Treibhauseffekt

70 bis 75 % des rot markierten, kurzwelligen Strahlungsanteils gelangen durch die Atmosphäre bis auf die Erdoberfläche, die sich dadurch aufheizt und wiederum Infrarotstrahlung aussendet (blau markiert), deren Abstrahlung ins All aber von Treibhausgasen behindert wird. Eingezeichnet sind drei Wellenlängenbereiche von Infrarotstrahlung, wie sie von Objekten mit auf der Erdoberfläche üblichen Temperaturen emittiert wird; violett (+37 °C), blau und schwarz (-63 °C) die Grafiken darunter zeigen, welche Treibhausgase welche Teile des Spektrums filtern

Der Treibhauseffekt ist die namensgebende Wirkung von Treibhausgasen in Atmosphären auf die Temperatur am Boden. Dadurch stellen sich auf Planetenoberflächen höhere Temperaturen ein, als sich ohne Treibhauseffekt einstellen würden. Der Effekt entsteht dadurch, dass die Atmosphäre weitgehend transparent für die von der Sonne ankommende kurzwellige Strahlung ist, jedoch wenig transparent für die langwellige Infrarotstrahlung ist, die von der warmen Erdoberfläche und von der erwärmten Luft emittiert wird. Das wichtigste Treibhausgas der Erde ist Wasserdampf.

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

Der durch menschliche Eingriffe bewirkte Anteil am atmosphärischen Treibhauseffekt wird anthropogener Treibhauseffekt genannt, siehe hierzu globale Erwärmung.

Anders als der Name suggeriert, basiert die Erwärmung eines Treibhauses durch einfallende Sonnenstrahlen nicht auf dem Treibhauseffekt. Der hier zugrundeliegende Effekt heißt Glashauseffekt. Oft wird für beide Effekte dieselbe Bezeichnung verwendet, im englischen Sprachraum ist fast durchgehend der Begriff Greenhouse effect gebräuchlich.

Physikalische Grundlagen

Vergleiche mit Daten anderer Planeten und Berechnungen zeigen, dass es nicht nur 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. 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 –20 °C  wurde tatsächlich etwa 440 °C gemessen. In beiden Fällen gibt es eine Ursache: Den Treibhauseffekt. Ein Rechenbeispiel für einen in mehrerlei Hinsicht idealisierten Planeten findet sich im Artikel Idealisiertes Treibhausmodell.

Einzelheiten des Mechanismus

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

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 Wellenlängen der Photonen des Sonnenlichtes liegen um 500 nm, das entspricht grünem Licht, wobei die Summe der sichtbaren Sonnenstrahlen meistens als weißes Licht empfunden wird. 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 10.000 nm liegen (Infrarotstrahlung). Der Grund für diese Vergrößerung der Wellenlänge heißt wiensches Verschiebungsgesetz: Wenn die (absolute) Temperatur auf 1/20 sinkt (hier von etwa 6.000 K, Sonne, auf etwa 300 K, Erde), 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“).

Gesetzmäßigkeiten

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 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

Gewächshaus

Die Erwärmung eines Treibhauses durch einfallende Sonnenstrahlen basiert nicht auf dem Treibhauseffekt, sondern auf dem Glashauseffekt. Dennoch werden die Begriffe oft synonym verwendet.

Als Glashauseffekt (abgeleitet aus dem Französischen von effet de serre, wie er zuerst von Joseph Fourier genannt wurde) wird der Effekt bezeichnet, wenn in einem Innenraum durch verglaste Fensteröffnungen oder Dächer Sonnenlicht einfällt und von den Materialien des Innenraums absorbiert wird, die sich und die Innenraumluft dadurch deutlich über das Niveau der Umgebungstemperatur aufheizen. Die aufgeheizten Boden- und Wandflächen erwärmen also über Wärmeleitung und Konvektion die Luft im Innenraum. Da in einem geschlossenen Glashaus fast kein Austausch zwischen der erwärmten Innenraumluft und der kühleren Außenluft stattfindet, wird die Strahlungswärme der Sonne nicht in die Atmosphäre abgeführt, wie es außerhalb des Glashauses der Fall ist. Zuweilen wird der Glashauseffekt nach den großen, architektonisch stilvollen Gewächshäusern von botanischen Gärten und Schlossparks – den Orangerien – auch Orangerieeffekt genannt.

Neben der Nutzung des Effekts in Unterglaskulturen und Treibhäusern wird über die passive Sonnennutzung auch in der Architektur Heizenergie eingespart. Durch eine Südausrichtung großer Glasfronten und Wintergärten wird die Baumasse des Gebäudes durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Insbesondere bei gut gedämmten Niedrigenergie- und Passivhäusern ist mittags sogar eine Verschattung der Glasflächen nötig, um die Gebäude nicht überhitzen zu lassen. Auch in einem in der Sonne geparkten Auto lässt sich dieses Phänomen erfahren.

Selektive Transparenz

Gewöhnliches 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. R. W. Wood verglich 1909 die Erwärmung zweier pechschwarzer Pappschachteln unter Sonneneinstrahlung. Eine Pappschachtel war mit Fensterglas, die andere mit Steinsalz abgedeckt. Ein Thermometer maß die Lufttemperatur. Steinsalz lässt im Gegensatz zu Glas auch langwellige Infrarotstrahlung passieren. Es ergab sich ein Temperaturunterschied von einem Grad Celsius bei einer Maximaltemperatur von etwa 55 °C. Wood schloss daraus, dass die Unterdrückung der Wärmeabgabe durch das Blockieren der Wärmeabstrahlung durch das Glas vorhanden ist, aber eine untergeordnetere Rolle spielt, und der wesentliche Anteil der Erwärmung in einem Glashaus aufgrund der Unterdrückung der Wärmeabgabe durch Konvektion zustande kommt.^[2] Die Erwärmung des Gewächshauses beruht demnach hauptsächlich darauf, dass die einfallende Solarstrahlung den Raum erwärmt und die Wärmeabgabe durch Luftaustausch mit der Außenluft verhindert wird.^[3][4] Wood weist am Ende seiner Veröffentlichung darauf hin, dass seine Arbeit nur sehr oberflächlich ist und allenfalls Mutmaßungen zulässt und dass er die Problematik zum Treibhauseffekt bei Planeten nicht untersucht hat.^[2]

Die Strahlungsbilanz hängt von der Differenz der 4. Potenz der Temperaturen ab. Je größer der Temperaturunterschied, desto bedeutender wird die Strahlungskomponente. Durch die Wahl der Verglasung kann man diesen Umstand gezielt ausnutzen, zum Beispiel durch einen IR-absorbierenden Sandwich-Aufbau des Glases.^[5]

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

Atmosphärischer Treibhauseffekt

Treibhausgase

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. Da sich die Erde aktuell nicht im thermischen Gleichgewicht befindet und sie sich durch die infolge menschlicher Aktivität erhöhte Konzentration von Treibhausgasen aufheizt, steht der Einstrahlung in Höhe von 341,3 W/m² eine Abstrahlung von 340,4 W/m² gegenüber

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. Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre trägt ca. 9–26 % zum Treibhauseffekt bei, Methan ca. 4–9 %, und Ozon ca. 3–7 %.^[6][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).^[6]

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.

Energiebilanz

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. Je nach Erdentfernung und Sonnenaktivität schwankt dieser zwischen 1325 W/m² und 1420 W/m²; in der Grafik rechts wurde mit einer Solarkonstanten von 1365,2 W/m² gerechnet.

Sogenannte Energiebilanzen werden mit einem Mittelwert der Einstrahlung auf die Erdoberfläche gerechnet: Die Erde erhält Solarstrahlung auf der Fläche des Erdquerschnitts $ \pi R^{2} $ und hat eine Oberfläche von $ 4\pi R^{2} $. Diese beiden Flächen haben ein Verhältnis von 1:4. Das heißt, wenn 1365,2 W/m² auf die Erde einstrahlen und in Erd-Oberflächentemperatur umgesetzt würden, könnte die Erdoberfläche durchschnittlich 341,3 W/m² auch wieder abstrahlen. 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 102 W/m². Die restlichen 70 % werden absorbiert (78 W/m² von der Atmosphäre, 161 W/m² vom Boden) – das sind zusammen 239 W/m². Würde der Erdboden nur von einer Strahlung in Höhe von 239 W/m² bestrahlt, so würde die Erdoberfläche im Mittel eine Temperatur von etwa -18 °C annehmen, wenn sich die Wärme gleichmäßig über die Erde verteilen würde.

Denn nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz gilt:

P=AσT⁴, mit P=Leistung in Watt, A= Fläche in m²,σ=Stefan-Boltzmann-Konstante. Die Erde hat ein Albedo von 0,3, d.h. 30 % der einfallenden Strahlung wird reflektiert. Die wirksame Strahlung P_W ist also (1-0,3)*P und die Gleichung für das Strahlungsgleichgewicht der Erde ohne Atmosphäre wird zu:

(1-0,3)*P=AσT⁴. Umgestellt nach T ergibt sich $ T={\sqrt[{4}]{\frac {0,7*P}{\sigma A}}} $ und mit den Parametern des Planeten Erde: $ {\sqrt[{4}]{\frac {0,7*342W}{\sigma *m^{2}}}} $ = 254,9 K = -18 °C.

Aber es gibt eine weitere Bestrahlung durch die aufgeheizten Treibhausgase mit 333 W/m², die so genannte atmosphärische Gegenstrahlung. Damit absorbiert die Erdoberfläche insgesamt 161 W/m²+333 W/m²=494 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 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 40 W/m² direkt von der Erdoberfläche in den Weltraum gestrahlt werden. Die restlichen 199 W/m² werden teilweise durch Strahlung an die für diesen Wellenlängenanteil undurchsichtige Atmosphäre (verursacht durch die Treibhausgase) durch Emission abgegeben; durch Konvektion werden 17 W/m² in obere Luftschichten verbracht, wo diese Energie dann abgestrahlt wird; durch Evapotranspiration werden 80 W/m² abgegeben. Die Atmosphäre hat zwei Oberflächen: eine zum Weltraum hin und eine zur Erde hin. Die Abstrahlung aus der Atmosphäre ist auf jeder Seite gleich groß, wenn die Temperatur der Erde konstant ist. Eine Energie von 338 W/m² wird also auf jeder Seite der Atmosphäre zur Hälfte – also jeweils 169 W/m² abgestrahlt. Zum Vergleich: Ein schwarzer Körper mit einer Abstrahlung von 150 W/m² hat etwa eine Temperatur von −40 °C. Ist die Abstrahlung in eine Richtung größer als in der anderen, kommt es zur Erwärmung bzw. Abkühlung der Erde. Der Unterschied ist der Strahlungsantrieb. Mit dieser Größe kann einfach die aus der geänderten Bilanz resultierende, neue Gleichgewichtstemperatur der Erde errechnet werden.

Verteilung des Wasserdampfs in der Erdatmosphäre. Der kondensierbare Wasserdampf einer Luftsäule wird in cm angegeben

Durch die Abstrahlung in den Weltraum von der Atmosphäre mit 169 W/m², die Abstrahlung der Wolken mit 30 W/m², den 40 W/m² von der Erdoberfläche und dem Albedo-Anteil von 102 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.^[8]

Probleme haben manche mit der Energie, die die Treibhausgase in Richtung Erdoberfläche abstrahlen (169 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. Dies erklärt die durchschnittlich gemessene globale Temperatur von 14 °C statt der theoretisch berechneten Gleichgewichtstemperatur ohne Atmosphäre von −18 °C.

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

• 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 Kohlenstoffdioxid.

Temperaturverlauf der Atmosphäre als Funktion der Druckhöhe (Erdoberfläche = 1,013 bar) – die Tropopause wird am besten mit einem Isentropenexponenten 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.

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

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

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.

Geschwindigkeit

Im Gegensatz zu den auf geologischen Zeitskalen stattfindenden natürlichen Klimaveränderungen läuft der anthropogene Klimawandel, der in erster Linie auf einer Erhöhung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration beruht, in extrem kurzer Zeit ab. Neueren Studien zufolge vollzieht sich die gegenwärtig zu beobachtende Erwärmung rascher als alle bekannten Erwärmungsphasen der letzten 66 Millionen Jahre.^[11] Die globale Erwärmung von der letzten Eiszeit zur heutigen Warmzeit war eine Erwärmung um etwa ein Grad pro 1000 Jahre.^[12] Die Erhöhung der Konzentration aller Treibhausgase in den letzten 100 Jahren führte zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um ca. 0,85 Grad.

Mechanismus

Netto-Wärmeabstrahlung von der Erde ins All erfolgt nur zu einem kleineren Teil aus bodennahen Atmosphärenschichten, denn in 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 im Mittel aus einer Höhe von 5,5 km.^[13] Die Strahlungsgleichgewichtstemperatur der Erdoberfläche läge ohne Atmosphäre bei −18 °C. Aus Gründen der Thermodynamik sinkt die Temperatur auf der Erde um 6,5 K/km, wenn man sich nach oben bewegt. Eine Vergrößerung der Treibhausgaskonzentration bewirkt, dass die Schicht, in der die −18 °C Strahlungsgleichgewichtstemperatur herrscht, nach oben wandert. Pro Kilometer Anstieg der Schicht, in der Strahlungsgleichgewicht herrscht, erhöht sich die Temperatur an der Erdoberfläche ebenfalls um 6,5 °C.^[14] Der britische Meteorologe Ernest Gold hatte im Jahr 1908 publiziert, dass zu erwarten sei, dass die Tropopause mit wachsender CO₂-Konzentration durch den dadurch verstärkten Treibhauseffekt höher steigt.^[15] Dies konnte Anfang des 21. Jahrhunderts messtechnisch bestätigt werden.^[16]

Entgegen mancher Darstellung in den Medien ist der Treibhauseffekt bei weitem nicht gesättigt,^[17][18] denn wie bereits beschrieben, erfolgt die Abstrahlung zu großen Teilen nicht bodennah, sondern in mehreren tausend Metern Höhe. Dort ist es erheblich kälter als in Bodennähe. Der Wasserdampfgehalt von Luft ist stark temperaturabhängig, so dass kalte Luft erheblich weniger von diesem Treibhausgas enthalten kann als warme Luft. Eine Erhöhung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid wirkt sich stärker aus, als es Messungen auf Meereshöhe vermuten lassen, denn dort, wo die Energieabstrahlung der Erde ins All hauptsächlich stattfindet, befindet sich kaum Wasserdampf. Die Wirkung des Treibhauseffektes durch Änderung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid würde daher selbst dann zunehmen, wenn auf Meereshöhe keinerlei Absorptionsänderung messbar wäre.^[17][19]

Die Wirkung einer Erhöhung der Treibhausgaskonzentration wurde bereits im Jahr 1901 von Nils Ekholm richtig erkannt. Dieser schrieb: „Strahlung von der Erde ins All geht nicht direkt vom Boden dorthin, sondern von einer Schicht, die sich in beträchtlicher Höhe über dem Boden befindet. Diese Schicht liegt umso höher, je stärker die Kraft ist, mit der Luft die vom Boden emittierte Strahlung absorbieren kann. Mit steigender Höhe sinkt jedoch die Temperatur dieser Schicht. Da kältere Luft weniger Wärme abstrahlen kann, erwärmt sich der Boden umso mehr, je höher sich diese abstrahlende Schicht befindet.“^[17][18]

Literatur

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

• J. Hansen, D. Johnson, A. Lacis, S. Lebedeff, P. Lee, D. Rind, G. Russell: Climate Impact of Increasing Atmospheric Carbon Dioxide. In: Science. Band 213, Nr. 4511, 28. August 1981, S. 957, doi:10.1126/science.213.4511.957 (washington.edu [PDF]). 

Weblinks

Commons: Treibhauseffekt – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Treibhauseffekt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Website des IPCC und dessen Publikationen und Daten u. a. der Vierte Sachstandsbericht (IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007 (AR4)) (englisch)
• Wie funktioniert der Treibhauseffekt? in Rubrik "Kommunikation" des Max-Planck-Instituts für Meteorologie
• populäre Darstellung des Treibhauseffekts (private Seite)
• Modellversuch zur Demonstration des Treibhauseffekts
• Bad Meteorology: The Greenhouse Effect, räumt mit populären Vorstellungen des „Treibhauses“ auf (englisch)
• Stellungnahme der Deutschen Meteorologischen Gesellschaft zu den Grundlagen des Treibhauseffektes; PDF-Datei; Jahr der Veröffentlichung: 1999 (43 kB)
• Webseite klimafakten.de liefert Basiswissen und kontert falsche Behauptungen über den anthropogenen Treibhauseffekt

Vorträge (Youtube, englisch)

• University of Queensland (UQx), Denial101x Making Sense of Climate Science Denial: Vortrag 3.3.1.1: The greenhouse effect
• University of Queensland (UQx), Denial101x Making Sense of Climate Science Denial: Vortrag 3.3.2.1: Increasing greenhouse effect
• David Archer: Lecture 5: The greenhouse effect

Einzelnachweise