Treibhauseffekt (einfach)

Um die Wirkung des Treibhauseffekts zu verstehen, muss man die Strahlungsprozesse kennen, die in der Atmosphäre stattfinden.

Strahlungsprozesse

Es handelt sich dabei immer um elektromagnetische Strahlung, die jeder Stoff aussendet. Diese elektromagnetische Strahlung kann man durch die Intensität, also die Stärke der Strahlung, beschreiben, sowie durch ihre Frequenz (bzw. ihre Wellenlänge, die damit zusammenhängt). Im 19. Jahrhundert ging man nämlich davon aus, dass elektromagnetische Strahlung eine Welle ist, bei der elektrische und magnetische Felder schwingen. Diese Schwingung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, aber die Frequenz der Schwingung kann unterschiedlich sein.

Weil alle Gegenstände aufgrund ihrer Temperatur Energie beinhalten, geben sie ständig elektromagnetische Strahlung ab. Einfach aufgebaute Stoffe wie die Luft strahlen nur mit bestimmten Wellenlängen, komplexe Stoffe (wie fast alle Objekte, die einem im Alltag begegnen) strahlen eigentlich mit allen Wellenlängen, allerdings je nach Wellenlänge verschieden viel. Je heißer ein Gegenstand ist, desto stärker strahlt er auch; diese Regel gilt für alle Wellenlängen. Außerdem liegt die stärkste Ausstrahlung immer in einem bestimmten Frequenzbereich (die Frequenz ist im Grunde dieselbe Information wie die Wellenlänge - je kleiner die Wellenlänge, desto höher die Frequenz). Je heißer der Gegenstand ist, desto höher ist die Frequenz, bei der die meiste Strahlung abgegeben wird. Nur ein kleiner Bereich des Spektrums, nämlich die Wellenlängen zwischen 0,4 und 0,76 Mikrometer (Tausendstel Millimeter), ist sichtbar und wird als Licht bezeichnet.

Die Sonne ist so heiß, dass ihre Strahlung im sichtbaren Bereich am stärksten ist (das ist natürlich kein Zufall, sondern das menschliche Auge ist für diesen Bereich empfänglich, weil das nützlich ist). Die Erde ist dagegen viel kälter und gibt die meiste Strahlung zwischen 3 und 100 Mikrometer ab. Deshalb können wir die Strahlung der Erde nicht sehen, die von der Sonne aber schon. Die Art der Strahlung ist aber genau dieselbe, der Unterschied ist nur die Wellenlänge! Eine Möglichkeit, die langwellige Strahlung wahrzunehmen, gibt es aber doch: Man kann sie fühlen, da sie von Gegenständen wie auch der Haut absorbiert (aufgenommen) wird und diese erwärmt. Diese Strahlung ist z.B. der Grund dafür, dass man an einem Lagerfeuer vorne schwitzen und am Rücken frieren kann, denn die Strahlung des Feuers erreicht nur die Vorderseite, während der Rücken abstrahlt und nur die Strahlung des kalten Bodens und des noch kälteren Himmels als Gegenleistung erhält.

Man bezeichnet die langwellige Strahlung, die die Erde abgibt, daher oft als terrestrische (irdische) Strahlung oder Wärmestrahlung. Es wird aber wohl gemerkt keine Wärme transportiert, sondern diese entsteht immer erst bei der Absorption. Die kurzwellige Strahlung kommt dagegen von der heißen Sonne und heißt solare Strahlung.

Der natürliche Treibhausefffekt

Skizze zur Veranschaulichung des Treibhauseffekts. Die solare Strahlung ist in gelb, die terrestrische (von Erde und ihrer Atmosphäre ausgehende) in rot dargestellt. Die meiste Strahlung, die vom Erdboden ausgeht, wird von der Atmosphäre absorbiert und wieder zurückgestrahlt. Der Erdboden ist wegen dieser zusätzlichen Strahlung wärmer und emittiert damit mehr Wärmestrahlung (dargestellt durch dickere Pfeile).

Was hat nun all dies mit dem Treibhauseffekt zu tun? Die Sonne ist der einzige bedeutende Energielieferant für die Erde und ihre Strahlung dringt in die Atmosphäre ein und wird dort gestreut und so verteilt. Bei den meisten Wellenlängen des solaren Bereichs wird aber keine solare Strahlung in der Atmosphäre absorbiert. Erst in Wolken und am Boden wird der Großteil der solaren Strahlung in thermische Energie umgesetzt. Die Erde hat nun aber auch eine bestimmte Temperatur und schickt langwellige, terrestrische Strahlung in den Weltraum zurück. In der Atmosphäre befinden sich aber Bestandteile wie Wasserdampf oder Kohlendioxid, deren Moleküle wie kleine Antennen schwingen und rotieren können. Daher sind sie in der Lage, mit der langwelligen Strahlung zu wechselwirken und diese aufzunehmen. Die Abstrahlung in den Weltraum ist also behindert, weil die terrestrische Strahlung z.T. nicht durchgelassen wird. Zwar strahlen auch die Treibhausgase ab, aber sie befinden sich hoch oben in der Luft und sind daher meistens kälter als der Erdboden, so dass nicht genug Strahlung abgegeben werden kann. Wenn die Einstrahlung stärker als die Ausstrahlung wäre, würde die Erde immer wärmer. Damit Ein- und Ausstrahlung (die Strahlungsbilanz) wieder genau ausgeglichen sind, muss die Erdoberfläche also wärmer sein. Eine wärmere Erde gibt, wie oben erwähnt, mehr Strahlung ab, so dass die Bilanz wieder ausgeglichen ist.

In der Atmosphäre gibt es solche Treibhausgase von Natur aus. Ohne Wasserdampf gäbe es schließlich keinen Regen und ohne Kohlendioxid keine Photosynthese betreibende Pflanzen, also auch kein Leben. Außerdem läge die Temperatur am Erdboden deutlich unter dem Gefrierpunkt.

Vom Menschen gemachter Treibhauseffekt

Der Einfluss des Menschen auf den Treibhauseffekt besteht darin, dass durch Verbrennungen und Abholzungen zusätzliche Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen. Dadurch wird die Absorption der Wärmestrahlung dort verstärkt und noch weniger Strahlung kann direkt in den Weltraum gelangen. Die Erde wird dadurch wärmer. Man spricht auch vom anthropogenen (von Menschen gemachten) Treibhauseffekt; es handelt sich also genau genommen um eine anthropogene Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts.