Mario Sedlak
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Die Sonne wärmt uns.

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Aber auch die Atmosphäre wärmt ein wenig.

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Nebel

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Dichter Wald

Treibhauseffekt

Das Prinzip des Treibhauseffekts ist einfach zu erklären. Du hast es wahrscheinlich schon unzählige Male gehört:

  • Sonnenlicht gelangt relativ ungehindert bis zur Erdoberfläche und heizt diese auf.
  • Die Wärmestrahlung der Oberfläche wird jedoch durch Treibhausgase (insb. Kohlendioxid) am Entweichen in das Weltall gehindert.

Die Temperatur der Erde ohne Treibhauseffekt lässt sich leicht ausrechnen, indem man die von der Erde absorbierte Sonnenenergie gleich der ins All abgegebenen Wärmestrahlung setzt. Über das Plancksche Strahlungsgesetz erhält man dann die Temperatur, die die Erde im Durchschnitt haben muss: –18°C. Tatsächlich sind es jedoch +14°C.

Grund für die Diskrepanz ist die Erdatmosphäre, die die Erdoberfläche zusätzlich wärmt. Wolken und Treibhausgase senden in alle Richtungen eine Wärmestrahlung. Ein Teil kommt auf der Erdoberfläche an und ist dort als atmosphärische Gegenstrahlung messbar.

Man kann den Treibhauseffekt auch fühlen: In klaren Nächten ist es kälter als in bedeckten oder trüben. Gegenstände wie z. B. Autos können dann sogar kälter als die Luft werden.

Vergleiche

Der Treibhauseffekt funktioniert wie eine wärmende Decke. So wie ein Mensch mit und ohne Decke die gleiche Leistung von z. B. 100 W abgibt, behält auch die Erde, vom Weltall aus gesehen, ihre Durchschnittstemperatur von –18°C, selbst wenn es durch den menschgemachten Klimawandel unter der stärker werdenden "Decke" immer wärmer wird.

"Decke" ist allerdings missverständlich, da sich die Treibhausgase nicht in bestimmten Schichten ansammeln. Vielmehr ist ein Nebel ein passenderer Vergleich. Könnten wir Wärmestrahlung sehen, würden wir die Luft als leuchtenden Nebel wahrnehmen. Wenn mehr Treibhausgase in der Luft sind, dann

  • wird der Nebel dichter
  • reduziert sich die "Sichtweite"
  • kommt die atmosphärische Gegenstrahlung im Mittel aus einem näheren Gebiet
  • ist die atmosphärische Gegenstrahlung stärker, weil es in der Nähe i. A. wärmer ist
  • kühlt die Erdoberfläche weniger aus

Vom Weltall aus betrachtet, sieht man aufgrund des "Nebels" nur bis in eine bestimmte Höhe. Das ist ganz ähnlich, wie wir eine rund 5500°C heiße Sonne sehen, obwohl in deren Innerem viele Millionen Grad herrschen und die Sonne als reine Gaskugel keine Oberfläche hat. Ein anderer Vergleich ist ein Wald, wo die Baumstämme die freie Sicht begrenzen. Je dichter die Bäume stehen, desto weniger weit sieht man.

Wenn die Konzentration von Treibhausgasen in der Erdatmosphäre steigt, bedeutet das, dass die Wärmeabstrahlung in den Weltraum effektiv in einer größeren Höhe erfolgt. Dort ist es i. A. kühler bzw. wird es kühler, weil weniger Wärmestrahlung von der Erdoberfläche bis nach oben gelangt.

Wellenlängenbereiche[1]
(circa)
Sonne 0,2–5 µm
Maximum 0,5–0,9 µm
Erde 4–100 µm
Maximum 1018 µm

Ankommende und abgegebene Strahlung unterscheiden sich in der Wellenlänge (mit einer geringen Überlappung). Die Grenzen sind fließend, aber ca. 99% der Energie sind in den angegebenen Bereichen enthalten.

Filter durch Treibhausgase[2] Höhe
(Circa-Angaben)
Wasserdampf 5–7 µm 8–10 km
Methan, Lachgas 7–8 µm 0–5 km
kein Filter 8–9 µm
Ozon 9–10 µm 50–55 km
kein Filter 10–13 µm
Kohlendioxid 13–17 µm 10–12 km
Wasserdampf >17 µm 8–10 km

Haupttreibhausgase und die Höhe, aus der die Wärmestrahlung überwiegend in den Weltraum gelangt (= wo sich der "Nebel" lichtet)

Anteil am (natürlichen) Treibhauseffekt[3]
Wasserdampf 62%
Kohlendioxid 22%
Ozon 7%
Lachgas 4%
Methan 2,5%
FCKWs u. a. 2,5%

Der "Nebel" ist nicht für alle "Farben" dicht: Die Erdoberfläche kann Wärmestrahlung bestimmter Wellenlängen ungehindert in das All abgeben. Auf diese Weise bleibt nach außen hin die Durchschnittstemperatur von –18°C gleich, da die Abkühlung der oberen Atmosphäre durch die stärkere Strahlung der erwärmten Erdoberfläche kompensiert werden kann.

Schlechter Vergleich

Interessanterweise hat der Treibhauseffekt in der Atmosphäre mit den Vorgängen im namensgebenden Treibhaus kaum etwas zu tun: Der Treibhauseffekt im Treibhaus basiert überwiegend auf dem Windschutz und nicht unbedingt auf veränderten Strahlungsbilanzen wie in der Atmosphäre!

Rolle des Wasserdampfes

In der trockenen Sahara-Wüste sind die Nächte besonders kalt, da der wärmende Wasserdampf fehlt; die Wärmestrahlung der Erdoberfläche kann zum großen Teil direkt ins Universum entweichen. Wasserdampf verursacht auf der Erde einen stärkeren Treibhauseffekt als Kohlendioxid. Dennoch steht Kohlendioxid im Zentrum der Diskussion um den Klimawandel, weil es sich in der Erdatmosphäre immer weiter ansammelt, während der Wasserdampf nur kurz dort verbleibt bzw. in Folge der gestiegenen Temperatur mehr wird. Dieser Effekt ist in den Modellen über den Klimawandel selbstverständlich berücksichtigt.

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Irrtümer über den Treibhauseffekt

Weblinks

Quellen

[1]
  • Helmut Kraus: Die Atmosphäre der Erde. Eine Einführung in die Meteorologie. Berlin: Springer, 3. Aufl. 2004, S. 97
  • Dieter Meschede, Christian Gerthsen: Gerthsen Physik. Berlin: Springer, 23. Aufl. 2006, S. 599
[2]
  • Walter Roedel, Thomas Wagner: Physik unserer Umwelt. Die Atmosphäre. Berlin: Springer, 4. Aufl. 2011, S. 46 und 58
  • Helmut Kraus: Die Atmosphäre der Erde. Eine Einführung in die Meteorologie. Berlin: Springer, 3. Aufl. 2004, S. 104–106
[3]
  • Kondratyev KY, Moskalenko NI (1984): "The role of carbon dioxid and other minor gaseous components and aerosols in the radiation budget" in Houghton JT (Hrsg.): The Global Climate, Cambridge University Press, Cambridge, S. 225–233 laut Walter Roedel, Thomas Wagner: Physik unserer Umwelt. Die Atmosphäre. Berlin: Springer, 4. Aufl. 2011, S. 46f.
  • U. Cubasch, D. Kasang: Anthropogener Klimawandel, Justus Perthes Verlag Gotha
    GmbH, 2000 laut Brigitte Klose: Meteorologie. Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre. Berlin: Springer, 2008, S. 26f.
  • Christian von Savigny: Die Bedeutung des CO2 für Atmosphäre & Klima (PDF, nicht mehr aufrufbar), S. 7