Treibhauseffekt
Das Klimasystem der Erde wird durch die Sonneneinstrahlung angetrieben. Die Hälfte der Solarstrahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert, 30 % werden von der Erdoberfläche und der Atmosphäre reflektiert und 20 % von der Atmosphäre absorbiert. Die erwärmte Erdoberfläche sendet langwellige Wärmestrahlen aus, von denen ein großer Teil von Bestandteilen der Atmosphäre (Treibhausgase und Wolken) absorbiert und in alle Richtungen abgestrahlt wird. Der nach unten, Richtung Erdoberfläche, gerichtete Teil dieser Strahlung macht den Treibhauseffekt aus. Er erwärmt die unteren Luftschichten und den Erdboden.
Der natürliche Treibhauseffekt
rechts (b): IR-Spektren der Treibhausgase; dem jeweiligen IR-Spektum sind die Wellenlängenbereiche zu entnehmen, in denen die genannten Treibhausgase die Wärmestrahlung absorbieren. Der Absorptionskoeffizient gibt die Intensität dieser Absorption an.
"Wärmestau" in der unteren Atmosphäre
Von entscheidender klimatischer Bedeutung ist bei den Strahlungsvorgängen in der Atmosphäre, dass die langwellige Wärmestrahlung der erwärmten Erdoberfläche die Atmosphäre größtenteils nicht auf direktem Wege verlässt, sondern von atmosphärischen Spurengasen, den natürlichen Treibhausgasen wie Wasserdampf, Kohlendioxid oder Methan, und Wolken zunächst absorbiert wird. Spurengase und Wolken emittieren dann diese Energie einerseits Richtung Weltraum und strahlen sie andererseits in Richtung Erdoberfläche zurück, die dadurch zusätzlich aufgeheizt wird und wiederum langwellige Strahlung an die Atmosphäre emittiert, die diese wieder Richtung Erdoberfläche abstrahlt usw.
Auf diese Weise entsteht eine Art "Wärmestau" in der unteren Atmosphäre, der - gegenüber dem Fall ohne Treibhausgase - einen Temperaturunterschied von +33 °C bzw. eine Erwärmung von -18 °C auf eine mittlere globale Temperatur von +15 °C bewirkt und damit überhaupt erst Leben auf der Erde ermöglicht.
Strahlungshaushalt
- Hauptartikel: Strahlungshaushalt der Atmosphäre
Die Erdoberfläche erhält durch die Sonneneinstrahlung und den Treibhauseffekt insgesamt eine Energie von 492 W/m2 (168 W/m2 Solarstrahlung + 324 W/m2 atmosphärische Wärmestrahlung) und gibt an die Atmospäre 350 W/m2 als Wärmeausstrahlung (terrestrische Strahlung) wieder ab. Der resultierende Energieüberschuss von 142 W/m2 wird zum einen dadurch ausgeglichen, dass ein geringer Teil der Wärmeausstrahlung (40 W/m2) von den Treibhausgasen nicht absorbiert wird und durch das sogenannte Absorptionsfenster in den Weltraum entweicht. Zum anderen gibt die Erdoberfläche im Mittel etwa 24 W/m2 als fühlbare Wärme und 78 W/m2 als latente Wärme an die Atmosphäre ab. Der Fluss fühlbarer Wärme transportiert Energie vom erwärmten Erdboden durch das Aufsteigen warmer Luft in die untere Atmosphäre. Latente Wärme wird durch Wasserdampf in die Atmosphäre transportiert, indem durch Verdunstung von Wasser der Umgebung zunächst Energie entzogen wird, die dann bei der Kondensation in größerer Höhe wieder frei gesetzt wird (siehe auch Lufttemperatur).
"Treibhauseffekt"
In Anlehnung an das Garten-Treibhaus bezeichnet man den Wärmestau in der unteren Atmosphäre als "Treibhauseffekt". Die Vergleichbarkeit zwischen beiden 'Treibhäusern' ist allerdings begrenzt. Die Glasabdeckung des echten Treibhauses lässt wie die Atmosphäre kurzwellige Sonnenstrahlen weitgehend passieren. Das Innere des Treibhauses wird dadurch erwärmt und emittiert langwellige Wärmestrahlung, die vom Glas ähnlich wie von den Treibhausgasen der Atmosphäre absorbiert wird. Das Glas unterbindet aber im Gegensatz zu den Treibhausgasen der Atmosphäre auch den Luft- und Wasserdampftransport und damit weitgehend den Fluss fühlbarer und latenter Wärme.
Treibhausgase
Die eigentlichen Verursacher des Treibhauseffektes sind Wasserdampf (H2O) und eine Reihe von Spurengasen wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid(N2O), Troposphärisches Ozon (O3) u.a., deren Anteil an der Gesamtmasse der Atmosphäre zusammen weniger als 1% ausmacht. Diese Treibhausgase lassen die kurzwellige Solarstrahlung weitgehend passieren, absorbieren aber die langwellige Wärmestrahlung der Erdoberfläche im Infrarotbereich; sie tun das ab einer Wellenlänge von ca. 3µm. Dabei absorbieren die einzelnen Spurengase in unterschiedlichen Absorptionsbanden, das sind bestimmte Wellenlängenbereiche, in denen die Absorption stark ist. Der Grund liegt darin, dass die Moleküle dieser Gase schwingen und rotieren können. Entspricht die Energie des einfallenden Lichts genau dem Energieunterschied einer ihrer Schwingungen und Rotationen, wird das Licht absorbiert und wieder abgestrahlt. Die Moleküle wirken also wie eine kleine Antenne, die nur auf bestimmte Wellenlängen reagiert (wie ein Radio, das auf einen Sender eingestellt werden muss). Zwischen den Absorptionsbanden (die aus vielen einzelnen Linien bestehen, eine Linie für jede Energie der Schwingungen und Rotationen) befinden sich Wellenlängenbereiche, auf die diese Gase nicht reagieren. Da die Strahlung dort ungehindert passieren kann, heißen diese Bereiche auch "Fenster", nur dass eben Infrarotstrahlung gemeint ist und nicht sichtbare Strahlung, wie sie durch ein tatsächliches Fenster gelangen kann. Ein bedeutendes Fenster in der Atmosphäre liegt etwa zwischen 8 und 12 µm Wellenlänge, nur unterbrochen von einer Ozon-Absorptionsbande bei 9,6 µm.
Das wichtigste natürliche Treibhausgas ist Wasserdampf, das für fast zwei Drittel des natürlichen Treibhauseffekts verantwortlich ist. Es absorbiert in breiten Spektralbereichen um 3 µm, 5 µm und 20 µm nahezu vollständig. In anderen Wellenlängenbereichen wie um 4 µm und um 10 µm lässt es die Infrarotstrahlung aber nahezu vollständig passieren. In diesen Bereichen wirken dagegen die anderen Treibhausgase. So absorbiert das zweitwichtigste natürliche Treibhausgas, das Kohlendioxid, gerade um 4 µm und 15 µm. Ozon, Distickstoffoxid und Methan füllen weitere Lücken des Wellenlängenspektrums (vgl. die IR-Spektren in der obigen Grafik rechts (b) (Datei:Absorption.gif) - In der Literatur findet sich für den eben beschriebenen Effekt relativ häufig die Formulierung, CO2 schließe "das Strahlungsfenster".[1]) Natürlich kommt es auch zu Überlappungen, d.h. Bereichen im Spektrum, wo mehrere Gase gleichzeitig absorbieren. Wenn dies eintritt oder ein Gas schon stark vorhanden ist, kann das dazu führen, dass die Strahlung einer solchen Wellenlänge gar nicht mehr durch die Atmosphäre gelangen kann. Zusätzliche Gase führen dann nicht mehr zu einer stärkeren Absorption. Trotzdem steigt aber der Treibhauseffekt noch etwas, weil an den Rändern der Linien die Absorption noch zunimmt. Die Vorstellung, zusätzliches Kohlendioxid in der Atmosphäre habe wegen dieser "Sättigung" gar keinen Effekt mehr, ist daher falsch.
Der anthropogene Treibhauseffekt
Seit Beginn des Industriezeitalters beeinflusst der Mensch die klimatische Wirksamkeit der Atmosphäre durch einen zusätzlichen Treibhauseffekt. Durch unterschiedliche menschliche Aktivitäten wird einerseits die Konzentration der natürlichen Treibhausgase wie Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid usw. erhöht, andererseits werden mit den FCKWs neue Treibhausgase in die Atmosphäre emittiert. Die Wirksamkeit der anthropogenen Beiträge hängt u.a. davon ab, wie stark die jeweiligen Absorptionsbanden durch die Wirkung der natürlichen Treibhausgase bereits gesättigt sind.
Da eine Temperaturerhöhung auch zu einer höheren Verdunstung führt, erhöht sich durch die menschliche Klimabeeinflussung auch der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Die Temperaturwirksamkeit des zusätzlichen Wasserdampfes ist jedoch relativ gering, da die Absorptionsbanden von Wasserdampf nahezu gesättigt sind. Einen etwas größeren Temperatureffekt hat die Erhöhung des CO2-Gehalts durch die Verbrennung von fossilen Energierohstoffen und Veränderungen in der Landnutzung. Aber auch hier ist die wichtigste Absorptionsbande bei 15 µm weitgehend gesättigt und nur die gewaltige Menge an anthropogener CO2-Zufuhr von ca. 40 Milliarden Tonnen pro Jahr bewirkt, dass CO2 für weit über die Hälfte des anthropogenen Treibhauseffekts verantwortlich ist.
Bei den übrigen anthropogenen Treibhausgasen sind die natürlichen Absorptionsbanden dagegen nur bis zu einem geringen Grad bzw. (bei den FCKWs) gar nicht gesättigt. Außerdem reagieren verschiedene Molekülsorten (also verschiedene Gase) unterschiedlich stark auf die einfallende Strahlung. Ein Molekül von FCWK-12 z.B. absorbiert etwa 23000 Mal stärker als ein Molekül Kohlendioxid. Für die Treibhauswirkung ist aber auch entscheidend, wie viele Moleküle in der Atmosphäre vorhanden sind und wie lange sie dort verbleiben, d.h. wie hoch die "Lebensdauer" des Gases ist. Berechnet man diese Lebensdauer mit ein, so besitzt z.B. ein Kilogramm Methan das 28fache[2] und ein Kilogramm des erwähnten FCKW-12-Moleküls das 10900fache Treibhauspotential eines kg CO2. Man spricht bei diesen Zahlen vom Global Warming Potential (GWP).
Die Verweildauer ergibt sich aus der Menge selbst und aus den Senken, die steuern, wie schnell ein Stoff aus der Atmosphäre wieder entfernt wird. Kohlendioxid wird durch sehr unterschiedliche Prozesse, z.B. durch die Photosynthese der Pflanzen, die Lösung im Ozean oder die Aufnahme im Boden, wieder aus der Atmosphäre entfernt und besitzt daher keine eindeutige mittlere Verweilzeit in der Atmosphäre. Demgegenüber wird etwa die atmosphärische Lebensdauer von Methan fast ausschließlich durch die Oxidation mit OH in der Atmosphäre kontrolliert, woraus ein mittlerer Verbleib in der Atmosphäre von 12 Jahren resultiert. Die lange Verweilzeit von Distickstoffoxid von 114 Jahren erklärt sich daraus, dass dieses Treibhausgas fast nur durch Photolyse in der Stratosphäre entfernt wird.
Im Gegensatz zu den langlebigen Treibhausgasen, die Jahrzehnte und länger in der Atmosphäre verbleiben und daher auch rund um den Globus eine gute Durchmischung aufweisen, beträgt die Lebensdauer des bodennahen Ozons nur wenige Stunden bis Tage. Ozon entsteht durch Photo-Oxidation von Kohlenmonoxid, Methan und anderen Hydrokarbonaten unter Beteiligung von NOx und wird zerstört durch ultraviolette Photolyse und Reaktion mit OH-Radikalen. Seine Konzentration variiert daher stark, sowohl räumlich wie zeitlich. Während die anthropogen bedingte Ozon-Zunahme in der Troposphäre einen (lokalen) Erwärmungseffekt besitzt, wirkt die stratosphärische Ozonzerstörung durch anthropogene FCKW-Emission abkühlend.
Die Emissionsmenge, das relative Treibhauspotential und die atmosphärische Verweilzeit bestimmen den Anteil der einzelnen Gase am gesamten zusätzlichen Treibhauseffekt. Die seit Beginn der Industrialisierung zu beobachtende Zunahme der Konzentration treibhauswirksamer Spurengase führt zu einer Veränderung des Strahlungsgleichgewichts der Atmosphäre und damit zu einem Klimawandel. Die Störung des Strahlungshaushalts bzw. der Strahlungsantrieb (engl. "radiative forcing") durch den anthropogenen Treibhauseffekt seit ca. 1750 wird durch die Veränderung der Nettostrahlungsflussdichte an der Tropopause in Watt pro m2 angegeben. Die langlebigen und gleichmäßig verteilten Treibhausgase haben bis zum Jahr 2017 zu einem Strahlungsantrieb von etwa 3,0 W/m2 seit dem Anfang des Industriezeitalters geführt. Daran ist die Zunahme des Kohlendioxids mit 2,0 W/m2 beteiligt, die von Methan mit 0,5 W/m2, die von Distickstoffoxid mit 0,2 W/m2 und mit 0,2 W/m2 die der halogenierten Kohlenwasserstoffe (FCKW's) und anderer langlebiger Treibhausgase.[3] Der Strahlungsantrieb des troposphärischen Ozons ist wegen der ungleichen Verteilung und der Kurzlebigkeit dieses Treibhausgases nur sehr schwer zu quantifizieren und wird vom Weltklimarat in seinem 5. Sachstandsbericht von 2013 auf 0,4 geschätzt W/m2 geschätzt, wobei die stratosphärische Ozonabnahme durch FCKWs einen Effekt von -0,05 W/m2 besitzt.[4]
Dem anthropogenen Treibhauseffekt entgegen wirkt auch die vom Menschen verursachte Erhöhung der Aerosolkonzentration in der Atmosphäre, die ihre Ursache hauptsächlich in der Verbrennung fossiler Energierohstoffe hat und einer starken räumlichen und zeitlichen Variation unterliegt, da die anthropogen verursachten Aerosole nur für wenige Tage in der Nähe der Entstehungszentren in der Luft schweben und dann wieder absinken oder mit dem Regen ausgewaschen werden. Aerosole sind erstens direkt strahlungsaktiv, indem sie Sonnenlicht reflektieren oder auch absorbieren, und zweitens indirekt, da sie einen Einfluss auf die Wolkenbildung besitzen. Beide Effekte, besonders der letzte, sind schwer abzuschätzen und werden vom IPCC auf zusammen -0,9 W/m2 geschätzt.[5] Gegenüber den anthropogen verursachten Veränderungen der Strahlungsbilanz nimmt sich die Wirkung der Erhöhung der Solarstrahlung auf den Strahlungsantrieb von ca. 0,05 Wm-2 seit 1750 sehr bescheiden aus.[6]
Einzelnachweise
- ↑ Vgl. dazu auch: Elektromagnetisches Spektrum, Strahlungsenergie und Absorption (H. Kehl, TU-Berlin, Inst. f. Ökologie)
- ↑ IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Table 8.7
- ↑ Butler, J.H, and S.A. Montzka (2018): The NOAA Annual Greenhouse Gas Index (AGGI)
- ↑ IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Technical Summary, TS.3.2
- ↑ IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Technical Summary, TS.3.3
- ↑ IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Technical Summary, TS.3.5
Unterricht
- Modellversuch zum Treibhauseffekt Der Versuch weist den Treibhauseffekt von Kohlendioxid nach (ESPERE Klimaenzyklopädie).
Weblinks
- Treibhauseffekt Wikipedia-Artikel
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