"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.