Treibhauseffekt

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Der Treibhauseffekt bewirkt umgangssprachlich die Erwärmung eines Planeten durch Treibhausgase und Wasserdampf in der Atmosphäre.

Ursprünglich wurde der Begriff verwendet, um den Effekt zu beschreiben, dass hinter Glasscheiben und dadurch im Innenraum eines verglasten Gewächshauses die Temperaturen ansteigen, solange die Sonne darauf scheint. Mit dieser Wärme können Pflanzen vorzeitig austreiben, blühen und fruchten. Der Effekt im Gewächshaus wird auch spezifisch benannt durch den Begriff Glashauseffekt.

Heute fasst man den Begriff viel weiter und bezeichnet den atmosphärischen Wärmestau der von der Sonne beschienenen Erde als atmosphärischen Treibhauseffekt, da die beiden Situationen physikalisch vergleichbar sind. In diesem Sinne ist der Treibhauseffekt 1896 von Svante Arrhenius entdeckt und beziffert worden. Eine systematische Erforschung dieses Problems begann aber erst 1958 durch Charles D. Keeling. Durch ihn wurden eine Vielzahl von Messstationen für Kohlendioxid aufgebaut, die bekannteste ist auf dem Berg Mauna Loa auf Hawaii.

Der durch menschliche Eingriffe entstandene Anteil am atmosphärischen Treibhauseffekt wird anthropogener Treibhauseffekt genannt. Oft ist mit dem Begriff Treibhauseffekt verkürzt gleichzeitig die globale Erwärmung gemeint.

Physikalisches Grundprinzip

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 je zur Hälfte in Richtung Erde und Weltall abgestrahlt.

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. Dazu muss die äußere Strahlung möglichst ungehindert in das Volumen eintreten können und die innere Strahlung sollte das Volumen schwer verlassen können. Dazu muss der Hauptteil der inneren Strahlung im eingeschlossenen Volumen entsprechend der Temperatur von den Begrenzungen absorbiert (hauptsächlich) oder reflektiert werden. 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, und diese stärkere Erwärmung breitet sich über das ganze Volumen aus. Eine Gasfüllung des Volumens ist dazu nicht notwendig, stört aber auch nicht und sorgt in ihm durch Konvektion für eine einheitliche Temperatur.

Glashauseffekt

Als Glashauseffekt (abgeleitet aus dem Französischen von effet de serre, wie er zuerst von Jean Baptiste 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 Orangerieen- 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 fast undurchlässig. Diese Wellenlängenabhängigkeit der Transparenz ist entscheidend für die Glashauswirkung (dass das Fensterglas auch für UV-Licht fast undurchlässig ist, spielt in diesem Zusammenhang keine Rolle). Das durch verglaste Fensteröffnungen oder Dächer eindringende Sonnenlicht wird von den Materialien des Innenraumes absorbiert und heizt diese auf. Diesen Effekt kennt man von Fahrzeugen, die im Sommer lange in der Sonne gestanden haben. Die Materialien im Inneren des Gewächshauses, z. B. der Boden, werden durch die eintreffende Sonnenstrahlung erwärmt und heizen wiederum über Wärmeleitung und insbesondere Konvektion die umgebende Luft des Innenraums. Da das Gewächshaus wegen der selektiven Transparenz strahlungsmäßig rundum weitgehend geschlossen ist, kann die Wärme strahlungsmäßig den Innenraum nicht verlassen, und er heizt sich auf, d. h. im Gewächshaus steigt die Temperatur in Relation zur Umgebung. Wird auch eine Lüftung weitgehend unterbunden, entfällt auch eine Wärmeabfuhr durch die Lüftung, so dass die Temperatur im Innenraum weitgehend durch das Strahlungsgleichgewicht bestimmt wird. Ohne Luft wäre die Temperatur sogar noch etwas höher, da dann das Strahlungsgleichgewicht noch mehr die Temperatur bestimmen würde.

Die gesteuerte Lüftung über Dachluken wird in Gewächshäusern ausgenutzt, um insbesondere tagsüber in heißen Sommermonaten überschüssige Wärmeenergie abzuleiten und somit im Inneren ein verträgliches Temperaturniveau (unter 40 °C) zu halten. Nachts kann es hingegen auch im Sommer recht kühl werden (sternklarer Himmel bewirkt große Abstrahlungsverluste in den Weltraum). Hält man nachts die Luken geschlossen, verhindert dies stärkere Auskühlung und bewirkt somit insgesamt ein gleichmäßig 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

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 %-Anteil der 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).^[1]

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 um einige Prozent schwankt.

Bei Vorgängen mit einer geringen Wärmespeicherung (z. B. die innere Erwärmung eines Autos in der Sonne) ist von diesem Wert (1367 W/m²) auszugehen, denn nachts ohne Sonneneinstrahlung kühlt sich das Autoinnere schnell ab und nimmt etwa die Umgebungstemperatur an. Bei der großen Masse der Erde spielt die Wärmespeicherung eine erhebliche Rolle, was man z. B. daran sieht, dass der Sommer als wärmste Zeit nicht um die Zeit des Sonnenhöchststandes ist (etwa 22. Juni), sondern es erst danach wärmer wird und deswegen der Sonnenhöchststand als Sommerbeginn genommen wird. Wegen dieser großen Speicherwirkung wird bei den Energiebilanzen in der Atmosphäre immer mit dem Mittelwert über die ganze 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. Als Mittelwert für die ganze Erdoberfläche ist deswegen die Solarkonstante durch 4 zu teilen, so dass im Mittel eine Strahlung von 342 W/m² auf die Erdoberfläche fällt.

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

Von der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, wird durch Wolken, Luft und Boden (vor allem Eis und Schnee, siehe Albedo) ein Anteil von etwa 30 % wieder in den Weltraum reflektiert - das sind etwa 103 W/m². Die restlichen 70 % werden absorbiert - das sind etwa 239 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, denn ein schwarzer Körper, der eine Leistung von 239 W/m² abstrahlt, hat eine Temperatur von -18 °C (Plancksches Strahlungsgesetz). 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 +15 °C abgestrahlt - das wird wieder durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben. 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 aber durch die +15 °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 von der für diesen Wellenlängenanteil undurchsichtigen Atmosphäre (verursacht durch die Treibhausgase) absorbiert und heizt diese auf. Die Atmosphäre hat zwei Oberflächen: eine zum Weltraum hin und eine zur Erde hin. In der Abstrahlung wirkt die Atmosphäre etwa so, als ob sie eine einheitliche Temperatur hätte, so dass die Abstrahlung auf jeder Seite etwa gleich groß ist. Wegen der absorbierten Einstrahlung von 299 W/m² wird auf jeder Seite die Hälfte - also 150 W/m² abgestrahlt. 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 1m² 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 Watt/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.

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 +15 °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.

Zusammengefasst ergibt sich: Die Rückstrahlung aus der Atmosphäre zur Erde führt zur zusätzlichen Erwärmung der Erdoberfläche um 33 °C. Damit liegt die durchschnittliche globale Temperatur bei 15 °C statt bei -18 °C.

Zur Ergänzung wird nachfolgend der Mechanismus der Vorgänge in der Atmosphäre, speziell bei den Treibhausgasen näher erläutert:

1. Die Moleküle der Treibhausgase absorbieren Energie aus der von der Erdoberfläche abgegebenen Strahlung, die hauptsächlich im Infraroten abgegeben wird (Wärmestrahlung). (Prinzipiell wird Strahlung von allen Strahlungsquellen mehr oder weniger absorbiert - je nach Wellenlängenverteilung, aber die Strahlung von der Erdoberfläche liefert den größten Anteil.)
2. Der größte Anteil der Moleküle gibt diese absorbierte Energie bei Stößen mit anderen Molekülen an diese ab. Dadurch wird insgesamt noch keine Energie abgestrahlt, sondern nur die Temperatur des Gases erhöht.
3. Mit steigender Temperatur der Treibhausgase erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die von den Molekülen durch Strahlungsabsorption direkt oder durch Stöße aufgenommene Energie nicht durch weitere Stöße weitergereicht wird, sondern abgestrahlt wird. In höheren Luftschichten wird die mittlere Zahl von Stößen zwischen Emission und Absorption geringer, weil die mittlere freie Weglänge sehr lang bzw. die Zeit zwischen zwei Stößen sehr groß ist.
4. Die von den Treibhausgasen aufgenommene Energie wird entsprechend der Temperatur in Form von IR-Strahlung im Bereich des fernen Infrarots in alle Richtungen (also auch wieder zurück in Richtung Erde) abgegeben. Die Abstrahlung senkt die Temperatur der Treibhausgase. Schließlich stellt sich eine Temperatur ein, bei der Absorption und Emission im Gleichgewicht sind. Dabei ist die Abstrahlung parallel zur Erdoberfläche uninteressant, da diese Strahlung in den Treibhausgasen verbleibt. Interessant ist nur die Abstrahlung in Richtung Erde und in Richtung Weltraum, die etwa gleich groß ist. Damit wird die absorbierte Energie je zur Hälfte in Richtung Erde und die andere Hälfte in Richtung Weltraum abgestrahlt.
5. Weiterer Energietransport erfolgt durch Konvektion.

Der Anteil an dem Einfangen von langwelliger Wärmestrahlung durch Treibhausgase wie

• Kohlenstoffdioxid (CO₂),
• Methan (CH₄),
• Lachgas (N₂O)

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.

Regelmechanismus der Erde

CO₂-Konzentration der Atmosphäre schematisch dargestellt für die letzten 100 Millionen Jahre mit einer Prognose für die nächsten 300 Jahre

Auch 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 Abfallprdukt 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 - jedesmal 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.

Der Kohlendioxidmechanismus selber hat jedoch eine Grenze, nämlich der Punkt an dem durch die zunehmende Strahlungsleistung der Sonne der Kohlendioxidgehalt im Regelkreislauf der Atmosphäre so gering ist, dass keine Photosynthese mehr möglich ist. Ab dem Punkt sterben zunächst höhere Lebewesen wie Pflanzen und Tiere ab und die Erde kann sich nicht mehr selber regulieren und wird unaufhaltsam durch die immer stärkere Sonnenstrahlung immer wärmer. 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 dessen der Kohlendioxidmechanismus der Erde versagen und Leben in der bisherigen Form nicht mehr möglich sein. Diesen dann eintretenden sich rasant selbstverstärkenden Treibhauseffekt kann man bereits heute bei der näher an der Sonne stehenden Venus beobachten.

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 an den (aufgrund verschiedener Ursachen) unterschiedlichen Atmosphären.

Anthropogener Treibhauseffekt

Hauptartikel: Globale Erwärmung

Korrelation von CO₂-Konzentration und Temperatur über die letzten 750.000 Jahre, aus Eisbohrkernen rekonstruiert

Im Gegensatz zum auf geologischen Zeitskalen ablaufenden natürlichen atmosphärischen Treibhauseffekt mit seinen Regulationsmechanismen läuft der anthropogene Treibhausseffekt 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°.

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 den Eiszeiten war sie mit 180 ppm niedriger als während der Warmzeiten. Mit Beginn der Industrialisierung stieg die Konzentration exponentiell an. Der rote Kurvenabschnitt ergibt sich aus kontinuierlichen Messungen der Messstation Mauna Loa auf Hawaii seit 1958. Im Jahre 2002 betrug der Mittelwert bereits 375 ppm, die jährliche Zuwachsrate 1,5 ppm. Gegenwärtig erreicht der Mittelwert 381 ppm.

CO₂-Anstieg in der Atmosphäre

Die jahreszeitlichen Schwankungen spiegeln die Vegetationsperiode der Nordhalbkugel wieder: 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.

CO₂-Anstieg der Atmosphäre 1958 - 2004, GAW-Mess-Station Hawaii

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 ca. 3 °C für einen 2*CO₂-Wert 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 anthropogen Treibhauseffekt.

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

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 bitterkalt 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 wärmer sind, und strahlen deshalb mehr Wärme ab. Die Tendenz niedriger Wolken ist, die Erde zu kühlen.

Die Vegetation und die Beschaffenheit des Bodens insbesondere seine Versiegelung oder Landwirtschaftliche Nutzung massgeblichen Einfluss auf die Verdunstung und somit auf die Wolkenbildung und das Klima [1].

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 %

Man kann anhand des Albedos voraussagen, dass ein Abschmelzen der Polkappen die Erde zusätzlich erwärmen würde.

Desweiteren 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 [2].

Siehe auch

• CO₂-Sequestrierung

Literatur

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

Weblinks

Wiktionary: Treibhauseffekt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen

• Wie funktioniert der Treibhauseffekt? (FAQs), Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg
• Deutsche Fassung des IPCC-Berichts 2001
• populäre Darstellung des Treibhauseffekts, Dipl.-Physiker Jochen Ebel
• Der Treibhauseffekt - Arbeit im Rahmen des Abiturs 2005 über den globalen Klimawandel
• Der Treibhauseffekt aus chemischer Sicht
• Bad Meteorology: The Greenhouse Effect, räumt mit populären Vorstellungen des „Treibhauses“ auf (englisch)
• Wasserdampf ist Treibhausgas Nr. 1 (Forschungszentrum Juelich, Pressemitteilung vom 31. Mai 2001)
• Stellungnahme der Deutschen Meteorologischen Gesellschaft zu den Grundlagen des Treibhauseffektes (PDF-Datei)
• FAO-Studie zu den Umweltauswirkungen der Viehhaltung - Kapitel 3 Auswirkungen auf den Treibhauseffekt (2006) - englisch

Quellen

1. ↑ Kiehl, J. T. und Kevin Trenberth (1997): Earth’s Annual Global Mean Energy Budget, in: Bulletin of the American Meteorological Society, Vol 78, Issue 2, S. 197-208, Februar (PDF)