Treibhausgase sind etwas Gutes, denn sie bewirken eine mittlere Erdtemperatur von 14°C. Ohne Treibhauseffekt wäre die Erde eine Eiskugel mit -19°C.
Für den Treibhauseffekt ist die Rückstrahlung von Wärmeenergie (333 W/m2) der Atmosphäre verantwortlich. Welchen Anteil an der Rückstrahlung haben die Treibhausgase?
Anteil der Treibhausgase an der Atmosphäre
Die Atmosphäre besteht zu 99% aus Stickstoff und Sauerstoff. Kohlendioxid hat einen winzigen Anteil von 0,04 %. Wie kann ein so geringer Anteil maßgebend für die globale Erderwärmung sein? Stickstoff und Sauerstoff müssten rein mengenmäßig einen viel größeren Einfluss haben.
Wirksame Moleküle
Wie funktioniert der für den Klimawandel wirksame Rückstrahleffekt? Physikalisch sind dafür Quanteneffekte verantwortlich. Die Infrarotstrahlung, die von der Erde abgestrahlt wird, ist niederenergetisch. Nur Moleküle, die durch niedrige Energien angeregt werden können, sind aktiv. Stickstoff und Sauerstoff sind das nicht.
(Hinkende) analoge Vorstellung: Eine Orgelpfeife, die für einen hellen Pfeifton gebaut ist, gibt kein Brummen von sich. Das würde sich auch beim Aufbau vieler hochtönender Orgelpfeifen nicht ändern.
Nur drei- oder mehratomige Moleküle wie die Treibhausgase Wasserdampf (H2O – 3 atomig), Kohlendioxid (CO2 – 3 atomig) oder Methan (CH4 – 5 atomig) sprechen auf Infrarotstrahlung an – sie können niederenergetisch angeregt werden. Andere Moleküle brauchen hingegen hohe Energiepotentiale.
Schwingungs-Anregungen von Molekülen
Angeregte Moleküle der Treibhausgase führen je nach Energieniveau verschiedene Schwingungen aus, dazu zählen so genannte Streck- und Biegeschwingungen. Jede Schwingungsart benötigt eine bestimmte Anregungsenergie.
Die asymmetrische Streckschwingung des Kohlendioxids hat eine Wellenlänge von 4,26 10-6 m .
Dies entspricht nach den Gesetzen der Quantenphysik einer Anregungsenergie von:
Das Maximum der von der Erde abgestrahlte Wärmeenergie liegt bei 0,25 eV.
Genau bei diesem Maximum absorbiert CO2 durch eine asymmetrische Streckschwingung Energie, seine Moleküle werden maximal angeregt. Die hauptsächlich für den Treibhauseffekt verantwortliche CO2-Bande liegt bei 15 10-6 m (entspricht ca. 20°C).
Nach der Quantenphysik fällt das CO2-Molekül nach einer gewissen Zeit wieder in seinen Grundzustand zurück und strahlt die aufgenommene Energie wieder ab – Teile davon ins All. Der Rest wird zur Erde zurückgestrahlt.
Nach diesem Mechanismus heizen die Treibhausgase die Erde auf. Auch Moleküle anderer Treibhausgase sind für Wärmeenergie empfindlich und wirken analog.
Energieaufnahme der Treibhausgase
Die Abbildung zeigt das gesamte elektromagnetische Spektrum. Nur ein winziger Teil ist sichtbares Licht. Auf die Erde fällt vor allem UV- und sichtbares Licht. Die Erde strahlt hingegen im infraroten Bereich ab.
Im Diagramm sind die Energieaufnahmebereiche (Absorptionsbanden) der wichtigsten Treibhausgase eingezeichnet. In der Zeile mit dem CO2 ist die Absorptionsbande bei 4,26 10-6 m zu sehen (Pfeil). Infrarot mit dieser Wellenlänge wird durch CO2 vollständig aufgenommen. Die anderen Treibstoffgase wirken in anderen Wellenlängenbereichen.
Das wichtigste Treibhausgas ist Wasserdampf. Er absorbiert fast über den ganzen Wellenlängenbereich.
Wasserdampf entsteht bei der Verdunstung von Wasser. Je wärmer die Meere und das Land sind, um so mehr Wasserdampf entsteht.
Die unterste Zeile zeigt das Verhalten der Atmosphäre insgesamt. Die Treibhausgase bestimmen das Verhalten.
Lediglich elektromagnetische Strahlen mit Absorption nahe Null gehen ungehindert durch die Atmosphäre und verlieren sich im Universum. Diese Bereiche werden auch als atmosphärische Fenster bezeichnet.
Es ist unmöglich, die Schönheiten der Naturgesetze angemessen zu vermitteln, wenn jemand die Mathematik nicht versteht. Ich bedaure das, aber es ist wohl so.
Richard feynman
Welche Treibhausgase haben welche Wirkung?
Im Gegensatz zu anderen Gasen ändert Wasserdampf in der Atmosphäre seinen Aggregatzustand. Wird es kälter schlägt er sich als Tau, Nebel, Schnee, Hagel oder Regen nieder – Wasser kommt in der Natur in allen Aggregatzuständen, fest, flüssig und gasförmig vor. Die Verweildauer der Wolken in der Atmosphäre ist kurz.
Bei den üblichen Temperaturen und Drücken auf der Erde ändern die anderen Treibhausgase ihren Aggregatzustand nicht – sie bleiben (immer) gasförmig.
Der Überschuss an Kohlendioxid, den die Menschheit produziert, wird bis 2.000 Jahre in der Atmosphäre verweilen – die heutigen Versäumnisse büßen die Generationen der Zukunft. Distickoxid verweilt über 100 Jahre. Distickoxid und Methan sind viel wirksamer als CO2 – allerdings in wesentlich geringerer Konzentration vorhanden.
Sind die Treibhausgase in der Atmosphäre alle menschlichen Ursprungs?
Nein, nicht die Gesamtheit der Treibhausgase ist menschlichen Ursprungs.
Die Atmosphäre enthält einen natürlichen Anteil Treibhausgase – ohne sie wäre die Erde eine Eiskugel. Wasserdampf kommt in der Natur in großen Mengen vor. Erhöht sich die Erdtemperatur, entsteht mehr Wasserdampf, was den Vorgang anheizt – ein Verstärkungseffekt. Eine Verdopplung von CO2 führt wegen diesem Mitkopplungseffekt zu einem globalen Temperaturanstieg von 4°C.
CO2 wird von Pflanzen und Tieren aufgenommen, durch Atmung abgegeben. CFC-Gase – höchst schädliche Treibhausgase – dagegen sind künstlich erzeugt.
Einen Teil der vom Menschen emittierten Gase kann die Erde über Pflanzen, Ozeane und Verwitterungsprozesse aufnehmen – aber eben nur einen Teil. Der andere Teil dieses CO2 reichert sich in der Erdatmosphäre an und verbleibt dort lange Zeit. In fossilen Brennstoffen ist Kohlenstoff eingelagert. In Autos, Lastkraftwagen, Kohlekraftwerken, industriellen Prozessen oder Hausheizungen wird dieser Kohlenstoff freigesetzt. Der Kohlenstoffkreislauf der Erde verliert sein Gleichgewicht. Da Erdsystem strebt nach einem neuen Gleichgewicht – die Folge – globaler Temperaturanstieg und Klimawandel.
Satellitenmessungen beweisen den Treibhauseffekt
Beobachtungssatelliten der NASA und des ESA messen die zeitliche und räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzkomponenten und ihre Mittelwerte und beweisen den Treibhauseffekt.
Die Abbildung zeigt die über Satelliten gemessene langwellige Abstrahlung der Atmosphäre.