Treibhauseffekt

In Zeiten des Klimawandels ist das Wort "Treibhauseffekt" in aller Munde. Dieser Treibhauseffekt ist nämlich im Wärmehaushalt der Erde ein sehr wichtiges Kriterium. Betrachtet man die Energieflüsse, die rein durch das Sonnenlicht auf die Erde einwirken (d.h. ohne den Treibhauseffekt), dann würde die Durchschnittstemperatur der Erdoberfläche bei ca. -18°C liegen.

Erst der Treibhauseffekt sorgt für die ca. 33°C höhere Durchschnittstemperatur von ca. 14°C. Verstärkt er sich, so wie es derzeit durch den menschengemachten CO2-Ausstoss der Fall ist, heizt sich das Klima weiter auf. Doch wie kommt es zum Treibhauseffekt?

Die zentralen Parameter sind dabei die Sonneneinstrahlung und die langwellige Abstrahlung. Was es sich damit auf sich hat, erläutere ich im Abschnitt "Temperatur im Tagesverlauf".

Diue langwellige Abstrahlung von der Atmosphäre ins Weltall beträgt ca. 240 W/m. Die durchschnittliche langwellige Abstrahlung der Erdoberfläche beträgt mit ca. 396 W/m2 jedoch weit mehr als die Abstrahlung ins Weltall. Davon wird ein grosser Teil in der Atmosphäre durch die Wolken, Aerosole und Gase absorbiert.

Bei der Absorption der langwelligen Strahlung in der Atmosphäre sind vor allem Moleküle beteiligt, bei die aus mindestens drei Atomen bestehen, d.h. Wasserdampf, CO2 oder Methan (die deswegen auch «Treibhausgase» genannt werden).

Die Treibhausgase selbst absorbieren aber nicht nur Strahlung, sie emittieren auch! So wird ein Teil wieder zur Erdoberfläche zurückgestrahlt oder trifft in der Atmosphäre auf weitere Treibhausgase. Die Folge ist ein ständiges Hin- und Herstrahlen von Infrarotwellen innerhalb der Atmosphäre, bzw. zwischen Atmosphäre und Erdoberfläche. So gelangen von der Atmosphäre (v.a. den untersten Schichten) durchschnittlich wieder ca. 333 W/m2 zurück zum Erdboden («atmosphärische Gegenstrahlung»). Netto beträgt die Abstrahlung von der Erdoberfläche in die Atmosphäre also nur ca. 63 W/m2!

Die langwellige Abstrahlung ins Weltall wird durch die Absorption in der Atmosphäre jedoch nicht verhindert. Auch die hin- und hergestrahlten Infrarotwellen erreichen irgendwann die obersten Schichten der Atmosphäre und somit das Weltall, wenn auch über viele Umwege. Der Anteil, der direkt oder indirekt aus der langwelligen Abstrahlung der Erde stammt beträgt aber wie erwähnt (nur) 63 W/m2, obwohl die gesamte langwellige Abstrahlung ins Weltall 240 W/m2 beträgt. Die Differenz stammt aus der langwelligen Abstrahlung, die von der Atmosphäre selbst ausgeht, denn diese kriegt ja selbst ordentlich Energie durch Absorption von Sonnenstrahlung, einerseits durch die Absorption von Sonnenstrahlung, aber auch dem Wärmetransport, bzw. dem Transport latenter Energie) vom Erdboden.

Die ca. 240 W/m2 aus langwelliger Abstrahlung und die 100 W/m2 reflektiertem Sonnenlicht, entsprechen auch in etwa der vom Sonnenlicht zugeführten Einstrahlung von ca. 340 W/m2. Die Erde befindet sich also (nahezu) im Strahlungsgleichgewicht mit dem Weltall. Ein solches stellt sich zwangsläufig mit der Zeit ein, egal ob Treibhauseffekt oder nicht. Die Frage ist nur bei welcher Durchschnitts-Temperatur! Mit dem Treibhauseffekt ist die Gleichgewichts-Temperatur der Atmosphäre und der Erdoberfläche deutlich höher als ohne den Treibhauseffekt.

Ohne eine Treibhausgase würde die Erdoberfläche die absorbierte Sonnenstrahlung direkt ins Weltall emittieren und es läge, wie erwähnt, eine Durchschnitts-Temperatur von durchschnittlich -18°C vor. Kommt bei einer solchen Temperatur nun der Einfluss der Treibhausgase ins Spiel, welche die von der Erde abgestrahlte Energie ständig hin- und herstrahlen, reduziert sich damit der die Abstrahlung in den Weltraum und es stellt sich ein Ungleichgewicht ein. Dabei wird die Abstrahlung ins Weltall deutlich geringer ist als die eintreffende Sonneneinstrahlung, was dazu führt, dass sich Atmosphäre und Erdoberfläche aufheizen. Mit der zunehmenden Temperatur steigt aber wiederum die Abstrahlung (Erinnerung: wärme Körper / Gase strahlen mehr ab!), bis eines Tages ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht wird (der derzeit bei ca. 14°C liegt).

Stark schematisch-vereinfachte Betrachtung, warum der Treibhauseffekt zu einer Temperaturerhöhung führt: Durch die Treibhausgase wird die Abstrahlung ins Weltall reduziert, so dass ein Ungleichgewicht entsteht, wo die Sonneneinstrahlung überwiegt und sich somit eine Erwärmung von Erdoberfläche und Atmosphäre einstellt. Mit der höheren Temperatur steigt jedoch auch die Abstrahlung ins Weltall, womit sich irgendwann wiederum ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt.

Am derzeitigen Treibhauseffekt tragen die einzelnen Gase folgende Anteile bei:

• Wasserdampf: 36-70%

• CO2: 9-26%

• Methan: 4-9%

• Ozon (in der Troposphäre): 3-7%

Sauerstoff, Stickstoff und Argon, die zusammen 99.96% der Atmosphäre beinhalten sind am Treibhauseffekt nicht beteiligt. Dies weil dessen Moleküle weniger als drei Atome haben und somit keine Infrarotstrahlung absorbieren/emittieren können.

Nun zum menschengemachten Klimawandel: Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und der damit verbundenen Emission von CO2 erhöhen wir derzeit den Gehalt an Treibhausgasen in der Atmosphäre.

Dies führt dazu, dass von der Atmosphäre mehr Strahlung aufgenommen wird und dadurch die Abstrahlung ins Weltall reduziert wird. So wird derzeit tatsächlich ca. 0.6 W/m2 weniger ins Weltall abgestrahlt als von der Sonne zugeführt wird.

Somit herrscht ein (geringer) Strahlungsüberschuss vor, der zu einer Erwärmung von Erdboden und Atmosphäre führt. Damit steigt aber gleichzeitig mit der Zeit auch die Abstrahlung ins Weltall (Erinnerung: wärme Körper / Gase strahlen mehr ab!), wodurch sich (rein hypothetisch) irgendwann bei entsprechend höherer globaler Durchschnitts-Temperatur ein neuer Gleichgewichtszustand einstellen wird.

Bei dieser vereinfachten Betrachtung ist jedoch auch zur erwähnen, dass bei Klimaveränderungen zahlreiche weitere Prozesse (u.a. auch positive/negative Rückkopplungen) im Spiel sind und sich komplexe Mechanismen daraus ergeben. So führt z.B. die Erwärmung der Atmosphäre zu einem Abschmelzen der Gletscher, wodurch sich wiederum die planetare Albedo verringert, was die Erwärmung verstärkt (positive Rückkopplung). Ein sehr wichtiger Faktor ist auch die Tatsache, dass etwa 90% der Energie aus der derzeitigen Klimaerwärmung in die Ozeane fliesst. Diese stellen demnach ein immenser Wärmepuffer dar, welche Klimaschwankungen deutlich verlangsamen, bzw. zu einem gewissen Teil abpuffern.

Auch die Wolken sind wesentlich am Erdklima beteiligt. Sie absorbieren die von der Erdoberfläche emittierte langwellige Strahlung und strahlen mehr als die Hälfte davon wieder an den Erdboden zurück. Mehr Wolken führen bei diesem Prozess deshalb generell zu einer Erwärmung. Gleichzeitig reflektieren die Wolken wegen der hohen Albedo mehr Sonnenlicht als der Erdboden, was dann wiederum eher mit einer Abkühlung verbinden ist. Bei den hohen Wolken (z.B. Cirren) überwiegt dabei die Infrarotabsorption, d.h. diese führen zu Erwärmung der Erde. Bei den deutlich dichteren tiefen Wolken dominiert jedoch eher die Reflexion des Sonnenlichtes, weshalb diese die Erde eher abkühlen.

Während die derzeitige Klimaerwärmung zweifelslos auch menschengemachte Ursache zurückzuführen ist, sind Klimaänderungen in der Erdgeschichte etwas völlig Normales. Auch diese weisen komplexe, noch nicht genau verstandenen Dynamiken auf, wo die Schwankung der sogenannten Erdbahnparameter oder die Verdunkelung der Atmosphäre durch Vulkanausbrüche eine entscheidende Rolle spielen.

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• Temperatur im Tagesverlauf

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• ​Beurteilung der Temperaturfaktoren