Der Treibhauseffekt

Werden wir ihm seine natürliche, eisige Lebensgrundlage entziehen? Eisbär (Ursus maritimus) im Tierpark Berlin. Foto: Bildungsexplosion

Auf der Erde wird es wärmer. Der Weltklimarat der Vereinten Nationen (IPCC) hielt 2013 fest, dass sich die Temperatur der bodennahen Luft zwischen 1880 und 2012 im globalen Durchschnitt um 0,85° C erhöht hat. Die 30 Jahre von 1983 bis 2012 waren auf der Nordhalbkugel die wärmste Periode seit 1400 Jahren. Besonders deutlich können die Folgen des Klimawandels am grönländische Eisschild beobachtet werden, das zwischen 2000 und 2009 ungefähr 1500 Milliarden Tonnen seiner Masse verlor.
Der IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change, was man auf deutsch etwas unhandlich mit Zwischenstaatlicher Ausschuss über Klimaveränderung übersetzen müsste), benannte  die Verursacher dieser globalen Erwärmung eindeutig: „Die Aktivitäten des Menschen sind mit großer Sicherheit die Hauptursache des aktuellen Klimawandels.“ Und weiter heißt es in dem Bericht von 2013: „Hauptursache der Erwärmung ist die Freisetzung von Treibhausgasen, insbesondere von Kohlendioxid“.

Für den Treibhauseffekt werden neben Kohlendioxid  (Sie können dieses Gas korrekter auch als Kohlenstoffdioxid oder mit seine chemischen Formel CO2 bezeichen) auch Wasserdampf, Methan und einige andere Gase verantwortlich gemacht.  Zusammen mit weiteren Faktoren wie etwa der Kontinentaldrift beeinflusste  dieses natürliche Klimaphänomen die Temperatur auf der Erde schon lange bevor Homo erectus vor nicht einmal einer Million Jahren begann, das Feuer für seine Zwecke zu nutzen.

Auch wenn er daher seinen Namen hat - mit einem Gewächshaus für Tomaten hat der atmosphärische Treibhauseffekt nur wenig gemein. Fensterglas ist transparent für sichtbares Licht und kurzwelliges Infrarotlicht, wie es von der Sonne abgestrahlt wird. Boden, Pflanzen und Luft im Inneren eines Treibhauses werden durch Absorption (von lateinisch absorptio, Aufsaugung) dieser Strahlung erwärmt. Die Fensterscheiben verhindern den Abtransport der Wärmeenergie durch Konvektion (von lateinisch convectum, mitgetragen). Die Erwärmung des Gewächshauses beruht also hauptsächlich darauf, dass der Luftaustausch mit der äußeren Umgebung unterbunden wird.
Allerdings dürfte auch die Tatsache eine Rolle spielen, dass die gläserne Eindeckung für längerwellige Wärmestrahlung weitgehend undurchlässig ist - und hier liegt doch eine gewisse Ähnlichkeit zu den Vorgängen in der Atmosphäre.

 

Der natürliche Treibhauseffekt. Tatsächlich verdanken wir das überwiegend wohnliche Klima unseres Planeten der Tatsache, dass die Sonne ihre Energie als kurzwellige Strahlung zu uns schickt. Diese durchdringt kaum behindert die gasförmige Hülle der Erde. Die entgegengesetzte irdische Abstrahlung dagegen ist langwelliger und wird teilweise in der Atmosphäre festgehalten.

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Je heißer ein Körper ist, desto kurzwelliger ist im Mittel die elektromagnetische Strahlung, die er aussendet (Plancksches Strahlungsgesetz). Die Sonne ist an ihrer Oberfläche etwa 5700° C heiß. Natürlich strahlt sie auch längerwellige Wärme und sehr kurzwellige Strahlen wie ultraviolettes Licht und Röntgenstrahlung ab. Ihr Strahlungsmaximum liegt aber mit 500 Nanometern im Bereich des sichtbaren Lichtes. Die Sonnenstrahlen erreichen jeden Quadratmeter der äußeren, atmosphärischen Erdoberfläche mit einer Leistung von 342 Watt.  Auf ihrem Weg in Richtung Erdboden wechselwirken sie aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge kaum mit den Molekülen in der Gashülle des Planeten.
Schließlich treffen sie aber auf Oberflächen, wo sie reflektiert oder absorbiert werden. Wird elektromagnetische Strahlung reflektiert, wie beispielsweise Licht in einem Spiegel, ändert sie nur ihre Richtung, behält aber sowohl ihre Wellenlänge als auch ihren Energiegehalt bei (Reflexion: von lateinisch reflectere, zurückbeugen). Etwa 30 Prozent des eintreffenden Sonnenlichtes wird an Wolken und Oberflächen, wie etwa dem Eis an Polkappen und Gebirgen, reflektiert und nimmt seine Energie wieder mit in den Weltraum (linke Seite, Abbildung).

Die übrige Strahlung wird von Wolken, Boden und den großen irdischen Wassermassen absorbiert. (Die Wolken können also beides: Teile der Sonnenstrahlung werden reflektiert und Teile absorbiert). Bei der Absorption regt die Strahlung die Moleküle auf die sie trifft zum Schwingen an und bringt sie dazu, selber zu strahlen. Das Meerwasser, der Boden und die Dinge darauf geben also ihrerseits Strahlung ab (rote Pfeile in der mitte der Abbildung). Da die Oberflächentemperatur der Erde im Durchschnitt nur 15°C beträgt, ist ihr Strahlungsmaximum viel langwelliger als das der Sonne. Unser Planet gibt daher überwiegend Wärmestrahlung ab. Auf ihrem Weg in Richtung Weltraum treffen diese Wellen auf die atmosphärischen Moleküle. Das sind vor allem Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan aber auch andere Gase wie Ozon (O3) und Lachgas (N2O). Diese Treibhausgase absorbieren die Wärmestrahlung, geraten dabei in Schwingung, und werden ebenfalls zu Strahlungsquellen. Natürlich strahlen sie in jede Richtung, auch in den Weltraum. Einen Teil der aufgenommenen Energie geben die Treibhausgase wieder in Richtung Erdboden ab (rote Pfeile ganz rechts in der Abbildung). Diese Gegenstrahlung ist die wichtigste Komponente des natürlichen Treibhauseffektes. Ohne sie wäre es im Mittel auf der Erde nicht angenehme 15°, sondern für uns Menschen unerträgliche -18° C kalt.

Der Treibhauseffekt findet in der gesamten Atmosphäre, vom Boden bis zu einer Höhe von 15 Kilometer statt. Die Gashülle ist übrigens für das Sonnenlicht nicht völlig durchlässig. Etwa 20 Prozent der solaren Strahlung werden vor allem in den Wolken (sozusagen von oben kommend) absorbiert und dann als Wärmestrahlung in alle Richtungen - also auch zu uns am Boden – abgegeben. Eine wärmeundurchdringliche Fläche, wie die Glasscheibe eines Treibhauses, gibt es über unseren Köpfen nicht.

Wie gesagt, der natürliche Treibhauseffekt ist lebensnotwendig. Aber als der Mensch vor etwa 150 Jahren begann, den Anteil von Methan und Kohlendioxid in der Atmosphäre zu erhöhen, drehte er am irdischen Thermostat. Dieser Teil der Klimaveränderung wird antropogener Treibhauseffekt genannt (anthropogen: von altgriechisch ánthropos, Mensch, mit dem Verbalstamm gen- , entstehen).

 

Die Treibhausgase. Mehr Treibhausgase bedeuten mehr Gegenstrahlung und deswegen wird es wärmer. Methan (CH4) stammt unter anderem aus Fermentationsprozessen im Magen von wiederkäuenden Rindern, die wir als Fleisch- und Milchproduzenten in Ställen und auf Wiesen halten. Wenn die Permafrostböden in großen Teilen Nordkanadas, Alaskas, Grönlands und Ostsibiriens als eine Folge des schon stattfindenden Klimawandels auftauen, werden sie eine weitere erhebliche Methanquelle darstellen. So könnte der Treibhauseffekt noch einmal deutlich verstärkt werden.

Auch wenn Methan ein etwa 25-mal stärkeres Treibhausgas als Kohlenstoffdioxid ist, wird CO2 doch für deutlich mehr als die Hälfte des menschengemachten Treibhauseffektes verantwortlich gemacht. Dies liegt an der schieren Menge des Gases, das bei fast allen Verbrennungsvorgängen, wie sie in Kraftwerken, Benzin- und Dieselmotoren, Heizungen oder z.B. der Stahlproduktion vorkommen, freigesetzt wird.

Der weltweite CO2 -Ausstoß aus menschlicher Aktivität beträgt jährlich etwa 30 Gigatonnen und hat dessen Konzentration in der Erdatmosphäre seit Beginn der Industrialisierung um fast 40 Prozent ansteigen lassen. Mit 390 ppm ist die gegenwärtige Konzentration im Jahr 2011 wahrscheinlich höher als in den letzten 20 Mio. Jahren (ppm: englisch parts per million, Teile von einer Million).

 

Als Folge der Verstärkung des Treibhauseffektes rechnet der IPCC mit einer weiteren Erhöhung der mittleren Temperatur auf der Erde. In Abhängigkeit davon, wie stark die Konzentrationen der Treibhausgase zunehmen, dürfte es im Jahr 2100 zwischen einem und fünf Grad wärmer sein als heute.

Unter denjenigen Wissenschaftlern, Journalisten und Politikern die akzeptieren, dass es durch menschliche Einflüsse global wärmer wird, werden die mutmaßlichen Folgen für die Menschen und ihre Umwelt kontrovers diskutiert. Das wichtigste Gremium, in dem über Maßnahmen zum weltweiten Klimaschutz diskutiert wird, ist die jährlich stattfindende UN-Klimakonferenz. Die versammelten Teilnehmer aus 158 Staaten beschlossen 1997 im japanischen Kyoto, ihren Treibhausgasausstoß zu reduzieren. Davon abgesehen, dass die USA dem Kyoto-Abkommen bis heute nicht bindend beigetreten sind, wurden die angekündigten Reduktionsziele von den allermeisten Unterzeichnerstaatenstaaten nicht erreicht.

Literatur

 

Kommentare

Joekrüger
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Das wird weiterhin alles zerquasselt werden.
Ein Kurs im Wundern - mehr nicht.

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