Sonntag, 19. Januar 2014

"Treibhausgase" und "Treibhauseffekt"

Wie sieht der Wärmehaushalt unserer Erde aus und was passiert dabei innerhalb der Atmosphäre?

Dieser Frage bin ich aus persönlichem Interesse nachgegangen. Ich habe als Laie versucht, meine Ergebnisse für Nichtwissenschaftler verständlich darzustellen. Mögliche Irrtümer meinerseits bitte ich, mir mitzuteilen und zu diskutieren. Schauen wir uns dazu mal die untenstehende Grafik an:

Vom eingehenden Sonnenlicht werden
  • 77 w/m² von der Atmosphäre reflektiert
  • 78 w/m² von der Atmosphäre absorbiert (diese wird dadurch wärmer)
  • 23 w/m² von der Erdoberfläche reflektiert
  • und 160w/m² von der Erdoberfläche und vom (Land und Wasser) absorbiert, diese wird also wärmer

Die Erdoberfläche gibt diese Wärme im Laufe von Tag und Nacht wieder ab und zwar:
  • 80 w/m² durch Verdunstung
  • 17 w/m² durch Thermik (von der Erdoberfläche erwärmte Luft steigt wieder auf)
  • 40 w/m² emittieren, d.h strahlen als infrarote Wärmestrahlung direkt in den Weltraum
  • und 23 w/m² strahlen in die Atmosphäre und werden dort von Treibhausgasen absorbiert (diese werden wärmer, und durch Kontakt mit den anderen Luftmoleküle auch die Atmosphäre)

Wir sehen hier auch noch andere Wärmeströme, und zwar
  • 396 w/m² von der Erdoberfläche hin zur Atmosphäre, davon durchdringen 40w/m² die Atmosphäre ohne Widerstand durch das sog. atmosphärische Fenster.
  • 333 w/m² von der Atmosphäre hin zur Erdoberfläche
Zieht man von den 396 w/m² die 40 w/m² und die 333 w/m² ab, dann bleiben die o.g. 23 w/m², die von der Atmosphäre absorbiert werden. Warum das so dargestellt wird, und nicht einfach die 23 w/m² genannt werden, dazu die folgende Erklärung.

Die Atmosphäre besteht größtenteils aus Stickstoff- (N2) und Sauerstoffmolekülen (O2), die eine Besonderheit haben: Sie können weder Wärmestrahlung absorbieren (aufnehmen) noch emittieren (abgeben). Deshalb ist Luft ein so guter Isolator.

Weiterhin gibt es aber in der Atmosphäre Spurengase, die das können, nämlich Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Ozon und Distickstoffmonoxid. Sie werden auch Treibhausgase (kurz THG genannt) genannt, weil sie zu einer Erwärmung der Atmosphäre beitragen können. Das hat aber nichts mit den Funktionen eines normalen Gewächshauses zu tun. Sie können aber noch mehr, denn sie kühlen sie auch. Auch wenn der Name nicht ganz stimmt, wollen wir ihn hier verwenden, da er allgemein verwendet wird.

Die Grafik zeigt etwas sehr Vereinfachtes, nämlich die Atmosphäre als Blackbox. Es wird nur beschrieben, was in sie hineingeht (gleich oberhalb der Erdoberfläche) und was aus ihr hinausgeht (und zwar von der A. zur Erdoberfläche und von der A. zum Weltall hin). Was in ihr geschieht, wird dabei nicht beschrieben.

Auf der blauen Erdoberfläche in der Grafik sind auch noch 0,6 bzw. 0,9 w/m² angegeben. Dabei handelt es sich um einen angenommenen negativen Wärmeabfluss. Es wird hier angenommen, dass weniger Wärme abfließt, als hereinkommt, die Erde sich also erwärmt. Das dies aber in unserem beginnenden Jahrtausend ( je nach Temperaturkurve seit 8-17 Jahren) noch nicht ereignet hat, wollen wir diese Zahl mal beiseite lassen und von einem ausgeglichenen Wärmehaushalt der Erde ausgehen.



Was geschieht nun in der Atmosphäre?

Vom warmen Erdboden gehen Wärmestrahlen Richtung Weltall. Ein Teil geht durch die Atmosphäre hindurch (atmosphärisches Fenster), ein anderes Teil trifft auf THG und wird von ihnen absorbiert. Die Atmosphäre (vor allem die unteren Schichten) erwärmt sich dadurch etwas. Die Atmosphäre hat auch schon etwas Wärme durch
  • Absorption von einfallendem Sonnenlicht
  • Verdunstung / Wasserdampf und
  • Thermik (Luftbestandteile werden von der Erdoberfläche durch direkten Kontakt erwärmt und steigen auf)
erhalten. Durch Kontakt (Stoß) erwärmen sich alle Luftbestandteile gegenseitig.

Nur die Spurengase können Wärmestrahlung abgeben. Wie jeder andere Festkörper über 0 K (-273°C) strahlen sie in alle Richtungen. Dabei geht theoretisch jeweils die Hälfte Richtung Erdoberfläche und die andere Richtung Weltall. Natürlich gehen auch Wärmestrahlen nach links und rechts, aber die treffen wieder andere THG, die dann letztendlich auch wieder nach oben und unten strahlen.

Der Netto-Energiefluss

Es kommt jedoch mehr Wärmestrahlung von der Erdoberfläche, als von der Atmosphäre auf die Erdoberfläche, deshalb geht der Netto-Wärmefluss von 23 w/m² nach außen ins All. Muss man das denn so wie in der Grafik beschreiben, oder würde der Netto-Fluss genügen? Eigentlich schon, aber die Sache hat einen kleinen Haken: Durch das Aufheizen der THG-Moleküle und durch die Kontakt-Wärmeübertragung auf und von anderen Molekülen (auch Sauerstoff und Stickstoff) geht Zeit verloren, die Wärme fließt also langsamer ab, als wenn die Wärmestrahlen mit Lichtgeschwindigkeit ins All strahlen würden. Deshalb ist die Atmosphäre über der Erdoberfläche etwas wärmer als wenn alle Bodenstrahlung direkt in den Weltraum abfließen würde.


Theoretisch etwas wärmer

Betrachten wir das Ganze noch etwas feiner: Von der Erdoberfläche ausgehende Wärmestrahlung trifft schon nach den ersten Millimetern auf THG und wird von Ihnen absorbiert. Andere Strahlen erst nach vielen Metern Höhe. THG werden erwärmt und strahlen wieder ab. Manche Strahlen davon komme wieder auf die Erdoberfläche, manche gehen Richtung Weltraum und treffen dort wieder auf THG, die dann wieder nach oben und unten strahlen. Eine Art Pilgerschritt: zwei vor, einer zurück.

Dadurch wird dasselbe bewirkt wie beim echten Pilgerschritt: Es geht langsamer voran oder: Die Wärme fließt langsamer ab. Und dadurch bleibt die Atmosphäre etwas wärmer, und dementsprechend die Erdoberfläche auch.


Man kann diese Strahlung, die sogenannte Gegenstrahlung, die von der untersten Schicht der Atmosphäre zurückkommt, auch auch mit einem Pyrgeometer messen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Atmosph%C3%A4rische_Gegenstrahlung

Wie gesagt, man misst hier nicht, was in der Atmosphäre abläuft, sonder was man von der Erdoberfläche aus, also am unteren Ende des Strahlen-Pingpongs eben mitbekommt.

Die andere Seite der THG:

Sie helfen auch, die Wärme in der Atmosphäre wieder loszuwerden. Sie können ja auch IR-Wärmestrahlung abgeben, also kühlen. In der Atmosphäre steckt sehr viel Wärmeenergie:
  • die 77w/m², die beim Eintritt des Sonnenlichts in die Atmosphäre absorbiert wurden
  • die 80 w/m², die durch Verdunstung in die Atmosphäre kamen
  • die 17 w/m², die durch die Thermik (aufsteigende Warme Luft) dazukamen
  • und die 23 w/m², die als Netto-Abstrahlung der Erdoberfläche absorbiert wurden.
  • Macht zusammen 197w/m². (also 8 mal soviel, wie die Nettoabstrahlung)

Nach der obersten Schicht der Atmosphäre, die ca. 100 km hoch ist, kommt nichts. Zumindest keine Materie, die die Wärme ableiten kann. Nur durch elektromagnetische Strahlung, in unserem Fall infrarote Wärmestrahlung, kann die Wärme abgeleitet werden. Und das können nur die Spurengase oder THG. Sie schaffen es, die Wärme wieder komplett abzustrahlen, also die Erdatmosphäre abzukühlen. Ohne sie würden zwar die 23 w/m² nicht abgebremst werden. Diese könnten dann einfach in das All strahlen. Aber die Energie, die sonst noch in der Atmosphäre steckt, könnte nicht ins Weltall abstrahlen. Die Atmosphäre würde überhitzen und in Folge davon die Erde auch.

Wie schaffen es nun die THG so effektiv, die Wärme abzustrahlen? Nun, einerseits kommt ja vom Weltall keine Strahlung zurück, andererseits wird die Atmosphäre nach oben hin immer dünner. Dadurch werden auch die Abstände zwischen den Molekülen immer größer, und die IR-Strahlung wird immer weniger von THG absorbiert. Wird sie dann doch einmal von einem THG absorbiert, strahlt dieses zur Hälfte in des Weltraum ab, wo nichts zurückkommt, weil dort keine Wärmequelle ist. Die andere Hälfte geht Richtung ErdoberflächeW, wo vom nächsten Molekül wiederum nur die Hälfte nach unten geht, die andere Hälfte aber wieder Richtung All, und zwar wahrscheinlich ohne von einem andere THG absorbiert zu werden.

Während also die Strahlung von der Atmosphäre zur Erdoberfläche hin von der Oberflächenstrahlung übertroffen wird, kommt aus dem All gar nicht zurück. Durch das Dünnerwerden der Atmosphäre wird darüberhinaus die Abstrahlung nach außen hin kaum mehr behindert. Das zeigen auch die niedrigen Temperaturen der oberen Atmosphären schichten.

Übrigens kann man die Abstrahlung der Atmosphäre nach außen ins All auch messen, und zwar mit Satelliten. Darüber gibt es Messreihen über viele Jahre.

Nun noch einige Nebenbemerkungen:

Die Hauptfrage, die uns bei dieser Thematik beschäftigt, ist:
Wird es bedeutend wärmer, wenn die Menge der THG in der Atmosphäre erhöht wird?

Oder wie die Wissenschaft diese Frage formuliert: Um wieviel Grad erhöht sich die Globaltemperatur, wenn der CO2-Gehalt von vorindustriellen 280ppm auf 560ppm verdoppelt? Die Antwort lautet ziemlich übereinstimmend (sowohl vom Weltklimarat, als auch von kritischen Wissenschaftlern): um ca. 1 °C +/- 0.5. Auch Berechnungen kommen zu einem solche Ergebnis. Mit diesem kleinen Wärmeplus kann man gut leben in unserer Nacheiszeit. Worüber man sich nicht einig ist, ist die Frage, was sonst noch passiert.

Einige Wissenschaftler befürchten eine sogenannte Wasserdampf-Rückkopplung. Sie besagt, dass durch die Erhöhung der Temperaturen auch die Verdunstung zunimmt. Dadurch hat man mehr von dem THG Wasserdampf in der Atmosphäre und auch eine verstärkte Abbremsung des Wärmeabflusses, ergo noch höhere Temperaturen, noch mehr Wasserdampf-THG und so weiter, bis das Klima komplett umkippt und die Erde überhitzt.

Es gibt aber auch noch andere Rückkopplungen:
  • Mehr Wasserdampf bedeutet mehr Wolken, also weniger Sonneneinstrahlung und damit eine Abkühlung.
  • Eine erhöhte Temperatur bedeutet auch eine exponentielle (also vervielfachte) Wärmeabstrahlung, wodurch sich sich die Temperaturen kaum erhöhen.
  • Eine erhöhte Temperatur bedeutet mehr Verdunstung, also Abkühlung der Erdoberfläche
  • Eine erhöhte Temperatur bedeutet mehr thermische Konvektion, also Transport der von der Erdoberfläche erhitzten Luft in die Atmosphäre - und der Gelegenheit, sich dort abzukühlen.
Mit diesen der Erwärmung entgegenwirkenden Funktionen sieht es so aus, dass die Erde diverse Regelmechanismen besitzt, um eine Überhitzung zu verhindern.

Was ist aber die wichtigste Regelfunktion? Das sind mit Sicherheit die Wolken. Der Gegensatz zwischen Wolken und strahlendem Himmel können viele Grade Temperaturunterschied ausmachen, genauso wie zwischen bedecktem und sternenklaren Himmel in der Nacht.

Folgende Beobachtung konnte man bisher machen:
  • Trotz beschleunigt ansteigendem CO2-Gehalt sind in den letzten 17 Jahren die Global-Temperaturen nicht mehr angestiegen, und in den letzten 12 Jahren um 0,1 °C gefallen. (Satellitendaten RSS untere Troposphäre)


Noch eine Nebenfrage:

Gibt es einen globalen Treibhauseffekt und den menschengemachten Treibhauseffekt?

Nicht im wahren Sinn des Worte. Die Erde ist kein Gewächshaus mit einer transparenten Abdeckung. Jedoch bremsen Spurengase oder THG den Wärmeabfluss durch Energieübergänge innerhalb der Atmosphäre ab. Erhöhte Mengen THG bremsen eventuell noch etwas mehr, so dass es dadurch zu einer um ca. 1 Grad höheren Global-Temperatur kommen könnte. Erst eventuelle Rückkopplungen entscheiden darüber, ob es zu einem Klimakollaps kommt oder nicht. Bis jetzt hat man noch keinen praktischen Nachweis für eine solche Theorie gefunden.





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