Der Treibhauseffekt in der Erdatmosphäre

Im Laufe einer mehrere Milliarden Jahre dauernden Evolution des Planeten hat sich unser jetziges Klimasystem gebildet. Es besteht aus den Ozeanen mit ihren Meereisflächen, den Kontinenten mit Vegetation und Landeis sowie der Atmosphäre. All diese Komponenten sind miteinander in ständiger Wechselwirkung - über die Strömungen der Atmosphäre und der Ozeane und den Austausch von Energie, Masse und Impuls. Das gesamte System wird im Wesentlichen durch die kurzwellige Sonnenstrahlung angetrieben. Etwa 70 % von ihr verbleiben zunächst im System. Das Klima heizt sich aber nicht auf, denn etwa die gleiche Menge verlässt die Lufthülle später wieder als langwellige Wärmestrahlung.

Kurzwellige Einstrahlung und langwellige Ausstrahlung

Bildbeschreibung:

Die Sonneneinstrahlung am Oberrand der Atmosphäre (gelb, Grafik links) entspricht der Strahlung eines Schwarzkörpers mit der Temperatur von 6000 Kelvin (dicke schwarze Linie). Ein großer Teil der Sonnenstrahlung wird durch Gasmoleküle, Aerosole und Wolken in den Weltraum zurückgeworfen. Aber mehrere Gase absorbieren die Strahlung auch teilweise, so wird etwa der ultraviolette Anteil mit Wellenlängen kürzer als 300 µm fast vollständig abgefangen. Am Boden gemessen wird das Spektrum, das hier in rot dargestellt ist. In der Grafik auf der rechten Seite ist die Wärmestrahlung der Sonne und der Erde sowie ihre Absorption durch Treibhausgase in der Erdatmosphäre dargestellt. Die Ausstrahlung ins All entspricht einer Schwarzkörpertemperatur von 255 Kelvin (-18 °C). Die unteren Diagramme zeigen das Absorptionsverhalten der Treibhausgase, von denen Wasserdampf das wichtigste ist. Bei Wellenlängen mit sehr hohem Absorptionsvermögen der Gase wird Strahlung nur aus den oberen Schichten der Atmosphäre in den Weltraum abgegeben. In den absorptionsschwachen Fensterbereichen emittiert die Erdoberfläche direkt in den Weltraum.

Die Atmosphäre ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen wie Stickstoff und Sauerstoff. Einige Gase treten nur in sehr geringer Konzentration auf. Diese Spurengase (Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Lachgas, Ozon und verschiedene Chlorkohlenwasserstoffe) sind nahezu vollständig transparent für das einfallende kurzwellige Sonnenlicht, so dass etwas mehr als die Hälfte der die Erde erreichenden Sonnenstrahlung bis zum Erdboden vordringen kann. Die Reflexion der kurzwelligen Strahlung an der Erdoberfläche sowie an den Wolken und anderen kleinen Schwebeteilchen (Aerosolen) in der Atmosphäre verhindert, dass dieser Anteil noch größer ist. Das Ozon absorbiert das sehr kurzwellige und lebensfeindliche Ultraviolett bereits in der Atmosphäre oberhalb einer Höhe von etwa 15 km.

Die oben erwähnten Spurengase besitzen im langwelligen Spektralbereich, etwa ab einer Wellenlänge von 1.5 µm (1 µm ist 1 Millionstel Meter), das Vermögen, die einfallende Strahlungsenergie aufzunehmen und in die Bewegungsenergie ihrer Moleküle umzusetzen. Sie erwärmen sich also und geben dadurch - ihrer Temperatur und Konzentration entsprechend - wieder Strahlung in die Umgebung ab. Etwa die Hälfte davon ist nach unten gerichtet und erwärmt somit tiefere Luftschichten. In der Fachsprache hat sich für diesen Vorgang der Name Treibhauseffekt eingebürgert. Bis die Menschen die Konzentrationen der Treibhausgase zu beeinflussen begannen, sprach man von einem natürlichen Treibhauseffekt, der stark vom Wasserdampf abhängt. Der anthropogene, also von Menschen verursachte Treibhauseffekt ist die Verstärkung des natürlichen.

Der Treibhauseffekt

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Durch den Treibhauseffekt wird die Strahlungsenergie in der Atmosphäre umverteilt. Je mehr Treibhausgase die Atmosphäre enthält, desto wärmer wird es am Boden und desto kälter wird es in der Höhe. Der Überschuss von derzeit circa 110 W/m² muss über Turbulenz nach oben transportiert werden. Man kann all diese Transporte berechnen und erhält am Ende Erklärungen für die Temperaturabnahme mit zunehmender Höhe in der Troposphäre und die folgende Zunahme der Temperatur in der Stratosphäre darüber. Ohne Treibhausgase und Wolken würde man statt einer Oberflächentemperatur von 15 °C einen rechnerischen Wert um -18 °C erhalten, wenn man die heutigen Klimaverhältnisse annimmt.

Die Bezeichnung Treibhauseffekt ist allerdings ein bisschen unglücklich gewählt, denn der Effekt entspricht nicht vollständig demjenigen in einem Wintergarten oder Gewächshaus. Die Glasscheiben des Wintergartens lassen das Sonnenlicht durch, halten aber die langwellige Wärmestrahlung vollständig zurück. Soweit stimmt die Analogie mit der Atmosphäre noch. Außerdem aber verhindern die Glasscheiben als Trennwände die turbulente Vermischung der wärmeren Innen- mit der kälteren Außenluft. Deswegen wird es im Wintergarten sehr warm.

Entscheidend ist die Gaskonzentration, denn sie bestimmt die Aufnahme von Strahlungsenergie (Absorption) und auch deren Abgabe (Emission). Außerdem spielt bei der Emission die Umgebungstemperatur eine entscheidende Rolle. Wenn sich nun aus irgendeinem Grund die Konzentrationen der Treibhausgase ändern, dann ändert sich der Treibhauseffekt entsprechend. Diese bekannten Gesetzmäßigkeiten werden bei allen Berechnungen des Transports von Strahlungsenergie in der Atmosphäre berücksichtigt. Eine weitere sehr wichtige Rolle spielt dabei das Absorptionsvermögen der einzelnen Gase, das in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung sehr unterschiedlich ausfällt. Wenn die Wirkung von CO₂ dem Wert 1 entspricht, dann haben die anderen Treibhausgase - bei gleicher Gasmenge pro Volumeneinheit - die folgenden Wirkungen: CH₄ hat die 23fache und N₂O die 140fache. Bei den FCKW unterscheidet sich die Wirkung je nach Gas, sie kann bis zum Tausendfachen der CO₂-Wirkung betragen. Kürzlich wurde ein neues künstliches Gas entdeckt (NF₃ - Stickstofftrifluorid) das in der Elektronikindustrie freigesetzt wird und etwa die 17.000-fache Wirkung auf den Treibhauseffekt hat. Die NF₃-Konzentration hat sich während des vergangenen Jahrzehnts offenbar fast verhundertfacht.

Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre

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Dies ist der Energiehaushalt der Erdatmosphäre im langjährigen Jahresmittel. Wegen der Kugelgestalt der Erde beziehen sich die Werte nur auf ein Viertel der jährlichen Einstrahlung der Sonne. Für diese hat man den Begriff Solarkonstante geprägt. Ihr Wert wird zwischen 1361 und 1368 W/m^-2 angegeben.

Manche Skeptiker stellen den Einfluss des Treibhauseffekts in Frage, obwohl er von Planetenforschern auch in den Atmosphären von Mars und Venus nachgewiesen wurde. Ein typischer skeptischer Einwand lautet, CO₂ in der Erdatmosphäre könne bei zunehmender Gasmenge pro Volumeneinheit die Absorption nicht weiter vergrößern. Dies stimmt aber nicht, denn in der Vielfalt der Strahlungswellenlängen zeigt CO₂ ein sehr unterschiedliches Absorptionsverhalten. Es gibt sowohl sehr stark absorbierende Wellenlängenbereiche als auch schwächere, die noch nicht gesättigt sind. Und schließlich nimmt mit zunehmender Höhe die Gasdichte ab (die Luft wird dünner). Dadurch kommen in höheren Luftschichten die am stärksten absorbierenden Wellenlängenbereiche wieder ins Spiel. In vielen Laborexperimenten wurde all dies zweifelsfrei nachgewiesen.

Die in der freien Natur durch den Treibhauseffekt angeregten Prozesse in der Atmosphäre sind etwas komplizierter als hier beschrieben. Bei Zunahme der Konzentration der Treibhausgase in allen Schichten kann es in Erdbodennähe wärmer und jenseits einer Höhe von 10 km etwas kälter werden. Denn unten überwiegt die Absorption von Wärmestrahlung des Erdbodens und oben überwiegt dann die Emission von Wärmestrahlung ins All. Der Theorie nach würde dadurch die untere Atmosphäre etwas instabiler und es könnte darum mehr oder stärkere Sturmsysteme geben. Außerdem modifizieren zahlreiche Rückkopplungen den Treibhauseffekt, vor allem durch Wolken und Wasserdampf und zwischen der Atmosphäre und dem Erdboden. Dadurch wird die genaue Berechnung erschwert.

Die meisten oben genannten Treibhausgase treten auch in der Natur auf. Die Konzentration dieser Spurengase, bis auf diejenige des Wasserdampfes, nahm aber während der vergangenen 150 bis 200 Jahre aufgrund menschlicher Aktivitäten zu. Die FCKW sind als synthetische Substanzen ganz neu hinzugekommen. Der zu erwartende Temperaturanstieg erfolgte vermutlich um etwa 50-80 Jahre verzögert - vom Jahr 1900 an - allerdings keineswegs kontinuierlich und auch nicht gleichmäßig über alle Gebiete der Erde verteilt. Diese Ungleichmäßigkeit ist durch die Zirkulationssysteme in der Atmosphäre und in den Ozeanen zu erklären.

Anthropogener Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen

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Die Konzentration der beiden wichtigsten Treibhausgase mit einem durch die Menschheit verursachten Anteil (Kohlendioxid und Methan) steigt seit dem Jahr 1750 immer mehr an. Die Abkürzung ppm bedeutet Teile pro Million, ppb Teile pro Milliarde Luftteilchen.

Kommt die Sonne als Ursache für die rasche Erwärmung nicht in Betracht? Wie oben erwähnt, ist die Sonne schließlich die dominierende Energiequelle. Ihre Strahlung schwankt um einen mittleren Wert von ca. 1361 W/m² - im Rhythmus des etwa 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus, wie langjährige Messungen mit Satelliten zeigen. Während des Sonnenfleckenmaximums ist sie um etwa 1-1,5 W/m² höher als während des Minimums. Zurzeit (Herbst 2008) beginnt gerade ein neuer Zyklus (Nr. 24). Überlagert gibt es noch längerfristige Schwankungen, die keiner Periodizität unterworfen sind.

Außerdem ändern sich die Eigenschaften des Erdumlaufs um die Sonne periodisch (Neigung der Achse, Wandern des Frühlingspunktes und Elliptizität der Umlaufbahn). Dadurch entsteht ein etwa 100.000-jähriger Zyklus der Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche. Er wird für die Entstehung der Eiszeiten verantwortlich gemacht. Momentan leben wir in einer sehr stabilen Periode, während der nur sehr geringfügige Schwankungen der Einstrahlung durch Änderungen im Erdumlauf um die Sonne zu erwarten sind.

In Temperaturrekonstruktionen ist eine quasi-periodische Änderung der mittleren Lufttemperatur (globale Mittelwerte für die Nordhemisphäre) in Bodennähe zu erkennen - mit einer Periodendauer von mehreren Jahrhunderten. Einige Kaltzeiten lassen sich offenbar durch eine verminderte Einstrahlung während längerer Zeiten ruhiger Sonne erklären, zum Beispiel die so genannte Kleine Eiszeit um das 17. Jahrhundert herum. Genaue Analysen von Eisbohrkernen ergaben, dass dann auch der Gehalt an den Treibhausgasen CO₂, CH₄ und N₂O in der Atmosphäre ein wenig zurückging - dies geschah allerdings während des Holozäns (den letzten 10.000 Jahren) mit etwa 50 Jahren Verzögerung. Ebenso nahmen diese Gase wieder zu, wenn die Temperatur anstieg. Dabei wurde die gleiche Verzögerung gegenüber der Temperaturveränderung beobachtet.

Rekonstruktion der Temperatur

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Viele Forscherteams versuchten, den Temperaturverlauf der vergangenen 2000 Jahre zu rekonstruieren. Dabei verwendeten sie die unterschiedlichsten Quellen, etwa Baumringe, Analysen von Bohrkernen, aber auch historische Aufzeichnungen. Das Zeitalter der exakten Messungen begann etwa im Jahr 1850 - diese Daten sind durch eine schwarze Kurve dargestellt. Erkennbar ist eine leichte Temperaturerhöhung im Mittelalter, als Grönland besiedelt wurde, sowie eine "Kleine Eiszeit" zwischen den Jahren 1400 und 1750. Als Ursache für die Temperaturschwankungen in der Vergangenheit wird die Variabilität der Strahlung von der Sonne diskutiert. Zur Erwärmung in den letzten hundert Jahren scheint sie aber kaum beigetragen zu haben.

In der Neuzeit - also während der vergangenen 100 bis 150 Jahre - nahm hingegen erst die Konzentration der Treibhausgase zu, und danach stieg die Temperatur. Man mag dies so deuten, dass die zunehmende Konzentration der Treibhausgase eine messbare Erwärmung des Planeten verursacht. Die Sonne trug in jüngster Zeit offenbar nicht zum Temperaturanstieg bei, denn in Satellitenmessungen erkennen wir keine langfristige, also mehrere Perioden des Sonnenfleckenzyklus überlagernde Zunahme der Sonneneinstrahlung. Diese Zeitreihe ist allerdings nicht viel länger als 36 Jahre.

Zusammenfassend kann man sagen: Derzeit gibt es kaum solide Gründe, die Erwärmung des Planeten nicht der Zunahme der wichtigsten anthropogenen Treibhausgase zuzuordnen. Umfangreiche Testrechnungen mit komplexen Modellen für das gesamte Klimasystem stützen diese Einschätzung.