Deren imposante Wolkenbilder sind aus den Wetterberichten nicht mehr wegzudenken, ob ihrer Anschaulichkeit wie des hohen Unterhaltungswertes. Die Ära dieser neuen Art der Erdsicht aus der Weltraum begann praktisch mit dem Start des russischen Sputnik am 4. Oktober 1957. Beschränkten sich die ersten Bilder auf den optisch sichtbaren Bereich, so erschloß man bald weitere Frequenzbereiche des elektromagnetischen Wellenlängenspektrums, insbesondere den infraroten Spektralbereich, den geheimnisvollen Sektor der unsichtbaren "Temperatur- oder Wärmestrahlung".

Doch woher rührt die Temperaturstrahlung? Schon die Griechen vermuteten, daß alle Körper aus kleinsten, unteilbaren Bausteinen, den Atomen, bestehen. Heute weiß man, daß diese kleinsten Bausteine zwar chemisch unteilbar aber dennoch physikalisch spaltbar sind und aus noch winzigeren elektrisch geladenen Elementarteilchen, den Elektronen, Neutronen und Protonen, zusammengesetzt sind. Diese sind in ständiger Bewegung und in dieser Bewegung steckt Energie. Ein Maß für diese Bewegungsenergie ist die Temperatur, über die wir die Wärme eines Körpers messen können.

Je nach dem Wärmegehalt der Atome und damit der Höhe des Energieinhalts senden diese Strahlung aus. Diese hat wie alle elektromagnetische Strahlung einen Doppelcharakter, sie ist Welle und Teilchen oder Photonen zugleich. Dabei ist jeder Temperatur eine ganz bestimmte Wellenlänge zugeordnet. Empfängt man mit einer Infrarotkamera die unsichtbare Temperaturstrahlung und bringt sie auf eine photographische Platte, so kann man die unsichtbare Temperaturstrahlung sichtbar machen und "Wärmebilder" herstellen. Moderne Infrarotkameras haben ein Auflösungsvermögen von +/- 0,1°C, können also gestochen scharfe Temperaturbilder herstellen. Die Temperaturstrahlung macht man sich mittels Nachtsichtgeräten bei der "Verbrecherjagd" zunutze.

Mit hochempfindlichen IR-Kameras ausgestattete militärische Spionagesatelliten können also auch im Dunkeln getarnte Panzer "thermisch" enttarnen. Von Vorteil ist auch die Tatsache, daß die jede Körperstrahlung wie die der flüssigen und festen Erdoberfläche angenähert der Energieverteilung eines "Schwarzen Körpers", wie ihn im Jahre 1859 Gustav Kirchhoff definierte, entspricht. Nach dem aus dem Physikunterricht bekannten Stefan-Boltzmannschen Gesetz ist die Leistung eines derartigen "Schwarzen Strahlers" der 4. Potenz seiner absoluten Temperatur proportional. Diese wird in Grad Kelvin gemessen. Null Grad Kelvin entsprechen 273 Grad Celsius. Hat ein Körper eine Temperatur von 255°Kelvin oder -18°C, dann strahlt er eine Energie ab, die einer Strahlungsleistung von 240 Watt pro Quadratmeter entspricht. Die abgegebene Strahlung entspricht einer Glockenkurve, deren Maximum nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz bei 11,8 Mikrometern liegt. Erhöht man die Temperatur des Körpers auf +15°C, dann verschiebt sich das Wellenlängenmaximum in den kürzeren Wellenlängenbereich. Es liegt bei 10,4 Mikrometern und die abgestrahlte Energie erhöht sich auf 390 Watt pro m². Sinkt die Temperatur des Körpers, dann wandert das Wellenlängenmaximum in den immer längerwelligen fernen Infrarotbereich und liegt bei einer Temperatur von -73°C bei 15 Mikrometern.

Wir wissen, daß unsere Atmosphäre für Strahlung weitgehend durchsichtig ist, sowohl für das Sonnenlicht wie auch die Wärmestrahlung der Erde, denn sonst würde es nachts nicht automatisch kälter werden. Diese durchsichtigen Bereiche nennt man daher auch "Fenster". Im infraroten Bereich hat die Atmosphäre ein stets offenes "Fenster" zwischen 7 und 13 Mikrometern. Durch dieses "Fenster" kann von der Erdoberfläche unentwegt Energie und damit Wärme in den eiskalten Weltraum entschwinden. Dies ist gleichzeitig genau der Wellenlängenbereich, in dem das angeblich "klimakillende" sogenannte "Treibhausgas" Kohlendioxid keine Absorptionslinien hat und folglich auch keine Temperaturstrahlung absorbieren kann. Das Kohlendioxid hat eine Absorptionsbande bei 15 Mikrometern und läßt daher zwangsläufig die Wärmestrahlung der Erdoberfläche durch das stets offene "Strahlungsfenster" zwischen etwa 7 und 13 Mikrometern ungehindert passieren. Auch durch Verdreifachung des Kohlendioxidgehaltes der Atmosphäre könnte das "Fenster" nicht geschlossenen werden. Und exakt durch dieses "Fenster" blicken auch die IR-Kameras der geostationären Satelliten aus 36000 Kilometern Höhe auf die Erde, fangen über entsprechende Infrarotsensoren deren Temperaturstrahlung auf und setzen diese Informationen in Bilder um.

Seit 1972 betreibt die amerikanische Weltraumbehörde NASA das "Landsatsystem". Dabei wird während eines Satellitenumlaufs die Erdoberfläche aus 700 Kilometer Höhe in einer Breite von 185 Kilometern mit Bildelementen von 30 Metern Durchmesser mit empfindlichen Sensoren abgetastet. Drei der Kanäle empfangen Signale im sichtbaren und vier im für menschliche Augen unsichtbaren Bereich und zwar im nahen, mittleren und fernen thermischen Infrarot. Der letzte Bereich von etwa 7 bis 13 Mikrometern umfaßt die Temperaturstrahlung der Erdoberfläche zwischen etwa +60°C und -30°C.

Die Temperaturstrahlung der Erdoberfläche erreicht aber nur dann den Satelliten, wenn der Himmel wolkenfrei und damit die atmosphärischen "Strahlungsfenster" offen sind. Eine aus Milliarden kleinster Wassertröpfchen bestehende Wolke ist ein "schwarzer" flüssiger Körper und damit undurchsichtig. Eine kompakte Wolke absorbiert die gesamte Wärmestrahlung der Erde, strahlt natürlich auch selbst Energie ab und mindert damit die nächtliche Abkühlung der Erde. Wolken sind mit einer Bettdecke vergleichbar! Sind keine Wolken am Himmel, dann kann, etwas anderes hat noch nie ein Meteorologe im Wetterbericht verkündet, praktisch ungestört die Wärmestrahlung in den Weltraum entweichen. Dort wird sie von den Infrarotradiometern des Satelliten aufgefangen und in schwarzweiß Bilder umgesetzt. Mit Hilfe der "Falschfarbentechnik" kann man aus Grauschattierungen bunte fernsehgerechte Aufnahmen herstellen.

Bei der astronomischen Erforschung des Weltalls von der Erde aus oder der Fernerkundung der Erde über Satelliten vom Welttraum aus ist man auf die Transparenz oder Durchsichtig-keit der Atmosphäre, auf die Existenz von offenen "Fenstern" angewiesen. Störend wirken nur die "Absorptionslinien" der einzelnen Gase in der Lufthülle, doch diese sind spektroskopisch ausgemessen und wohlbekannt. Die Spektralanalyse wurde von Kirchhoff und Bunsen 1859 entwickelt und ist als "Infrarot-Spektroskopie" ein wichtiger Anwendungsbereich der Physik. Die "Thermographie" ist ein zerstörungsfreies und berührungsloses Meßverfahren, das die bildhafte Darstellung einer Wärmeabstrahlung und Oberflächentemperatur ermöglicht. Sie ist ein unverzichtbares Hilfsmittel, auch wenn es darum geht, Schwachstellen in der Wärmeisolation von Gebäuden aufzudecken. Dieses Meßverfahren ist ob seiner Genauigkeit und Unbestechlichkeit gerichtlich anerkannt. Temperaturstrahlen lügen nicht!

Ein wichtiger Anwendungsbereich der Thermal-Infrarot-Fotographie ist die flächenhafte Erforschung des Gelände- und Stadtklimas über Flugzeuge. Dabei wird von dem ehernen, doch von den "Klimaexperten" geleugneten, physikalischen Prinzip ausgegangen, daß alle Körper entsprechend ihrer Oberflächentemperatur kontinuierlich Wärmestrahlung unter-schiedlicher Frequenz oder Wellenlänge abgeben. Bei den auf der Erde vorkommenden Temperaturen reicht das Wellenlängenspektrum von 5 bis 60 Mikrometern. Bei +15°C liegt das Wellenlängenmaximum bekanntlich bei 10,4 Mikrometern. Je nach Art, Farbe und Beschaffenheit der bebauten oder unbebauten Erdoberfläche ergeben sich deshalb bei gleichen solaren Einstrahlungsbedingungen erhebliche Unterschiede in der Oberflächentemperatur. Ein Park mit Rasen verhält sich "thermisch" anders als ein Teich oder eine Asphaltfläche, wie man mit nackten Füßen leicht feststellen kann. Die IR-Thermographie ist auf sonniges Wetter und wolkenlosen Himmel, auf "Strahlungswetter", angewiesen. Jede größere Stadt hat für Planungszwecke inzwischen Aufnahmen der Oberflächentemperaturen bei Tag zur Zeit des Temperaturmaximums und bei Nacht zur Zeit des Minimums. Das für die Fernerkundung wichtigste "Fenster" ist das stets offene "große atmosphärische Fenster" zwischen etwa 7 und 13 Mikrometern.

Insbesondere die CO₂-Moleküle mit ihren besonderen stoffspezifischen Absorptionsbanden bei 2,8, bei 4,5 und bei 15 Mikrometern, die so unabänderlich und charakteristisch wie ein menschlicher "Fingerabdruck" sind, haben auf den täglichen Temperaturgang keinen Einfluß, weil sie das "offene Strahlungsfenster" zwischen 7 und 13 Mikrometern nicht schließen können. Dies gilt auch dann, wenn die CO₂-Konzentration sich von 300 auf 600 verdoppeln oder 900 Teile pro Million (ppm) verdreifachen würde oder die Erde von einer reinen Kohlendioxidatmosphäre umgeben wäre.

Oppenheim, den 27. Okt. 1998 Dipl.- Met. Dr. phil. Wolfgang Thüne