Treibhauseffekt

Begriffserklärung

Der Treibhauseffekt bewirkt, dass hinter Glasscheiben und dadurch im Innenraum eines verglasten Gewächshauses die Temperaturen ansteigen, solange die Sonne darauf scheint. Mithilfe dieser Wärme können Pflanzen vorzeitig austreiben, blühen und fruchten. Heute fasst man den Begriff jedoch viel weiter und bezeichnet davon abgeleitet den atmosphärischen Wärmestau der von der Sonne beschienenen Erde als atmosphärischen Treibhauseffekt, obwohl die beiden Situationen physikalisch sehr unterschiedlich sind. Um den Effekt im Gewächshaus spezifisch zu benennen verwendet man dafür heute deswegen auch den Begriff Glashauseffekt. Der durch menschliche Eingriffe vermutete Anteil am atmosphärischen Treibhauseffekt wird anthropogener Treibhauseffekt genannt. Zumeist ist jedoch verkürzt mit dem Begriff Treibhauseffekt der anthropogene Treibhauseffekt gemeint.

Glashauseffekt

Als Glashauseffekt (abgeleitet aus dem Französischen von effet de serre, wie er zuerst von Jean Baptiste Joseph Fourier genannt wurde) wird der Treibhauseffekt dann bezeichnet, wenn in einem Innenraum durch verglaste Fensteröffnungen oder Dächer Strahlungsenergie des Sonnenlichts eingefangen und verzögert als Wärmeenergie abgegeben wird, was zur Erwärmung des Innenraumes führt. Zuweilen wird er nach den großen, architektonisch stilvollen Gewächshäusern von Botanischen Gärten und Schlossparks -den Orangerieen- auch Orangerieeffekt genannt.

Der Glashauseffekt wird durch zwei physikalische Mechanismen, die geringe Durchlässigkeit von Glas für Infrarotstrahlung und die Unterbindung der Luftkonvektion und -advektion verursacht, wobei die Unterbindung der Luftkonvektion/advektion der bei weitem dominante Mechanismus ist:

Selektive Transparenz

Fensterglas ist für sichtbares Licht und nahes Infrarot transparent, hingegen für fernes Infrarot (langwellige Wärmestrahlung) (und auch UV-Strahlung) fast undurchlässig. Das durch verglaste Fensteröffnungen oder Dächer eindringende Sonnenlicht wird von den Materialien des Innenraumes absorbiert und in Wärmenergie umgewandelt. Die aufgeheizten Materialien senden dadurch verzögert langwellige Wärmestrahlung aus. Aufgrund der geringen Durchlässigkeit von Glas für fernes Infrarot steigt im Inneren des Raumes die Temperatur so lange an, bis die geringere Durchlässigkeit des Glases durch die mit steigender Temperatur ebenfalls steigende Infrarotstrahlung des Raumes kompensiert wird bis wieder bei höherer Raumtemperatur Energiegleichgewicht zwischen der durch das Glas eingestrahlten und ausgestrahlten Strahlungsenergie herrscht.

Verhinderte Konvektion/Advektion

Im Gegensatz zum weiter unten beschriebenen atmosphärischen Treibhauseffekt ist beim Glashauseffekt die Hauptursache der abgegrenzten Erwärmung aber nicht -wie vielfach verbreitet- die obengenannte erschwerte Abstrahlung von niederfrequenter Wärmestrahlung. Vielmehr wird die lokale Erwärmung durch den unterbundenen Austausch der lokal erwärmten Luft mit kälterer Umgebungsluft hervorgerufen. Windstöße können somit die erwärmte Luft nicht wegtragen und vor allem kann die warme Luft, welche eine geringere Dichte als kalte Luft hat und somit eine Auftriebskraft erfährt, nicht nach oben entweichen, da das Glas sie daran hindert. Somit herrscht im Glashaus eine höhere Temperatur als außerhalb. Der Effekt des Aufsteigens warmer Luft wird Konvektion genannt und verhindert normalweise in der freien Natur große vertikale Temperaturgradienten wie im Glashaus.

Nutzung

Der Effekt wird seit langem in Unterglaskulturen/Treibhäusern genutzt. Außer in Gewächshäusern wird der Glashauseffekt auch als passive Sonnennutzung in der Architektur gezielt eingesetzt um Brennstoff zum Heizen von Wohnräumen zu sparen. Dies wird durch eine Südausrichtung der großen Glasfronten und/oder Wintergärten des Gebäudes erreicht über die Luft des Hauses erwärmt wird. Insbesondere sogenannte Niedrigenergiehäuser und Passivhäuser nutzen diesen Effekt zur drastischen Reduktion des Einsatzes einer zusätzlichen Heizung. Besonders intensiv lässt sich dieses Phänomen in einem in der Sonne geparkten Auto beobachten/erfühlen.

Atmosphärischer Treibhauseffekt

In der Erdatmosphäre bewirken Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Methan einen Treibhauseffekt, der entscheidenden Einfluss auf das Klima hat. Der dominante physikalische Prozess ist hier jedoch im Gegensatz zum weiter oben dargestellten Glashauseffekt die erschwerte Abstrahlung von Infrarotstrahlen. Die Rolle des Glases wird hier von den genannten Treibhausgasen übernommen, die durchgängig für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung sind und langwellige Wärmestrahlung hingegen reflektieren oder einfangen und zurückstrahlen.

Der Anteil an dem Einfangen 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.

Ohne die Gesamtheit der Treibhausgase in der Atmosphäre würde sich, gestützt auf einfache Strahlungstransfermodelle, auf der Erdoberfläche (genauer dem Oberrand der Atmosphäre) ein Temperaturgleichgewicht von -18 °C einstellen. Bei dieser Oberflächentemperatur wäre Einfang von Sonneneinstrahlung and Abgang von Wärmestrahlung gleich, wobei eine unveränderte Reflexion der einkommenden Sonnenstrahlung durch die Erdoberfläche (Albedo) vorausgesetzt wird.

Durch die Wirkung der natürlichen Treibhausgase beträgt die globale Oberflächentemperatur im Durchschnitt etwa +15 °C. Dabei werden etwa 66 % dieses natürlichen Treibhauseffekts durch Wasserdampf und etwa 29 % durch Kohlendioxid verursacht.

Die Bedeutung des globalen Treibhauseffektes kann man auch an den extrem unterschiedlichen Niveaus der Oberflächentemperatur der Planeten Venus, Erde und Mars ablesen. Diese Temperaturunterschiede hängen nicht nur von deren Entfernung von der Sonne ab sondern vor allem von deren unterschiedlichen Atmosphären.

Anthropogener Treibhauseffekt

Häufig wird die Hypothese vertreten, die vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre, der so genannte anthropogene Treibhauseffekt, werde in den nächsten Jahrzehnten und Jahrhunderten eine globale Erwärmung und damit einen Klimawandel bewirken, beziehungsweise, dass dies schon eingetreten ist und sich weiter auswirken wird. Dieses wird aber von sogenannten Klimakritikern bestritten.

Der anthropogen Treibhauseffekt ist nicht zu verwechseln mit der nach neusten Forschungsergebnissen ebenfalls vom Menschen verursachten Schädigung der stratosphärischen Ozonschicht, siehe dazu das so genannte.