Treibhauseffekt
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, da die beiden Situationen physikalisch sehr ähnlich sind. Der Effekt im Gewächshaus wird auch spezifisch benannt durch 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.
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 den Temperaturen von den Begrenzungen reflektiert oder (hauptsächlich) absorbiert werden. 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 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.
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 absorbiert und zum Rest des Innenraums als Wärmeenergie verteilt wird, was zur Erwärmung des gesamten Innenraumes und nicht nur der getroffenen Stelle führt. Dabei hat auch die Innenseite der Glasflächen fast die Temperatur des Innenraums.
Zuweilen wird er nach den großen, architektonisch stilvollen Gewächshäusern von Botanischen Gärten und Schlossparks -den Orangerieen- auch Orangerieeffekt genannt.
Oft wird die Unterbindung der Luftkonvektion und -advektion als Ursache für den Treibhauseffekt genannt, was aber falsch ist: Ein geschlossener Innenraum aus undurchsichtigem Material zeigt keinen Treibhauseffekt, obwohl auch darin die Konvektion unterbunden ist, außerdem kann auch im Glashaus durch Ventilatoren usw. eine heftige Konvektion erzeugt werden - am Treibhauseffekt ändert sich dadurch nichts.
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 (der reflektierte Teil des Lichts verlässt das Treibhaus wieder) und in Wärmeenergie umgewandelt. Die aufgeheizten Materialien senden dadurch entsprechend dem Stefan-Boltzmann-Gesetz eine verstärkte langwellige Wärmestrahlung aus. Aufgrund der geringen Durchlässigkeit von Glas für fernes Infrarot steigt dadurch auch die Temperatur der Innenseiten der Glasflächen des Raumes und damit die gesamte Raumtemperatur so lange an, bis die steigenden Wärmeverluste über die Raumbegrenzungsflächen ebenso hoch sind wie die zusätzlich eingestrahlte Energie. Dabei ist der steigende Wärmeverlust zum geringsten Teil ein zusätzlicher Strahlungsverlust.
Fälschlich wird manchmal eine verminderte Konvektion für den Treibhauseffekt verantwortlich gemacht, denn wenn man die (relativ kleinen) Dachluken eines Treibhauses öffnet, sinkt innerhalb kurzer Zeit die Temperatur sehr deutlich. Grund: die entweichende warme Luft nimmt viel Wärme mit - deshalb nimmt der Wärmeverlust stark zu. Wenn ohne Sonne im Glashaus ein Ofen aufgestellt wird, wird beim Öffnen von Luken auch die entweichende warme Luft die Temperatur im geheizten Raum senken, ohne dass jemand bei geschlossenen Luken sagt, dass die behinderte Konvektion die Ursache der Raumerwärmung wäre. Den Effekt der Abkühlung kann man auch erreichen, wenn man die Wärmedämmung der Begrenzungsflächen stark reduziert (beispielsweise sehr dünnes Glas oder Kühlung der Außenseite der Begrenzungsflächen). Dagegen erhöht eine Vergrößerung der Wärmedämmung - ohne dass sich an den Konvektionsverhältnissen etwas ändert - die erreichte Temperaturerhöhung.
Die gesteuerte Lüftung über Dachluken wird in Gewächshäusern auch 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 Gewächshäus.
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.
Atmosphärischer Treibhauseffekt
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 reflektieren oder einfangen und zurückstrahlen. Im Unterschied zum Glashaus ist die Temperatur der Treibhausgase sehr niedrig: etwa -40°C.
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 diese absorbierte Energie als Infrarotstrahlung wieder in den Weltraum abgestrahlt, würde die Temperatur der Erdoberfläche (und damit die bodennahe Lufttemperatur) bei -18°C liegen.
Es werden aber nur 15 % der absorbierten Energie wieder in den Weltraum direkt abgestrahlt. Die Erde strahlt aber nicht nur die restlichen 85 % ab, sondern sogar fast das Doppelte (ca. 170 %). Diese 170 % werden von der Atmosphäre absorbiert und erwärmen diese auf etwa -40 °C. Die erwärmte Atmosphäre (auf -40 °C) strahlt diese Energie als Infrarot-Strahlung in etwa gleichen Teilen sowohl wieder zur Erdoberfläche als auch in den Weltraum. Die Rückstrahlung zur Erde führt zu einer Erwärmung um 33 K. Damit liegt die durchschnittliche globale Temperatur bei 15 °C. Verantwortlich für Absorption und Abstrahlung sind die sogenannten Treibhausgase.
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 66 % des Treibhauseffekts werden durch Wasserdampf verursacht, etwa 29 % durch Kohlendioxid.
| Treibhausgase | Beitrag an der Erhöhung in °C | Beitrag an der Erhöhung in % | anthropoger Beitrag an der Erhöhung in °C | anthropogener Anteil am Treibhauseffekt in % |
| Kohlenstoffdioxid CO2 | 7,2 | 21,8 | 0,66 | 50 |
| Wasserdampf H2O | 20,6 | 62 | 0,28 | 3 |
| Distickstoffoxid N2O | 1,4 | 4,2 | 0,56 | 5 |
| Methan CH4, | 0,8 | 2,4 | 0,12 | 13 |
| FCKW | 0,7 | 2,1 | 0,23 | 22 |
| Ozon O3 | 2,4 | 7,3 | 0,17 | 7 |
| Summen | 33,1 | 99,8 | 2,02 | 100 |
(Nicht berücksichtigt ist der Treibhauseffekt von Ammoniak und der senkende Effekt von Schwefeldioxid)
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 - in diesem Zeitraum stark abgenommen. Diese beiden gegenläufigen Effekte haben für ein weitgehend ausgeglichenes Klima über mehrere Milliarden Jahre gesorgt und damit eine der Grundvoraussetzungen für die Entstehung des Lebens geschaffen. So hätten die Temperaturen ohne diesen Effekt noch vor 2 Milliarden Jahren unter dem Gefrierpunkt gelegen. Möglicherweise haben dazu zusätzlich auch astronomische Einflüsse beigetragen.
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
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 Temperaturerhöhung um 2 K. Damit hat der Mensch einen Anteil von 6 % am Treibhauseffekt. Das würde auch bedeuten, dass ohne den Menschen die globale Temperatur bei 13 °C läge.
Aus der Analyse von Bohrungen im antarktischen Eis (blaue Kurve) geht hervor, dass die globale Kohlenstoffdioxid-Konzentration in den letzten 400.000 Jahren nie 290 ml/m³ überschritten hat. Während der Eiszeiten war sie mit 180 ml/m³ niedriger als während der Warmzeiten. Mit Beginn der Industrialisierung stieg die Konzentration exponentiell an. Der rote Kurvenabschnitt ergibt sich aus kontinuierlichen Messungen der Station Mauna Loa auf Hawaii seit 1958:
Im Jahre 2002 beträgt der Mittelwert bereits 375 ml/m³, die jährliche Zuwachsrate 1,5 ml/m³.
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 ml/m³. Hier liegt die Mess-Station oberhalb der Vegetationszone.
- Schauinsland (1200 m): 14,0 ml/m³. diese Mess-Station wird stärker von anthropogenen CO2-Quellen beeinflusst.
- Hawaii: 5,9 ml/m³.
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 globale Erwärmung und damit einen Klimawandel bewirken, beziehungsweise, dass dies schon eingetreten ist und sich weiter auswirken wird. Dafür werden auch Ergebnisse über die Zunahme von Wetterextremen, den Anstieg des Meeresspiegels und Veränderungen an der Eisbedeckung der Erde als Beleg genannt.
Diese wird von so genannten Klimakritikern bestritten, deren Anteil unter den Wissenschaftlern in den letzten Jahren aber deutlich gesunken ist.
Der anthropogene Treibhauseffekt ist nicht zu verwechseln mit der nach neuesten Forschungsergebnissen ebenfalls vom Menschen verursachten Schädigung der stratosphärischen Ozonschicht, mehr dazu im Artikel Ozonloch.