Treibhauseffekt
Der Treibhauseffekt bewirkt umgangssprachlich die Erwärmung eines Planeten durch Treibhausgase und Wasserdampf in der Atmosphäre.
Ursprünglich wurde der Begriff verwendet um den Effekt zu beschreiben, dass hinter Glasscheiben und dadurch im Innenraum eines verglasten Gewächshauses die Temperaturen ansteigen, solange die Sonne darauf scheint. Mit Hilfe dieser Wärme können Pflanzen vorzeitig austreiben, blühen und fruchten. Der Effekt im Gewächshaus wird auch spezifisch benannt durch den Begriff Glashauseffekt.
Heute fasst man den Begriff viel weiter und bezeichnet den atmosphärischen Wärmestau der von der Sonne beschienenen Erde als atmosphärischen Treibhauseffekt, da die beiden Situationen physikalisch vergleichbar sind. In diesem Sinne ist der Treibhauseffekt 1896 von Svante Arrhenius entdeckt und beziffert worden.
Der durch menschliche Eingriffe entstandene Anteil am atmosphärischen Treibhauseffekt wird anthropogener Treibhauseffekt genannt. Oft ist mit dem Begriff Treibhauseffekt verkürzt gleichzeitig die globale Erwärmung gemeint.
Physikalisches Grundprinzip
Der Treibhauseffekt tritt auf, wenn die Durchlässigkeits- und Absorptionskoeffizienten der Begrenzungen eines Volumens wellenlängenabhängig sind. Dazu muss der Hauptteil der inneren Strahlung im eingeschlossenen Volumen entsprechend der Temperatur von den Begrenzungen absorbiert (hauptsächlich) oder reflektiert werden. 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 und diese stärkere Erwärmung breitet sich über das ganze Volumen aus. Eine Gasfüllung des Volumens ist dazu nicht notwendig, stört aber auch nicht und sorgt in ihm durch Konvektion für eine einheitliche Temperatur.
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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 Sonnenlicht einfällt und von den Materialien des Innenraums absorbiert wird. Dadurch kann sich der Innenraum deutlich über das Niveau der Umgebungstemperatur aufheizen. Von den aufgeheizten Wandflächen erwärmt sich über Wärmeleitung und Konvektion die Luft im Innenraum. Da bei einem geschlossenen Glashaus nur wenig erwärmte Luft durch kalte Außenluft ersetzt wird, ist der Kühlungseffekt durch kalte Außenluft nicht groß. Zuweilen wird der Glashauseffekt nach den großen, architektonisch stilvollen Gewächshäusern von Botanischen Gärten und Schlossparks -den Orangerieen- auch Orangerieeffekt genannt.
Selektive Transparenz
Fensterglas ist transparent für sichtbares Licht und kurzwelliges Infrarot, wie es von der Sonne abgestrahlt wird. Für langwelliges Infrarot (dem Bereich der Wärmestrahlung bei den Glashaustemperaturen) ist es fast undurchlässig. Diese Wellenlängenabhängigkeit der Transparenz ist entscheidend für die Glashauswirkung (dass das Fensterglas auch für UV-Licht fast undurchlässig ist, spielt in diesem Zusammenhang keine Rolle). Das durch verglaste Fensteröffnungen oder Dächer eindringende Sonnenlicht wird von den Materialien des Innenraumes absorbiert und heizt diese auf. Diesen Effekt kennt man von Fahrzeugen, die im Sommer lange in der Sonne gestanden haben. Die Materialien im Inneren des Gewächshauses, z.B. der Boden, werden durch die eintreffende Sonnenstrahlung erwärmt und heizen wiederum über Wärmeleitung und insbesondere Konvektion die umgebende Luft des Innenraums. Da das Gewächshaus wegen der selektiven Transparenz strahlungsmäßig rundum weitgehend geschlossen ist, kann die Wärme strahlungsmäßig den Innenraum nicht verlassen und er heizt sich auf, d.h. im Gewächshaus steigt die Temperatur in Relation zur Umgebung. Wird auch eine Lüftung weitgehend unterbunden, entfällt auch eine Wärmeabfuhr durch die Lüftung, so dass die Temperatur im Innenraum weitgehend durch das Strahlungsgleichgewicht bestimmt wird. Ohne Luft wäre die Temperatur sogar noch etwas höher, da dann das Strahlungsgleichgewicht noch mehr die Temperatur bestimmen würde.
Die gesteuerte Lüftung über Dachluken wird in Gewächshäusern ausgenutzt, um insbesondere tagsüber in heißen Sommermonaten überschüssige Wärmeenergie abzuleiten und somit im Inneren ein verträgliches Temperaturniveau (unter 40 °C) zu halten. Nachts kann es hingegen auch im Sommer recht kühl werden (sternklarer Himmel bewirkt große Abstrahlungsverluste in den Weltraum). Hält man nachts die Luken geschlossen, verhindert dies stärkere Auskühlung und bewirkt somit insgesamt ein gleichmäßig warmes Mikroklima im Gewächshaus.
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 die Luft des Hauses erwärmt wird. Insbesondere so genannte 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.
Auch Sonnenkollektoren nutzen diesen Effekt. Hier kann die selektive Transparenz des Glases mit selektiver Absorption des Kollektors ergänzt werden, um dessen Wärmeabstrahlung zu verringern. Bei Vakuumkollektoren wird auch die Konvektion zwischen Glas und Kollektor unterbunden.
Atmosphärischer Treibhauseffekt
Treibhausgase
In der Erdatmosphäre bewirken Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Methan 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 absorbieren und emittieren.
| Treibhausgase | Beitrag an der Erhöhung in °C | Beitrag an der Erhöhung in % |
| Kohlenstoffdioxid CO2 | 7,2 | 21,8 |
| Wasserdampf H2O | 20,6 | 62 |
| Distickstoffmonoxid N2O | 1,4 | 4,2 |
| Methan CH4 | 0,8 | 2,4 |
| FCKW | 0,7 | 2,1 |
| Ozon O3 | 2,4 | 7,3 |
| Summen | 33,1 | 99,8 |
| (Nicht berücksichtigt ist der Treibhauseffekt von Ammoniak und der senkende Effekt von Schwefeldioxid) | ||
Die Sonnenenergie, die die Erde erreicht, wird durch Wolken, Luft und Boden (vor allem Eis und Schnee, siehe Albedo) zu 30 % wieder in den Weltraum reflektiert. Die restlichen 70 % werden absorbiert. Würde kein natürlicher Treibhauseffekt wirken, würde die durchschnittliche Temperatur der Erdoberfläche und damit die der bodennahen Lufttemperatur bei -18°C statt bei +15°C liegen.
Aus der Tatsache, daß sich die Temperatur der Erde nur langsam ändert, folgt zwingend, daß die Erde die absorbierte Sonnenenergie wieder abgibt - aber wegen der niedrigen Erdtemperatur wird die Energie als langwellige Infrarotstrahlung emittiert. (Für Experten: Da sich unsere Erde, ähnlich wie unsere Sonne auch, wie ein schwarzer Strahler verhält, aber eine Oberfächentemperatur von lediglich 15°C aufweist, liegt das Maximum der abgestrahlten Energie nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz im Bereich der Infrarotstrahlung.)
Entsprechend der Temperatur strahlt die Erdoberfläche eine Energie ab, deren Größe etwa 185 % der von der Sonne eingestrahlten Energie ist. Die Differenz zwischen der Ausstrahlung von 185 % und der Solareinstrahlung von 100 % geschieht durch die Einstrahlung von den Treibhausgasen.
Ein Teil der abgestrahlten Energie (ca. 8 %, d.h. 15 % auf die Solarenergie bezogen) liegt in den Wellenlängenbereichen, für die die Erdatmosphäre durchlässig ist, d.h. es werden ca. 15 % der absorbierten Solarenergie direkt in den Weltraum abgestrahlt. Der Rest der abgestrahlten Energie wird von den Treibhausgasen absorbiert. Das sind 92 % der insgesamt abgestrahlten Energie oder 170 % bezogen auf die Solarenergie. Die Treibhausgase können die absorbierte Energie auf zwei unterschiedlichen Wegen wieder abgeben.
- Der größte Anteil der aufgenommenen Energie wird durch Stöße mit anderen Molekülen an diese abgegeben. Dadurch wird insgesamt noch keine Energie abgestrahlt, sondern nur die Temperatur des Gases erhöht.
- Mit steigender Temperatur der Treibhausgase erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die von den Molekülen durch Strahlungsabsorption direkt oder durch Stöße aufgenommene Energie nicht durch weitere Stöße weitergereicht wird, sondern abgestrahlt wird. In höheren Luftschichten wird die mittlere Zahl von Stößen zwischen Emission und Absorption geringer, weil die mittlere freie Weglänge sehr lang bzw. die Zeit zwischen zwei Stößen sehr groß ist.
- Die von den Treibhausgasen aufgenommene Energie wird entsprechend der Temperatur in Form von IR-Strahlung im Bereich des Fernen-Infrarots in alle Richtungen (also auch wieder zurück in Richtung Erde) abgegeben. Die Abstrahlung senkt die Temperatur der Treibhausgase. Schließlich stellt sich eine Temperatur ein, bei der Absorption und Emission im Gleichgewicht sind. Dabei ist die Abstrahlung parallel zur Erdoberfläche uninteressant, da diese Strahlung in den Treibhausgasen verbleibt. Interessant ist nur die Abstrahlung in Richtung Erde und in Richtung Weltraum, die etwa gleich groß ist. Damit wird die absorbierte Energie je zur Hälfte in Richtung Erde und die andere Hälfte in Richtung Weltraum abgestrahlt.
- Weiterer Energietransport erfolgt durch Konvektion.
Da die Treibhausgase etwa 170 % der eingestrahlten Solarenergie absorbiert haben, werden die schon erwähnten ca. 85 % in Richtung Erdoberfläche gestrahlt (damit stimmt die Bilanz an der Erdoberfläche) und ca. 85 % in Richtung Weltraum gestrahlt (damit stimmt die Bilanz von Solareinstrahlung und Abstrahlung der Erde insgesamt).
Die Rückstrahlung zur Erde führt zur schon genannten Erwärmung um 33 °C. Damit liegt die durchschnittliche globale Temperatur bei 15 °C.
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. Etwa 62 % des Treibhauseffekts werden durch Wasserdampf verursacht, etwa 22 % durch Kohlendioxid.
Regelmechanismus der Erde
Auch erdgeschichtlich war der Treibhauseffekt von entscheidender Bedeutung. So ist die Leuchtkraft der Sonne seit ihrer Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren um über 30 % angestiegen. Gleichzeitig hat die Konzentration der Treibhausgase - insbesondere von Kohlendioxid und Methan - über einen selbstregulierenden Mechanismus in diesem Zeitraum stark abgenommen. Erhöhte Temperatur bewirkte verstärkte Verwitterung der Erdoberfläche und Ausfällung von Kohlendioxid im Meer in Form von Kalk. Dadurch nahm der Kohlendioxidgehalt ab wodurch die Temperatur sank und Verwitterung und Ausfällung abnahmen und sich die Temperatur in der Folge wieder auf dem alten Wert bei einem niedrigeren Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre einpendelte.
In der Frühzeit des Lebens auf der Erde wurden von Archaeen große Mengen des für den Treibhauseffekt hochwirksamen Gases Methan produziert, welches zusätzlich zum Kohlendioxid entscheidend dazu beitrug, dass es auf der Erde damals trotz erheblich niedriger Sonneneinstrahlung gemäßigt warm war. Als jedoch Cyanobakterien und Algen aufkamen und als Abfallprdukt der Photosynthese Sauerstoff produzierten, wurde das Methan in der Atmosphäre nun zu den weniger klimawirksamen Gasen Kohlendioxid und Wasserdampf oxidiert. Zusätzlich wurde weniger Methan produziert, weil Sauerstoff für das damalige Leben hochgiftig war und die Archaeen dadurch abgetötet wurden. Deswegen kam es mehrmals in der Erdgeschichte - jedesmal wenn die Sauerstoffkonzentration sprunghaft zunahm, zuletzt vor etwas mehr als 500 Millionen Jahren - zu einem globalen Temperatursturz, bei dem die Ozeane der Erde komplett zufroren und somit die heute vom Weltall aus blaue Erde, die damals aufgrund des Methangehalts in der Atmosphäre vom Weltall aus betrachtet eine orange Erde war, zu einem weißen Schneeball wurde. Aufgrund der starken Reflexion des Eises und somit nur geringen Erwärmung des Bodens und der Luft war die Erde nun in einer Art "Kältefalle" gefangen und das Leben kam fast zum Erliegen.
Die Vulkane stießen jedoch nach wie vor Treibhausgase wie Kohlendioxid aus, welche sich nun aufgrund der nicht mehr stattfindenden Verwitterung und Ausfällung im Meer in der Atmosphäre anreicherten. Der Kohlendioxidgehalt stieg dadurch in einem Zeitraum von ca. 10 Millionen Jahren auf extrem hohe Werte solange an bis der Treibhauseffekt stark genug war das Eis zu schmelzen. Infolgedessen absorbierte die nun wieder freigelegte Erdoberfläche wesentlich mehr Sonnenlicht und es folgten einige 10'000 Jahre mit einem globalen Saunaklima. Aufgrund der nun starken Verwitterung und Ausfällung wurde der Kohlendioxidgehalt stark reduziert und gewaltige Kalkablagerungen innerhalb kürzester Zeit abgelagert, was schlussendlich wieder wie vorher zu einem gemäßigten Klima führte, jedoch mit deutlich reduziertem Methangehalt der Atmosphäre.
Letztendlich sind also zwei abiotische Klimaregulatoren dafür verantwortlich, dass sich das Klima in erdgeschichtlichen Zeiträumen immer wieder trotz veränderter Strahlungsleistung der Sonne und durch das Leben selbst veränderter Umweltbedingungen bei gemäßigten Temperaturen eingependelt hat: Der Vulkanismus und die Plattentektonik als Recycler der Kalkablagerungen und somit als Kohlendioxidproduzenten und die Verwitterung und Ausfällung als Kohlendioxidsenke. Würde bspw. der Vulkanismus aufhören und keine Plattentektonik existieren, wie auf dem Mars, würde dieser Mechanismus nicht mehr funktionieren und das Erdklima sich abkühlen und Leben in der bisherigen Art wäre auf der Erde nicht mehr möglich.
Der Kohlendioxidmechanismus selber hat jedoch eine Grenze, nämlich der Punkt an dem durch die zunehmende Strahlungsleistung der Sonne der Kohlendioxidgehalt im Regelkreislauf der Atmosphäre so gering ist, dass keine Photosynthese mehr möglich ist. Ab dem Punkt sterben zunächst höhere Lebewesen wie Pflanzen und Tiere ab und die Erde kann sich nicht mehr selber regulieren und wird unaufhaltsam durch die immer stärkere Sonnenstrahlung immer wärmer. In ca. 500 bis 800 Millionen Jahren (je nach Modellrechnung), also lange bevor die Sonne zu einem Roten Riesen wird (was erst in ca. 4 Milliarden Jahren der Fall sein wird), wird aufgrund dessen der Kohlendioxidmechanismus der Erde versagen und Leben in der bisherigen Form nicht mehr möglich sein. Diesen dann eintretenden sich rasant selbstverstärkenden Treibhauseffekt kann man bereits heute bei der näher an der Sonne stehenden Venus beobachten.
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 an den (aufgrund verschiedener Ursachen) unterschiedlichen Atmosphären.
Anthropogener Treibhauseffekt
Hauptartikel: Globale Erwärmung
Im Gegensatz zum auf geologischen Zeitskalen ablaufenden natürlichen atmosphärischen Treibhauseffekt mit seinen Regulationsmechanismen läuft der anthropogene Treibhausseffekt in extrem kurzer Zeit ab. Die Veränderung der Konzentration der Treibhausgase in den letzten 100 Jahren (CO2 um 20 %, Methan um 90 % durch Reisanbau, Rinderzucht und Müllfäulnis) führte zu einer Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur um 2 K von 13°C auf 15°C. Damit hat der Mensch einen Anteil von 6 % am gesamten Treibhauseffekt von 33°.
Aus der Analyse von Bohrungen im antarktischen Eis (blaue Kurve) durch das Europäische Projekt für Eiskernbohrung in der Antarktis geht hervor, dass die globale Kohlenstoffdioxidkonzentration in den letzten 650'000 Jahren nie 290 ppm (parts per million, Teile pro Million) überschritten hat. Während den Eiszeiten war sie mit 180 ppm niedriger als während der Warmzeiten. Mit Beginn der Industrialisierung stieg die Konzentration exponentiell an. Der rote Kurvenabschnitt ergibt sich aus kontinuierlichen Messungen der Messstation Mauna Loa auf Hawaii seit 1958. Im Jahre 2002 betrug der Mittelwert bereits 375 ppm, die jährliche Zuwachsrate 1,5 ppm. Gegenwärtig erreicht der Mittelwert 381 ppm.
Die jahreszeitlichen Schwankungen spiegeln die Vegetationsperiode der Nordhalbkugel wider: Von April bis September wird durch die Photosynthese CO2 verbraucht. Von Oktober bis März, wenn die Photosyntheserate stark herabgesetzt ist, steigt der CO2-Gehalt aufgrund der jetzt überwiegenden Zellatmung und anthropogener Verbrennungsprozesse an.
Die Amplitude des Jahresganges hängt vom Standort der Mess-Station ab:
- Zugspitze (2650 m): 11,4 ppm. Hier liegt die Mess-Station oberhalb der Vegetationszone.
- Schauinsland (1200 m): 14,0 ppm. diese Mess-Station wird stärker von anthropogenen CO2-Quellen beeinflusst.
- Hawaii: 5,9 ppm.
Von der klaren Mehrheit der Wissenschaftler 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 weitere globale Erwärmung und damit einen Klimawandel bewirken, beziehungsweise dass dieser schon eingetreten ist und sich weiter auswirken wird. Begründet wird der anthropogene Treibhauseffekt mit dem Anstieg der Treibhausgase auf das Doppelte des vorindustriellen Niveaus, wie es auch im IPCC-Bericht angegeben ist. Die Empfindlichkeit des Klimas auf CO2-Änderungen wird als Klimasensitivität bezeichnet. Diese Klimasensitivität liegt bei den verschiedenen globalen Klimamodellen bei 1.5°C bis 4.5°C, wobei die meisten Modelle ca. 3°C für einen 2*CO2-Wert berechnen. Die Ergebnisse der Klimamodelle zeigen auch die Zunahme von Wetterextremen, den Anstieg des Meeresspiegels und Veränderungen an der Eisbedeckung der Erde. Da viele der in den Modellen prognostizierten Ereignisse gleichzeitig auch beobachtet werden konnten, dienen diese Erscheinungen auch als Belege für den anthropogen Treibhauseffekt.
Der anthropogene Treibhauseffekt ist nicht zu verwechseln mit der nach neuesten Forschungsergebnissen ebenfalls vom Menschen verursachten Schädigung der stratosphärischen Ozonschicht, die zum so genannten Ozonloch führt.
Siehe auch
Literatur
Aufsätze
- C.-D. Schönwiese: Der anthropogene Treibhauseffekt in Konkurrenz zu natürlichen Klimaänderungen. Geowissenschaften 13(5/6), S. 207 ff. (1995), ISSN 0933-0704
- J. Lelieveld: Der anthropogene Treibhauseffekt - was ist das eigentlich? Gas Wasser Wärme 50(9), S. 273 ff. (1996), ISSN 0016-5018
- Tillmann Buttschardt: Klimaänderung - Was weiß die Wissenschaft? Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung 17(3), S. 166 - 170 (2005), ISSN 0934-3504
- Christian-D. Schönwiese: Globaler und regionaler Klimawandel - Indizien der Vergangenheit, Modelle der Zukunft. Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung 17(3), S. 171 - 175 (2005), ISSN 0934-3504
- Robert Adler: Early farmers warmed climate, in: New Scientist 2425 (Dezember 2003). online
Bücher
- Ulrich Cubasch, Dieter Kasang: Anthropogener Klimawandel. Klett-Perthes Verlag, Stuttgart 2000, ISBN 3-6230-0856-7
- Gerd R. Weber: Treibhauseffekt - Klimakatastrophe oder Medienpsychose? Dr. Böttiger Verlags-GmbH, Wiesbaden 1992, ISBN 3-925725-14-8
- Peter Fabian: Leben im Treibhaus. Springer Verlag, Berlin 2002, ISBN 3-540-43361-9
- Eike Roth: "Globale Umweltprobleme - Ursachen und Lösungsansätze", Friedmann Verlag München 2004, ISBN 3-933431-31-X (verständlich geschrieben, Diskussion der Argumente für und gegen einen anthropogen verursachten Treibhauseffekt)
