Treibhauseffekt

Durch den Treibhauseffekt von Treibhausgasen einschließlich Wasserdampf in der Atmosphäre ist die Oberflächentemperatur eines Planeten höher, als sie ohne diese strahlungsaktiven Gase wäre.

Der Treibhauseffekt wurde 1824 von Joseph Fourier entdeckt und 1896 von Svante Arrhenius erstmals quantitativ genauer beschrieben. Die systematische Erforschung des atmosphärischen Treibhauseffekts begann 1958 durch Charles D. Keeling, einen Studenten Roger Revelles. Durch Keeling wurden ein Vielzahl von Messstationen für Kohlendioxid aufgebaut; die bekannteste befindet sich auf dem Mauna Loa auf Hawaii.

Der durch menschliche Eingriffe bewirkte Anteil am atmosphärischen Treibhauseffekt wird anthropogener Treibhauseffekt genannt.

Inhaltsverzeichnis

Physikalische Grundlagen

Vergleiche mit den Daten anderer Planeten und (relativ) einfache Berechnungen zeigen, dass es nicht nur hier auf der Erde einen Treibhauseffekt gibt. Aus dem Rückstrahlvermögen der Erde kann man die Gleichgewichtstemperatur berechnen, die bestehen würde, wenn es keine Atmosphäre gäbe: Sie würde in diesem Fall im Mittel −18 °C betragen (siehe auch Beispiele für Strahlungsaustausch). Das ist deutlich weniger als der durch Messungen und Interpolation bestimmte Wert von +14 °C.[1] Der Unterschied ist beim Nachbarplaneten Venus viel gewaltiger: Statt der berechneten 141 °C wurde tatsächlich etwa 440 °C gemessen. In beiden Fällen gibt es eine Ursache: Den Treibhauseffekt. Diskutiert wird jedoch, welchen Einfluss die Veränderung der Zusammensetzung der Atmosphäre durch Treibhausgase zukünftig haben wird.

Kompakte Darstellung des Mechanismus

Kurzwellige Strahlung der Sonne trifft auf die Atmosphäre und Erdoberfläche. Langwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche abgestrahlt und in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Im thermischen Gleichgewicht wird die absorbierte Energie der Atmosphäre je zur Hälfte in Richtung Erde und Weltall abgestrahlt. Die Zahlen geben die Leistung der Strahlung in Watt/Quadratmeter für den Zeitraum 2000–2004 an.

Der Treibhauseffekt kann in folgenden Schritten erklärt werden:

  1. Die Sonne strahlt sehr viel Energie in Form von elektromagnetischen Wellen zur Erde. Dadurch wird die Oberfläche der Sonne gekühlt (Strahlungskühlung).
  2. Die häufigsten Photonenwellenlängen des Sonnenlichtes liegen um 500 nm, das entspricht grünem Licht. Aus diesem Strahlungsmaximum kann man auf die Oberflächentemperatur der Sonne rückschließen: etwa 5600 °C oder 5900 K.
  3. In diesem Spektralbereich (sichtbares Licht) absorbieren die Lufthülle der Erde so wie auch die Glasscheiben eines Treibhauses nur wenig Strahlung - man spricht von hoher Transparenz. Die Strahlung kann also fast ungehindert in das Treibhaus.
  4. Die Gegenstände im Treibhaus absorbieren die Photonen und erwärmen sich dadurch auf etwa 30 °C oder 303 K.
  5. Die erwärmten Gegenstände strahlen ebenfalls elektromagnetische Wellen ab, deren häufigste Wellenlängen aber bei 10000 nm liegen (Infrarotstrahlung). Der Grund für diese Vergrößerung der Wellenlänge heißt Wiensches Verschiebungsgesetz: Wenn die (absolute) Temperatur auf 1/20 sinkt, steigt die Wellenlänge, bei der die größte Strahlungsintensität auftritt, auf das 20-fache.
  6. Für diese „Rückstrahlung“ sind aber Glas und bestimmte Elemente in der Lufthülle der Erde undurchlässig. Die Strahlung wird teilweise absorbiert. Gleichzeitig können die Treibhausgase Wärmestrahlung weit besser abgeben als Stickstoff und Sauerstoff. Sie strahlen die durch Absorption und Konvektion erhaltene Wärmeenergie gleichmäßig in alle Richtungen, also auch zum Boden hin, ab. Der Boden erhält so zusätzliche Wärmestrahlung („Atmosphärische Gegenstrahlung“).

Ausführliche Darstellung

Wenn Strahlung durch Materie geht, wird sie von der Materie teilweise absorbiert und teilweise durchgelassen. Die Stärke von Absorption und Durchlässigkeit hängt von der Wellenlänge (im sichtbaren Bereich = Farbe) der Strahlung ab. Der Treibhauseffekt tritt auf, wenn die Durchlässigkeits- und Absorptionskoeffizienten der Begrenzungen eines Volumens wellenlängenabhängig sind. Dabei tritt die äußere Strahlung relativ ungehindert in das Volumen ein und wird ergänzt durch Strahlung, die von der Begrenzung ausgeht. Eng verbunden mit der von der Begrenzung ausgehenden Strahlung ist, dass die innere Strahlung von der Begrenzung des Volumens weitgehend absorbiert wird (Kirchhoffsche Gesetze). Dabei wird ein wesentlicher Teil der inneren Strahlung im eingeschlossenen Volumen von den Begrenzungen absorbiert (hauptsächlich) oder reflektiert. Dabei spielt die Reflexion beim atmosphärischen Treibhauseffekt keine Rolle und auch beim Glashaus ist die Bedeutung der Reflexion sehr gering, weil im relevanten Wellenlängenbereich die Glasscheiben fast als schwarze Körper wirken. Zu dieser inneren Strahlung kommt eine weitere Strahlung (hauptsächlich von der Sonne), die einen Teil der Begrenzung (Glasscheiben beziehungsweise die Schicht der Treibhausgase) wegen der anderen Wellenlänge fast mühelos durchdringt (selektive Transparenz) und von einem anderen Teil der Begrenzungsfläche (beispielsweise Erdboden) absorbiert wird. Durch die Summe der beiden Strahlungen (innere Strahlung eines Hohlraums, die von allen Begrenzungsflächen ausgeht, plus der durchgelassenen Strahlung) werden die getroffenen Stellen stärker erwärmt als ohne Scheibe oder Treibhausgas.

Glashauseffekt

Als Glashauseffekt (abgeleitet aus dem Französischen von effet de serre, wie er zuerst von Joseph Fourier genannt wurde) wird der Treibhauseffekt dann bezeichnet, wenn in einem Innenraum durch verglaste Fensteröffnungen oder Dächer Sonnenlicht einfällt und von den Materialien des Innenraums absorbiert wird. Dadurch kann sich der Innenraum deutlich über das Niveau der Umgebungstemperatur aufheizen. Von den aufgeheizten Wandflächen erwärmt sich über Wärmeleitung und Konvektion die Luft im Innenraum. Da bei einem geschlossenen Glashaus nur wenig erwärmte Luft durch kalte Außenluft ersetzt wird, ist der Kühlungseffekt durch kalte Außenluft nicht groß. Zuweilen wird der Glashauseffekt nach den großen, architektonisch stilvollen Gewächshäusern von botanischen Gärten und Schlossparks – den Orangerien – auch Orangerieeffekt genannt.

Selektive Transparenz

Fensterglas ist transparent für sichtbares Licht und kurzwelliges Infrarot, wie es von der Sonne abgestrahlt wird. Für langwelliges Infrarot (den Bereich der Wärmestrahlung bei den Glashaustemperaturen) ist es undurchlässiger. Dieser Unterschied wird häufig als Ursache für den wärmenden Effekt dargestellt. Für eine derartige Auswirkung ist der Unterschied in der Transparenz der Glasabdeckung eines Gewächshauses in der Regel zu gering.[2] Die Erwärmung des Gewächshauses beruht also hauptsächlich darin, dass der Luftaustausch mit der Außenluft unterbunden wird.[3][4]

Die gesteuerte Lüftung über Dachluken wird in Gewächshäusern verwendet, um insbesondere tagsüber in heißen Sommermonaten überschüssige Wärmeenergie nicht durch Strahlung, sondern durch Luftmassenaustausch abzuleiten und somit im Inneren ein verträgliches Temperaturniveau (unter 40 °C) zu halten. Nachts kann es hingegen auch im Sommer recht kühl werden. Ursache sind Verluste durch Wärmeleitung (gering), Luftmassenaustausch durch Lüftung (größer, wenn möglich), besonders jedoch die Rückstrahlung in den Weltraum (besonders bei sternenklarem Himmel), der die gesamte Erdkruste nachts unterliegt und die vom Glashaus nur sehr marginal behindert wird. Es ist nicht zu empfehlen, es sich im Winter nachts im Glashaus gemütlich machen zu wollen, auch wenn tagsüber schön die Sonne schien. Hält man bei Nacht jedoch die Luken geschlossen, wird der Wärmeverlust gedämpft, die sinusförmige Welle der Tagestemperatur flacher und man bewirkt somit ein ausgeglicheneres und relativ warmes Mikroklima im Gewächshaus.

Nutzung

Der Effekt wird seit langem in Unterglaskulturen/Treibhäusern genutzt. Außer in Gewächshäusern wird der Glashauseffekt auch als passive Sonnennutzung in der Architektur gezielt eingesetzt, um Brennstoff zum Heizen von Wohnräumen zu sparen. Dies wird durch eine Südausrichtung der großen Glasfronten und/oder Wintergärten des Gebäudes erreicht, über die die Luft des Hauses erwärmt wird. Insbesondere so genannte Niedrigenergiehäuser und Passivhäuser nutzen diesen Effekt zur drastischen Reduktion des Einsatzes einer zusätzlichen Heizung. Besonders intensiv lässt sich dieses Phänomen in einem in der Sonne geparkten Auto beobachten/erfühlen.

Auch Sonnenkollektoren nutzen diesen Effekt. Hier kann die selektive Transparenz des Glases mit selektiver Absorption des Kollektors ergänzt werden, um dessen Wärmeabstrahlung zu verringern. Bei Vakuumkollektoren wird auch die Konvektion zwischen Glas und Kollektor unterbunden.

Atmosphärischer Treibhauseffekt

Treibhausgase

siehe auch:Treibhausgas

Durchlässigkeit der Atmosphäre für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen. Der gelbe Bereich heißt Atmosphärisches Fenster; dort ist die Atmosphäre durchlässig für elektromagnetische Wellen des Infrarot-Bereiches.

In der Erdatmosphäre bewirken Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon seit Bestehen der Erde einen Treibhauseffekt, der entscheidenden Einfluss auf die Klimageschichte der Vergangenheit und das heutige Klima hat. Die Rolle des Glases wird hier von den genannten Treibhausgasen übernommen, die durchgängig für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung sind, langwellige Wärmestrahlung hingegen je nach Treibhausgas in unterschiedlichen Wellenlängen absorbieren und emittieren.

Der größte Teil des Treibhauseffekts wird mit einem Anteil von ca. 36–70 % (ohne Berücksichtigung der Effekte der Wolken) durch Wasserdampf in der Atmosphäre verursacht. Kohlendioxid trägt ca. 9–26 % zum Treibhauseffekt bei, Methan ca. 4-9 %, und Ozon ca. 3–7 %. Der Ozongehalt spielt insbesondere in der Stratosphäre eine sehr wichtige Rolle für das Klima. Es wird vom Menschen nicht direkt, sondern indirekt über fluorierte Treibhausgase beeinflusst. Im Kyoto-Protokoll sind deshalb auch wasserstoffhaltige (HFC bzw. H-FKW), perfluorierte Fluorkohlenwasserstoffe (PFC bzw. FKW) und Schwefelhexafluorid (SF6) in die Liste der Treibhausgase aufgenommen worden.

Ein exakter prozentualer Wirkungsanteil der einzelnen Treibhausgase auf den Treibhauseffekt kann nicht angegeben werden, da der Einfluss der einzelnen Gase je nach Breitengrad und Vermischung variiert (die jeweils höheren Prozentwerte geben den ungefähren Anteil des Gases selbst an, die niedrigeren Werte ergeben sich aus den Mischungen der Gase).[5]

Angetrieben werden die Wärmevorgänge an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre von der Sonne. Die Stärke der Solarstrahlung in der Erdbahn wird als Solarkonstante bezeichnet und hat etwa einen Wert von 1367 W/m², der je nach Erdentfernung und Sonnenaktivität zwischen 1325 W/m² und 1420 W/m² schwankt.

Bei der großen Masse der Erde spielt die Wärmespeicherung eine erhebliche Rolle, was daran zu erkennen ist, dass auf der Nordhalbkugel der Erde die wärmste Zeit im Sommer erst nach dem Sonnenhöchststand (etwa 22. Juni) eintritt. Wegen dieser großen Speicherwirkung wird bei den Energiebilanzen in der Atmosphäre immer mit dem Mittelwert über die ganze Erdoberfläche gerechnet.

Sogenannte „Energiebilanzen“ werden mit einem Mittelwert der Einstrahlung auf die Erdoberfläche gerechnet: Die Erde erhält Solarstrahlung auf der Fläche des Erdquerschnitts (π R²) und hat eine Oberfläche von (4 π R²). Diese beiden Flächen haben ein Verhältnis von 1:4. Das heißt, wenn 1367Wm² auf die Erde einstrahlen und in Erd-Oberflächentemperatur umgesetzt würden, könnte die Erdoberfläche durchschnittlich 342 W/m² auch wieder abstrahlen.

Der Energiehaushalt der Erde wird nicht nur durch Treibhausgase, sondern auch durch die Wolken beeinflusst.

Durch Wolken, Luft und Boden (vor allem Eis und Schnee, siehe Albedo) wird ein Anteil von etwa 30 % der eingestrahlten Sonnenenergie wieder in den Weltraum reflektiert - das sind etwa 410 W/m². Die restlichen 70 % werden absorbiert - das sind etwa 957 W/m². Wäre das die einzige Strahlung, die vom Erdboden absorbiert würde, so würde die Erdoberfläche im Mittel eine Temperatur von etwa -18 °C annehmen, wenn die Wärme gleichmäßig über die Erde verteilt würde. Wird berücksichtigt, daß Temperaturunterschiede existieren, so liegt die Durchschnittstemperatur weit unter diesem oberen Grenzwert (siehe Höldersche Ungleichung).

Aber es gibt eine weitere Bestrahlung durch die aufgeheizten Treibhausgase mit etwa 150 W/m², die so genannte atmosphärische Gegenstrahlung. Damit absorbiert die Erdoberfläche insgesamt 389 W/m² – und die werden bei der tatsächlichen mittleren Erdoberflächentemperatur von +14 °C auf mehreren Wegen abgegeben. Ein Teil davon wird durch Strahlung abgegeben, das wird wieder durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben. Die Energieabgabe geschieht aber auch durch weitere Vorgänge wie z. B. die Konvektion. Die Erdoberflächentemperatur ist zugleich die bodennahe Lufttemperatur.

Die von der Erdoberfläche abgestrahlte Energie hat eine andere Spektral-(Farb)verteilung, als das einfallende Sonnenlicht, das eine Spektralverteilung entsprechend einer Farbtemperatur von etwa 6000 K hat und von den atmosphärischen Gasen kaum absorbiert wird. Die Spektralverteilung der von der Erdoberfläche abgestrahlten Energie wird durch die +14 °C der Erdoberfläche bestimmt, so dass nur etwa 90 W/m² direkt von der Erdoberfläche in den Weltraum gestrahlt werden. Die restlichen 299 W/m² werden teilweise durch Strahlung an die für diesen Wellenlängenanteil undurchsichtige Atmosphäre (verursacht durch die Treibhausgase) durch Absorption abgegeben, teilweise auch durch andere Vorgänge, z. B. Konvektion. Dadurch wird die Atmosphäre aufgeheizt. Die Atmosphäre hat zwei Oberflächen: eine zum Weltraum hin und eine zur Erde hin. Da die Temperatur in der Atmosphäre sich mit der Höhe ändert, muss die Abstrahlung aus den Treibhausgasen nicht in beide Richtungen mit gleicher Stärke erfolgen. Zurzeit ist es so, dass die Abstrahlung aus der Atmosphäre auf jeder Seite etwa gleich groß ist. So wird die absorbierte Energie von 299 W/m² auf jeder Seite zur Hälfte – also 150 W/m² abgestrahlt. (Anmerkung: Ein schwarzer Körper mit einer Abstrahlung von 150 W/m² hat etwa eine Temperatur von −40 °C.)

Verteilung des Wasserdampfs in der Erdatmosphäre. Der kondensierbare Wasserdampf einer Luftsäule über einer Grundfläche von 1 m² wird in cm angegeben

Durch die Abstrahlung in den Weltraum von der Atmosphäre mit 150 W/m², den direkten 90 W/m² von der Erdoberfläche und dem Albedo-Anteil von 103 W/m² ist das etwa gleich der mittleren Einstrahlung von 342 W/m², d. h., Einstrahlung ist etwa gleich Ausstrahlung. Das zeigt sich auch in der Tatsache, dass sich die Temperatur der Erde nur langsam ändert – woraus zwingend folgt, dass die Erde die absorbierte Sonnenenergie wieder abgibt - aber wegen der niedrigen Erdtemperatur wird die Energie hauptsächlich als langwellige Infrarotstrahlung emittiert (Wiensches Verschiebungsgesetz).

Der Wärmestrom aus dem Erdinneren spielt praktisch keine Rolle (etwa 0,06 W/m²). Aus dem Weltenergieverbrauch (im Jahr 2004) in Höhe von 432 Exajoule und der Größe der Erdoberfläche von rund 510 Millionen km² errechnet sich ein auf die Nutzung nicht regenerativer Energieträger zurückzuführender Wärmestrom (Leistung) in Höhe von rund 0,026 Watt pro Quadratmeter.[6]

Probleme haben manche mit der Energie, die die Treibhausgase in Richtung Erdoberfläche abstrahlen (150 W/m² – wie schon oben genannt), da diese Energie von einem kühleren Körper (etwa −40 °C) zu dem wärmeren Körper (Erdoberfläche etwa +14 °C) strömt und dieses angeblich dem II. Hauptsatz der Thermodynamik widerspreche. Das ist aber eine falsche Interpretation, denn er lässt die Solareinstrahlung (von sogar 6000 K) unberücksichtigt, in der Bilanz ist wieder der II. Hauptsatz erfüllt (siehe auch Strahlungsaustausch).

Zusammengefasst ergibt sich: Die Rückstrahlung aus der Atmosphäre zur Erde führt zur zusätzlichen Erwärmung der Erdoberfläche um mindestens 33 °C. Damit liegt die durchschnittliche globale Temperatur bei 14 °C statt deutlich unter −18 °C.

Atmosphäre
 % Restanteil
Treibhauseffekt
wie bisher 100
ohne H2O, CO2, O3 50
ohne H2O 64
ohne Wolken 86
ohne CO2 88
ohne O3 97
ohne alle
Treibhausgase
0
Quelle: Ramanathan and Coakley (1978)[7]; siehe auch[8].

Wichtig ist auch die Höhenverteilung, von wo die Wärmestrahlung die Erdoberfläche erreicht. Für den Treibhauseffekt direkt bedeutsam ist nur der Anteil der Abstrahlung aus niedrigen Höhen, weil nur diese Abstrahlung den Erdboden erreicht, ohne vorher von den Treibhausgasen wieder absorbiert zu werden (siehe nächster Absatz). Dabei ist das „niedrig“ sehr wellenlängenabhängig, denn die Länge, nach der die Strahlung wieder absorbiert wird (Absorptionslänge) ist wellenlängen- und konzentrationsabhängig. Ist die Absorptionslänge größer als die Atmosphärendicke, so ist die Atmosphäre bei diesen Wellenlängen fast durchsichtig. Da die Stärke einer Strahlung von der Temperatur der Quelle abhängig ist, steigt die Strahlstärke, wenn die Absorptionslänge kürzer wird: wegen der Temperaturabnahme mit der Höhe steigt die mittlere Temperatur über der kürzeren Absorptionslänge. Damit kann die atmosphärische Gegenstrahlung in einem Wellenlängenbereich bei zunehmenden Treibhausgasmengen auch dann noch stärker werden, wenn die Atmosphäre in diesem Wellenlängenbereich bereits so gut wie undurchsichtig ist.

Der Temperaturverlauf bis zu einer Höhe von ca. 11 km ist dabei praktisch nur adiabatisch bedingt, die durch die Abstrahlung der Treibhausgase verlorengehende Energie wird durch Konvektion und Strahlungsabsorption ersetzt. Dabei kommt die absorbierte Strahlung von verschiedenen Quellen:

  • Solarstrahlung (sehr geringer Anteil)
  • Abstrahlung von der Erdoberfläche
  • Abstrahlung aus tieferliegenden Schichten
  • Abstrahlung aus höherliegenden Schichten

Der Anteil an dem Aussenden von langwelliger Wärmestrahlung durch Treibhausgase wie

und anderen Gasen wird trockener Treibhauseffekt genannt. Die Einbeziehung von Wasserdampf führt zum feuchten Treibhauseffekt. Etwa 62 % des Treibhauseffekts werden durch Wasserdampf verursacht, etwa 22 % durch Kohlendioxid.

Temperaturverlauf der Atmosphäre als Funktion der Druckhöhe (Erdoberfläche = 1,013 bar) - die Tropopause wird am besten mit einem Isotropenexponenten von 0,19 angenähert.

Interessant ist der Temperaturverlauf als Funktion der Druckhöhe (an der Erdoberfläche ist der höchste Druck 1,013 bar). Nach oben nimmt der Druck ab, weil die Gasmasse geringer wird. Gleichen Druckänderungen entsprechen gleiche Anzahl von Gasteilchen. In der Troposphäre wird der Temperaturverlauf am besten durch eine Adiabate mit dem Exponenten 0,19 beschrieben. Oberhalb der Troposphäre ist die Gasmasse gering und es liegt kein adiabatischer Verlauf mehr vor. Die Spitze der Realatmosphäre bei niedrigen Drücken wird durch die UV-Absorption des Sauerstoffs (Ozon-Bildung und -Zerfall) verursacht. Durch die Krümmung der Kurve in der Troposphäre ist auch die Existenz der Troposphäre erklärlich: Wäre die Kurve eine Gerade, so wäre im Mittel die von den Treibhausgasen absorbierte Energie gleich der emittierten Energie - wegen der Krümmung und ihrer Art ist aber die emittierte Energie größer als die absorbierte Energie, die Luft wird also gekühlt und sinkt nach unten. Dadurch wird eine Vertikalzirkulation in Gang gesetzt, die nach den Gasgesetzen mit konstantem Wärmeinhalt (der Strahlungsverlust ist klein zum Wärmeinhalt) zum adiabatischen Verlauf führt.

Regelmechanismus der Erde

Siehe auch: Paradoxon der schwachen jungen Sonne

Erdgeschichtlich war der Treibhauseffekt von entscheidender Bedeutung. So ist die Leuchtkraft der Sonne seit ihrer Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren um über 30 % angestiegen. Gleichzeitig hat die Konzentration der Treibhausgase – insbesondere von Kohlendioxid und Methan – über einen selbstregulierenden Mechanismus in diesem Zeitraum stark abgenommen. Erhöhte Temperatur bewirkte verstärkte Verwitterung der Erdoberfläche und Ausfällung von Kohlendioxid im Meer in Form von Kalk. Dadurch nahm der Kohlendioxidgehalt ab, wodurch die Temperatur sank und Verwitterung und Ausfällung abnahmen und sich die Temperatur in der Folge wieder auf dem alten Wert bei einem niedrigeren Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre einpendelte.

In der Frühzeit des Lebens auf der Erde wurden von Archaeen große Mengen des für den Treibhauseffekt hochwirksamen Gases Methan produziert, welches zusätzlich zum Kohlendioxid entscheidend dazu beitrug, dass es auf der Erde damals trotz erheblich niedriger Sonneneinstrahlung gemäßigt warm war. Als jedoch Cyanobakterien und Algen aufkamen und als Abfallprodukt der Photosynthese Sauerstoff produzierten, wurde das Methan in der Atmosphäre nun zu den weniger klimawirksamen Gasen Kohlendioxid und Wasserdampf oxidiert. Zusätzlich wurde weniger Methan produziert, weil Sauerstoff für das damalige Leben hochgiftig war und die Archaeen dadurch abgetötet wurden. Deswegen kam es mehrmals in der Erdgeschichte – jedes Mal wenn die Sauerstoffkonzentration sprunghaft zunahm, zuletzt vor etwas mehr als 500 Millionen Jahren – zu einem globalen Temperatursturz, bei dem die Ozeane der Erde komplett zufroren und somit die heute vom Weltall aus blaue Erde, die damals aufgrund des Methangehalts in der Atmosphäre vom Weltall aus betrachtet eine orange Erde war, zu einem weißen Schneeball wurde. Aufgrund der starken Reflexion des Eises und somit nur geringen Erwärmung des Bodens und der Luft war die Erde nun in einer Art „Kältefalle“ gefangen und das Leben kam fast zum Erliegen.

Die Vulkane stießen jedoch nach wie vor Treibhausgase wie Kohlendioxid aus, welche sich nun aufgrund der nicht mehr stattfindenden Verwitterung und Ausfällung im Meer in der Atmosphäre anreicherten. Der Kohlendioxidgehalt stieg dadurch in einem Zeitraum von ca. 10 Millionen Jahren auf extrem hohe Werte solange an bis der Treibhauseffekt stark genug war das Eis zu schmelzen. Infolgedessen absorbierte die nun wieder freigelegte Erdoberfläche wesentlich mehr Sonnenlicht und es folgten einige 10'000 Jahre mit einem globalen Saunaklima. Aufgrund der nun starken Verwitterung und Ausfällung wurde der Kohlendioxidgehalt stark reduziert und gewaltige Kalkablagerungen innerhalb kürzester Zeit abgelagert, was schlussendlich wieder wie vorher zu einem gemäßigten Klima führte, jedoch mit deutlich reduziertem Methangehalt der Atmosphäre.

Letztendlich sind also zwei abiotische Klimaregulatoren dafür verantwortlich, dass sich das Klima in erdgeschichtlichen Zeiträumen immer wieder trotz veränderter Strahlungsleistung der Sonne und durch das Leben selbst veränderter Umweltbedingungen bei gemäßigten Temperaturen eingependelt hat: Der Vulkanismus und die Plattentektonik als Recycler der Kalkablagerungen und somit als Kohlendioxidproduzenten und die Verwitterung und Ausfällung als Kohlendioxidsenke. Würde bspw. der Vulkanismus aufhören und keine Plattentektonik existieren, wie auf dem Mars, würde dieser Mechanismus nicht mehr funktionieren und das Erdklima sich abkühlen und Leben in der bisherigen Art wäre auf der Erde nicht mehr möglich.

In ca. 500 bis 800 Millionen Jahren (je nach Modellrechnung), also lange bevor die Sonne zu einem Roten Riesen wird (was erst in ca. 4 Milliarden Jahren der Fall sein wird), wird aufgrund der zunehmenden Sonnenleistung die Kohlendioxidkonzentration so weit sinken, dass die Photosynthese in der heutigen Form nicht mehr möglich ist. Leben in der bisherigen Form wird dann wahrscheinlich nicht mehr möglich sein.

Die Bedeutung des globalen Treibhauseffektes kann man somit auch an den extrem unterschiedlichen Oberflächentemperaturen der Planeten Venus, Erde und Mars erkennen. Diese Temperaturunterschiede hängen nicht nur von der Entfernung zur Sonne ab, sondern vor allem von den (aufgrund verschiedener Ursachen) unterschiedlichen Atmosphären.

Anthropogener Treibhauseffekt

Hauptartikel: Globale Erwärmung

Der Anstieg der drei wichtigsten Treibhausgase Kohlendioxid, Methan und Lachgas sowie von FCKW/FKW seit 1978.
CO2-Konzentration der Atmosphäre schematisch dargestellt für die letzten 100 Millionen Jahre mit einer Prognose für die nächsten 300 Jahre
Temperaturrekonstruktionen sowie instrumentell gemessene Temperaturen für die letzten 2000 Jahre.

Im Gegensatz zum auf geologischen Zeitskalen ablaufenden natürlichen atmosphärischen Treibhauseffekt mit seinen Regulationsmechanismen läuft der anthropogene Treibhauseffekt in extrem kurzer Zeit ab. Die Erhöhung der Konzentration der Treibhausgase in den letzten 100 Jahren (CO2 um etwa 35 %, Methan um ca. 150 % durch Reisanbau, Rinderzucht und Müllfäulnis) führte zu einer Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur um ca. 0,8 K in den letzten 100 Jahren. Damit hat der Mensch einen Anteil von 2 % am gesamten Treibhauseffekt von 33 °C.

Aus der Analyse von Bohrungen im antarktischen Eis durch das Europäische Projekt für Eiskernbohrung in der Antarktis und Bohrungen im Wostok-Eiskern geht hervor, dass die globale Kohlenstoffdioxidkonzentration mindestens während der letzten 750.000 Jahre nie 290 ppm (parts per million, Teile pro Million) überschritten hat. Während der Eiszeiten war sie mit 180 ppm niedriger als während der Warmzeiten. Mit Beginn der Industrialisierung stieg die Konzentration exponentiell an. Im Jahre 2002 betrug der Mittelwert bereits 375 ppm, die jährliche Zuwachsrate 1,5 ppm. Ende 2009 erreicht der Mittelwert 388 ppm.[9]

Die jahreszeitlichen Schwankungen spiegeln die Vegetationsperiode der Nordhalbkugel wider: Von April bis September wird durch die Photosynthese CO2 verbraucht. Von Oktober bis März, wenn die Photosyntheserate stark herabgesetzt ist, steigt der CO2-Gehalt aufgrund der jetzt überwiegenden Zellatmung und anthropogener Verbrennungsprozesse an.

Die Amplitude des Jahresganges hängt vom Standort der Mess-Station ab:

  • Zugspitze (2650 m): 11,4 ppm. Hier liegt die Mess-Station oberhalb der Vegetationszone.
  • Schauinsland (1200 m): 14,0 ppm. diese Mess-Station wird stärker von anthropogenen CO2-Quellen beeinflusst.
  • Hawaii: 5,9 ppm.

Von der klaren Mehrheit der Wissenschaftler wird die Hypothese vertreten, die vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre, der so genannte anthropogene Treibhauseffekt, werde in den nächsten Jahrzehnten und Jahrhunderten eine weitere globale Erwärmung und damit einen Klimawandel bewirken, beziehungsweise dass dieser schon eingetreten ist und sich weiter auswirken wird. Begründet wird der anthropogene Treibhauseffekt mit dem Anstieg der Treibhausgase auf das Doppelte des vorindustriellen Niveaus, wie es auch im IPCC-Bericht angegeben ist. Die Empfindlichkeit des Klimas auf CO2-Änderungen wird als Klimasensitivität bezeichnet. Diese Klimasensitivität liegt bei den verschiedenen globalen Klimamodellen bei 1,5 °C bis 4,5 °C, wobei die meisten Modelle eine Erwärmung um ca. 3 °C bei einer Verdoppelung des CO2-Gehalts berechnen. Die Ergebnisse der Klimamodelle zeigen auch die Zunahme von Wetterextremen, den Anstieg des Meeresspiegels und Veränderungen an der Eisbedeckung der Erde (siehe Folgen der globalen Erwärmung). Da viele der in den Modellen prognostizierten Ereignisse gleichzeitig auch beobachtet werden können, dienen diese Erscheinungen als zusätzliche Belege für den anthropogenen Treibhauseffekt.

Der anthropogene Treibhauseffekt ist nicht zu verwechseln mit der ebenfalls vom Menschen verursachten Schädigung der stratosphärischen Ozonschicht, die zum so genannten Ozonloch führt.

Netto-Wärmeabstrahlung ins All erfolgt – wie oben bereits erwähnt – im Wesentlichen nicht bodennah, denn in den unteren Luftschichten wird Infrarotstrahlung meist von darüber liegenden Luftschichten wieder absorbiert. Sie erfolgt auch nicht in einem eng umgrenzten Gebiet, sondern in einem Bereich, der von bodennahen Gebieten bis in eine Höhe von ca. 15 km reicht und dessen Median in einer Höhe von 5,5 km liegt.[10] Der Treibhauseffekt ist – entgegen mancher Darstellung in den Medien – bei weitem nicht gesättigt. Die Strahlungsgleichgewichtstemperatur der Erde läge ohne Wirkung von Treibhausgasen bei −18 °C. Durch Erhöhung der Treibhausgaskonzentration steigt die Höhe der Luftschicht an, in der eine Temperatur von −18 °C herrscht. Aus Gründen der Thermodynamik steigt die Temperatur auf der Erde um 6,5 °C pro Kilometer an, wenn man sich nach unten bewegt. Eine Vergrößerung der Treibhausgaskonzentration bewirkt, dass die Schicht, in der die −18 °C Strahlungsgleichgewichtstemperatur herrscht, nach oben wandert. Pro Kilometer Anstieg erhöht sich die Temperatur an der Erdoberfläche folglich um 6,5 °C.[11]

Die Rolle der Wolken

Niedrige Wolken kühlen die Erde durch ihre Sonnenreflexion, hohe Wolken erwärmen die Erde.

Wolken beeinflussen das Klima der Erde maßgeblich neben den Treibhausgasen Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon. Wolken reflektieren dabei einen Teil der einfallenden Sonnenenergie, die Helligkeit der Wolken stammt dabei von der reflektierten kurzwelligen Energie. Wenn die Optische Dicke niedriger Wolken größer wird, und somit mehr Energie zurückgestrahlt wird, sinkt die Temperatur der Erde und umgekehrt.

Hohe Wolken sind oft dünn und nicht sehr reflektierend. Sie lassen einen Großteil der Sonnenwärme durch, und da sie sehr hoch liegen, wo die Lufttemperatur sehr niedrig ist, strahlen diese Wolken nicht viel Wärme ab. Die Tendenz hoher Wolken ist, die Erde zu erwärmen. Niedrige Wolken sind oft dicht und reflektieren viel Sonnenlicht zurück in den Weltraum. Sie liegen dabei auch niedriger in der Atmosphäre, wo Temperaturen höher sind, und strahlen deshalb mehr Wärme ab. Die Tendenz niedriger Wolken ist, die Erde zu kühlen.

Die Vegetation und die Beschaffenheit des Bodens und insbesondere seine Versiegelung, Entwaldung oder Landwirtschaftliche Nutzung haben maßgeblichen Einfluss auf die Verdunstung und somit auf die Wolkenbildung und das Klima.[12]

Einfluss der Vegetation und des Bodens

Die Vegetation und die Bodenbeschaffenheit selbst haben neben der Wolkenbildung noch weitere Bedeutung für das Klima der Erde. Zum anderen reflektieren sie je nach Beschaffenheit das einfallende Sonnenlicht unterschiedlich. Reflektiertes Sonnenlicht wird als kurzwellige Sonnenstrahlung in den Weltraum zurückgeworfen (ansonsten wäre die Erdoberfläche aus Sicht des Weltalls ohne Infrarotkamera schwarz).

Albedo ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen von diffus reflektierenden (reemittierenden), also nicht spiegelnden und nicht selbst leuchtenden Oberflächen.

Prozent des reflektierten Sonnenlichtes in Abhängigkeit von unterschiedlichen Erdoberflächenbeschaffenheiten
Oberflächen Albedo in %
Siedlungen 15–20
Tropischer Regenwald 10–12
Laubwald 15–12
Kulturflächen 15–30
Grünland 12–30
Ackerboden 15–30
Sandboden 15–40
Dünensand 30–60
Gletschereis 30–75
Asphalt 15
Wolken 60–90
Wasser 5–22

Ein Abschmelzen der Polkappen bewirkt durch verminderte Reflexion einen zusätzlichen Energieeintrag über die Eis-Albedo-Rückkopplung. Andererseits tritt durch die im Winter erhöhte Abstrahlung über der offenen Wasserfläche ein Gegeneffekt ein; dieser hat durch die dann erheblich höheren Oberflächentemperaturen eine ähnliche Größe, so dass die Arktis u.U. kein Kipppunkt im Klimasystem darstellt.[13]

Des Weiteren führt nicht nur der Verbrauch von fossilen Energieträgern zu einer Freisetzung von Treibhausgasen in die Atmosphäre. Die intensive Bestellung von Ackerland und die Entwaldung sind ebenfalls eine bedeutende Treibhausgasquelle. Die Vegetation benötigt für den Prozess der Photosynthese Kohlendioxid zum Wachsen. Bäume benötigen CO2 in weit größeren Mengen, als einfaches Getreide. Der Boden ist eine wichtige Senke, da er eine Menge an organischem Material beinhaltet, das Kohlenstoff enthält, das beim Ackerbau teilweise freigesetzt wird.[14]

Treibhauseffekt und Ozonloch

In der öffentlichen Diskussion wird der Treibhauseffekt gelegentlich in Zusammenhang mit dem Ozonloch, also der Schwächung der Ozonschicht, gebracht. Tatsächlich handelt es sich aber um zwei unterschiedliche Effekte. Sowohl die Auslöser als auch die Gegenmaßnahmen können unabhängig voneinander betrachtet werden. Es gibt aber auch Modellrechnungen, nach denen ein verstärkter Treibhauseffekt einen verstärkten Ozonabbau zur Folge haben kann.[15]

Sowohl Ozon als auch die ozonabbauenden Fluorchlorkohlenwasserstoffe sind Treibhausgase, aufgrund ihrer geringen Menge aber von geringer Bedeutung.

Literatur

  • C.-D. Schönwiese: Der anthropogene Treibhauseffekt in Konkurrenz zu natürlichen Klimaänderungen. In: Geowissenschaften. 13, 5/6, 1995, ISSN 0933-0704, S. 207–212.

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Treibhauseffekt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Treibhauseffekt – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Quellen

  1. P. D. Jones, M. New, D. E. Parker, S. Martin, I. G. Rigor: Surface air temperature and its changes over the past 150 years. In: Reviews of Geophysics. 37, Nr. 2, S. 173–199, doi:199910.1029/1999RG900002 (Online, PDF).
  2. Wood, R.W.: Note on the Theory of the Greenhouse. In: Philosophical Magazine. 17, 1909, S. 319–320. „When exposed to sunlight the temperature rose gradually to 65 °C., the enclosure covered with the salt plate keeping a little ahead of the other, owing to the fact that it transmitted the longer waves from the sun, which were stopped by the glass. In order to eliminate this action the sunlight was first passed through a glass plate." "it is clear that the rock-salt plate is capable of transmitting practically all of it, while the glass plate stops it entirely. This shows us that the loss of temperature of the ground by radiation is very small in comparison to the loss by convection, in other words that we gain very little from the circumstance that the radiation is trapped.“
  3. Oort, Abraham H.; Peixoto, José Pinto: Physics of climate. New York: American Institute of Physics 1992, ISBN 0-88318-711-6 „...the name water vapor-greenhouse effect is actually a misnomer since heating in the usual greenhouse is due to the reduction of convection“
  4. Schroeder, Daniel V.: An introduction to thermal physics, S. 305–307, San Francisco: Addison-Wesley 2000, ISBN 0-321-27779-1 „[…] this mechanism is called the greenhouse effect, even though most greenhouses depend primarily on a different mechanism (namely, limiting convective cooling).“
  5. J. T. Kiehl, Kevin Trenberth: Earth’s Annual Global Mean Energy Budget. In: Bulletin of the American Meteorological Society. Vol 78, Issue 2, 1997, S. 197–208 (PDF).
  6. Nakicenovic N., A. Grübler, A. McDonald (1998): Global Energy Perspectives, Cambridge University Press, New York
  7. V. Ramanathan, J. A. Coakley: Relative contributions of H20, CO2 and 03 to the greenhouse effect. In: Rev. Geophys and Space Phys. 16, 1978, S. 465.
  8. RealClimate.org
  9. "Mauna Loa CO2 monthly mean data". Abgerufen am 3. November 2009.
  10. R. Tuckermann: Skript Atmoshärenchemie. Folie 32.
  11. The Copenhagen Diagnosis, S. 10.
  12. NASA Facts (1999): Clouds and the Energy Cycle
  13. S. Tietsche, D. Notz, J. H. Jungclaus, and J. Marotzke: Recovery mechanisms of Arctic summer sea ice GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 38, L02707, doi:10.1029/2010GL045698, 2011
  14. ESPERE-ENC: Der Beitrag der Landwirtschaft zu den Treibhausgasen
  15. Was hat das Ozonloch mit dem Treibhauseffekt zu tun? vom Max-Planck-Institut für Meteorologie (abgerufen am 28. September 2011)

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