und wieder hinausgeht.

Es stellt sich ein Stahlungsgleichgewicht ein, wo die Oberfläche die gleiche Menge an IR-Strahlung in den Weltraum abgibt, wie sie von der Sonne erhält. Die Atmosphäre hat ohne strahlungsaktive Gase damit nichts zu tun und erwärmt sich nicht unendlich.

Und welche geheime Energie hält die Temperaturdifferenz von ca. 70 Grad zwischen
Erdboden und Tropopause seit Millionen Jahren aufrecht?

Da braucht es keine geheime Energie. Es reicht bekannte physikalische Tatsache, dass sich Temperatur adiabatisch ändert. Das ergibt einen permanenten Temperaturgradienten in der Atmosphäre, wo die Energie nur zirkuliert.

Die Atmosphäre erhält Energie von der Oberfläche (Wärmeleitung & Konvektion).
Aber sie verbraucht diese nicht dauerhaft (keine "Energievernichtung").
Sie strahlt sie auch nicht ab.
=> Sie gibt die Energie wieder an die Oberfläche zurück, z. B. durch absinkende Luftpakete (adiabatisch verdichtet, erwärmt).

Das bedeutet:
- Nur die Oberfläche ist "kühlfähig".
- Energie, die durch Konvektion nach oben transportiert wird, muss wieder nach unten zurück.
Sonst würde sich in der Atmosphäre Energie stauen, aber das passiert nicht dauerhaft.

Die Atmosphäre zirkuliert die Energie – sie ist ein passiver Transportmechanismus.
Sie sorgt für einen Temperaturgradienten, nicht für eine Netto-Energiespeicherung oder Abfuhr.

Dass die gesamte Wärmeenergie in der Atomsphäre im Strahlungsgleichgewicht konstant bleibt bedeutet nicht, dass die Temperatur in allen Höhen gleich sein muss. Sie wird permanent umverteilt.

Zu deiner Kühlschrankanalogie: Auf der Erde sorgt die Gravitation für die nötige Kompression. Sie hält den Kreislauf am Laufen, denn sie sorgt dafür, dass warme Luft aufsteigt und kalte absinkt.

Kapier's oder nicht.
 

[hmpf]

...

Und welche geheime Energie hält die Temperaturdifferenz von ca. 70 Grad zwischen
Erdboden und Tropopause seit Millionen Jahren aufrecht?

Da braucht es keine geheime Energie. Es reicht bekannte physikalische Tatsache, dass sich Temperatur adiabatisch ändert.
Das ergibt einen permanenten Temperaturgradienten in der Atmosphäre, wo die Energie nur zirkuliert. ...

Wo haben Sie denn den physikalischen Unfug gelesen?
Wärme zirkuliert tatsächlich per Luftbewegung in der Atmosphäre.
Warum können Luftbereiche denn überhaupt aufsteigen?
Nun, weil Sie wärmer als ihre Umgebung sind und ihre Dichte deshalb keiner ist.
Wie lange steigen Luftpakete auf?
Solange, bis ihre Dichte genau der Dichte Ihrer Umgebung entspricht.
Wie soll durch diese „adiabatischen“ Prozesse eine Temperaturdifferenz entstehen und auch noch
dauerhaft aufrechterhalten werden?

Wann wollen Sie anfangen, sich ernsthaft für Physik zu interessieren?