Der Mensch produziert durch die Verbrennung fossiler Treibstoffe, durch industrialisierte Viehzucht und Ackerbau, durch Verkehr und Industrie, durch beheizte Gebäude und Kraftwerke Treibhausgase – diese führen zum Treibhauseffekt. Dieser ist mit einem Anstieg der globalen Erdtemperatur gekoppelt und beeinflusst die klimatischen Verhältnisse.
Wie funktioniert ein Treib- oder Glashaus?
Über große Glasflächen lässt ein Treibhaus Sonnenlicht ins Innere. Auch bei niedrigen Außentemperaturen reicht in einem Treibhaus die Wärme für die Pflanzen.
Kurzwellige energiereiche Sonnenstrahlung dringt in das Glashaus ein (sichtbares Licht und UV-Strahlung). Es wird durch Pflanzen und den Boden aufgenommen. Diese erwärmen sich und geben Energie in Form von Wärmestrahlung (Infrarot) wieder ab.
Das geschlossene Glashaus verhindert das Entweichen aufsteigender warmer Luft ins Freie. Im Inneren des Glashauses heizt sich die Luft auf. Der Haupteffekt eines Treibhauses ist die Unterdrückung der Konvektion der Luft. Als Nebeneffekt ist das Glas für Wärmestrahlung schwer durchlässig. Es absorbiert Wärmestrahlung und erwärmt sich. Gut wärmeisolierte Scheiben verstärken deshalb den Treibhauseffekt.
Funktioniert der Treibhauseffekt der Erde genauso?
Nein!
Wenn sich die Erde erwärmt strahlt sie Wärme ab. Warme Luft steigt auf. Konvektion findet statt. Der klassische Treibhauseffekt entfällt.
Warum erhitzt sich die Erde? Verhinderte Konvektion ist nicht der Grund!
Der „natürliche“ Treibhauseffekt des Erdsystems
Erdboden und Ozeane absorbieren Sonnenenergie in allen Wellenlängenbereichen. Sonnenstrahlung ist kurzwellig und energiereich. Von der Erde abgegebene Wärmestrahlung liegt im tief infraroten Bereich. Wasserdampf und Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Distickoxid (N2O) haben energetisch anregbare Molekülstrukturen.
Wärmestrahlung der Erde regt Treibhausgase an. DieEnergie geben sie in alle Richtungen wieder ab. Der Strahlungsanteil Richtung Erde wird als Rückstrahlung bezeichnet. Sie ist für den Treibhauseffekt verantwortlich.
Das Diagramm zeigt die selektive Reduktion der Sonnenstrahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen. Eingezeichnet sind Wasserdampfbanden und Ozonbande. Sie geben an in welchen Wellenlängenbereichen Wasser- und Ozonmoleküle Strahlungsenergie aufnehmen.
Ohne Treibhauseffekt wäre die Erde ein kalter unbewohnbarer Ort. Die Temperatur wäre -19°C.
Der natürliche Treibhauseffekt der Erde ist also etwas Gutes. Er bewirkt eine mittlere Bodentemperatur von +14°C. Das ist Ausdruck eines Erdsystems im Gleichgewicht. Mit Beginn des Industriezeitalters stört der Mensch dieses Gleichgewicht zunehmend.
Die Energiebilanz der Erde
Das Diagramm zeigt die Energiebilanz der Erde gemittelt über ein Jahr. Auf der linken Seite ist die solare Einstrahlung von 341 W/m2 zu sehen. Diese teilt sich wie folgt auf:
- 79 W/m2 werden direkt an den Wolken, an Aerosolen und der Atmosphäre zurück in den Weltraum reflektiert.
- Dazu kommt eine am Erdboden direkt zurückreflektierte Strahlungsleistung von 23 W/m2 .
- Das macht in Summe 102 W/m2 und entspricht 30% der Strahlungsleistung.
- 161 W/m2 (47%) nimmt der Erdboden auf, die verbleibenden 78 W/m2 absorbiert die Atmosphäre.
Die rechte Seite des Diagramms zeigt wie der Planet Erde den Strahlungshaushalt durch Abgabe von Infrarotstrahlung ausgleicht:
- 80 W/m2 verdampfen Wasser (vorwiegend aus Ozeanen). Das wird als latente Wärme bezeichnet.
- 17 W/m2 gelangen direkt über aufsteigende Wärme, Konvektion – auch fühlbare Wärme bezeichnet – in die Atmosphäre.
- 396 W/m2 gibt der Erdboden durch Wärmestrahlung ab. Davon wandern 356 W/m2 in die Atmosphäre und 40 W/m2 direkt ins Universum.
- Von der in der Atmosphäre gespeicherte Wärme werden 169 W/m2 und von den Wolken 30 W/m2 ins All abgegeben.
- 333 W/m2 wird als „Gegenstrahlung“ an die Erde zurückgestrahlt und vom Erdboden aufgenommen (Treibhauseffekt).
Der durch den Menschen verstärkte Treibhauseffekt
Energie kann nicht einfach verschwinden. Es muss ein Gleichgewicht der zur Erde eingestrahlten und abgegebenen Energie herrschen. Wird mehr Energie eingestrahlt als abgegeben, erwärmt sich der Planet. Umgekehrt kühlt er ab. Die durch den Menschen verursachten ansteigenden Treibhausgasemissionen erhöhen die Rückstrahlung und lösen Mitkopplungseffekte aus.
Boden und Ozeane werden wärmer. Dadurch erhöht sich die Luftfeuchtigkeit. Mehr Wasserdampf entsteht. Die Rückstrahlung steigt weiter an. Die wachsende Erdtemperatur führt zu Schmelzvorgängen der Gletscher und des Poleises. Schnee und Eis reflektieren mehr Sonnenenergie als der dunkle Boden. Das Energieungleichgewicht nimmt zu weshalb sich die Erdtemperatur weiter erhöht.
Das Diagramm zeigt den Eisverlust der Arktis.
Unser größtes Problem ist, dass wir uns nicht mehr vorstellen, was wir anstellen
Gunther Anders
Treibhauseffekt und wirksame Gase
In der Tabelle werden die wichtigsten Treibhausgase, ihr Anteil und Verweildauer in der Atmosphäre gelistet.
CO2, CH4 und N2O verteilen sich wegen ihrer langen Lebensdauer in den Schichten der Troposphäre und der Stratosphäre gleichmäßig. Die beiden häufigsten in der Atmosphäre vorkommenden Gase Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%) üben keinen Treibhauseffekt aus. Ihre Atome werden nicht angeregt.
Bei einem Festhalten an der Strategie „Weiter wie bisher“ werden die Heißzonen der Erde stark ansteigen. Großräumige Migration und menschliches Elend werden ausgelöst.
Satellitenmessungen zur Energiebilanz der Erde
Beobachtungssatelliten der NASA und des ESA messen die zeitliche und räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzkomponenten und ihre Mittelwerte. So beweisen sie den Treibhauseffekt.
Die Abbildung zeigt beispielsweise die über Satelliten gemessene langwellige Strahlung der Atmosphäre.