Wie funktioniert der Treibhauseffekt?

1. Elektromagnetische Strahlung

Bekanntlich sendet Materie elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen in Form von Photonen aus (Emission), und zwar um so mehr je wärmer der emittierende Körper ist. So sorgt z.B. die Emission elektromagnetischer Strahlung an der (heissen) Sonnenoberfläche für Energie in Form des sichtbaren Lichtes auf der Erde. Einfallende elektromagnetische Strahlung wird aber auch von Materie verschluckt (Absorption) und trägt dadurch zur Energieerhöhung der Umgebung bei, die sich meist in einer Erwärmung ausdrückt. Das geschieht z.B. mit dem Licht der Sonne in der irdischen Atmosphäre und am Erdboden, was die Voraussetzung für das Leben auf diesem Planeten darstellt.

Bei den Temperaturen des irdischen Klimasystems findet die Emission elektromagnetischer Strahlung durch Erdboden und/oder Atmosphärenbestandteile überwiegend im sogenannten thermischen Bereich des Spektrums (zwischen etwa 3 und 100 µm) statt, weshalb man auch oft von Wärmestrahlung spricht. Da hier die Wellenlängen viel grösser sind als die der energetisch wichtigen Sonnenstrahlung (zwischen etwa 0.4 und 3 µm), kann man diese beiden Strahlungsarten und Spektralbereiche getrennt betrachten, was die Überlegungen zur Strahlungsbilanz erheblich vereinfacht.

Wichtig ist auch, daß Emission und Absorption vor allem bei Gasen sehr stark von der Wellenlänge abhängen können, weshalb oft von Emissionslinien oder -banden (Ansammlungen von Linien) die Rede ist. Insbesondere bei den beiden wichtigen Treibhausgasen Wasserdampf und CO2 finden die wesentlichen Absorptions- und Emissionsvorgänge in solchen Banden statt. Dagegen besitzen gerade die beiden Hauptgase der Atmosphäre Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2) im energetisch wichtigen Bereich des Spektrums keine wesentliche Emission und Absorption.

2. Der Treibhauseffekt

Bei einer Erde ohne Atmosphäre wäre die Oberflächentemperatur ausschließlich durch die Bilanz zwischen eingestrahlter Sonnenenergie und der vom Boden abgestrahlten Wärmestrahlung festgelegt. Bei gleicher Albedo des Planeten wie heute würde diese Oberflächentemperatur im globalen Mittel etwa -18°C betragen. Selbst eine Atmosphäre aus reinem Sauerstoff und Stickstoff, die ja die Hauptkomponenten unserer Atmosphäre (zu ca. 99%) bilden, würde daran nichts wesentliches ändern, da diese Gase die beiden genannten Strahlungsarten nur unwesentlich beeinflussen.

Dagegen absorbieren Wasserdampf und in geringerem Maße auch CO2 (und andere Spurengase) die Sonnenstrahlung zum Teil und geben selbst Wärmestrahlung ab. In Richtung zum Erdboden übertrifft diese zusätzliche Wärmestrahlung aus der Atmosphäre die Reduktion der Sonnenstrahlung und bewirkt so am Erdboden eine höhere Energieeinstrahlung, als dies ohne solche Gase der Fall wäre. Diese vermehrte Einstrahlung führt zu einer Erwärmung des Erdbodens und (infolge verschiedener Transportvorgänge) auch der unteren Atmosphäre.

Diese Erwärmung des Bodens führt aber auch zu einem Ausgleich der Strahlungsbilanz am Atmosphärenoberrand, denn im längerfristigen Mittel muß die Erde ja genau so viel Wärmestrahlung in den Weltraum abgeben, wie sie Strahlung von der Sonne absorbiert. Die vom Erdboden nach oben gestrahlte Energie wird von den atmosphärischen Treibhausgasen (teilweise) auch absorbiert, gelangt also nur zum Teil direkt in den Weltraum. Dafür emittieren die Treibhausgase selbst entsprechend ihrer Temperatur, die aber wegen der Temperaturabnahme mit der Höhe in der Atmosphäre geringer ist als die des Erdbodens. Daher verlässt mit zunehmender Menge an Treibhausgasen bei konstanter Bodentemperatur immer weniger Energie in Form von Wärmestrahlung die Erde in den Weltraum. Durch die erhöhte Bodentemperatur wird dieses Defizit in der Strahlungsbilanz aber wegen der erhöhten Wärmestrahlungsmenge vom Boden wieder ausgeglichen. Für diesen Ausgleich ist vor allem das atmosphärische Strahlungsfenster hilfreich, ein Spektralbereich bei 10 µm Wellenlänge innerhalb dessen die Strahlung von der Oberfläche bei wolkenloser Atmosphäre überwiegend in den Weltraum entweichen kann.

Wegen der Analogie mit den Vorgängen in einem Treibhaus, dessen Glasdach ebenfalls die Sonne gut durchlässt, die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche aber nicht hinauslässt, ist das hier beschriebene Phänomen auch als natürlicher Treibhauseffekt bekannt. Die dafür in der Atmosphäre verantwortlichen Gase werden häufig als Treibhausgase bezeichnet. Bei der Interpretation verschiedener Klimavorgänge ist aber Vorsicht geboten vor der allzu direkten Übertragung des Treibhausbildes. Insbesondere die Vernachlässigung von gleichzeitiger Absorption und Emission von Wärmestrahlung in verschiedenen Höhen der Atmosphäre, bei Argumentation mit einer Glasplatte in fester Höhe, führt hier immer wieder zu Verwirrung. Ausserdem sind natürlich die Verhältnisse in der strömenden Atmosphäre mit Bewölkung viel komplizierter als im Glashaus eines Gärtners.

Werden die natürlich vorhandenen Treibhausgase (z.B. CO2) durch anthropogenen (menschlichen) Einfluss vermehrt oder durch neue Stoffe (z.B. FCKW) ergänzt, so übertrifft die dadurch verursachte zusätzliche Wärmestrahlung aus der Atmosphäre ebenfalls die verstärkte Reduktion von Sonnenstrahlung am Erdboden. Daher erhöht sich auch infolge dieses verstärkten (anthropogenen) Treibhauseffektes die Temperatur des Bodens und der unteren Atmosphäre.

3. Ausmaß des anthropogenen Treibhauseffektes

Um wieviel die wichtigen Treibhausgase die Oberflächentemperatur der Erde anheben, ist nicht einfach zu bestimmen. Jetzt mögliche Messungen der Wärmeabstrahlung in den Weltraum durch Satelliten lassen auf eine Temperaturerhöhung des Bodens durch den natürlichen Treibhauseffekt um etwa 33°C schliessen. Ohne diesen läge die Bodentemperatur im globalen Mittel bei etwa -18°C. Zu dieser lebenserhaltenden Erwärmung trägt Wasserdampf den weitaus grössten Teil, etwa zwei Drittel, bei; es folgen Kohlendioxid (CO2) mit einem Anteil von ca. 15%, Ozon mit etwa 10% und schliesslich Distickstoffoxid (N2O) und Methan (CH4) mit je etwa 3%. Zur genauen Berechnung der Anteile müsste neben der Höhen- und Breitenabhängigkeit aller Gase auch die Wirkung der Bewölkung und der Schwebeteilchen (Aerosole) auf die Sonnen- und Wärmestrahlung bekannt sein.

Die Konzentration der langlebigen Treibhausgase nimmt systematisch zu: seit Beginn der Industrialisierung bis heute bei Kohlendioxid (CO2) um ca. 30%, bei Methan (CH4) um 120% und bei Distickstoffoxid (N2O) um ca. 10%. Hierdurch wird eine langfristige Erwärmung der unteren Atmosphäre und der Erdoberfläche angestossen, deren Ausmass mit der Konzentrationsänderung ansteigt, aber auch stark von der Reaktion des Wasserkreislaufs (Wasserdampf, Bewölkung, Niederschlag, Verdunstung, Schneebedeckung, Meereisausdehnung) bestimmt wird. Der Wasserkreislauf kann sowohl verstärkend wie dämpfend eingreifen, weil viele seiner Zweige stark temperaturabhängig sind. Da die Erwärmung regional und innerhalb eines Jahres unterschiedlich ist und weil die Strahlungsbilanzstörung bei einer Konzentrationsänderung von der Struktur der Atmosphäre, der Jahreszeit und vom Oberflächentyp abhängt, führt ein erhöhter Treibhauseffekt auch zu veränderten Werten des Niederschlags, der Bewölkung, der Meereisausdehnung, der Schneebedeckung und des Meeresspiegels sowie zu anderen Wetterextremen, d.h. im Letzten zu einer globalen Klimaveränderung.

Mehr Informationen zum Treibhauseffekt finden Sie z.B. in:
Bakan, S., E. Raschke, 2002: Der natürliche Treibhauseffekt. Promet 28, Heft 3/ 4, 85-94
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