Erde (flickr, Philipp_Roth, CC-by-nc-sa)

Treibhaus Erde

Seit Jahrmillionen existiert auf der Erde der Treibhauseffekt. Ohne ihn gäbe es kaum Leben auf diesem Planeten. Doch der Mensch verstärkt ihn durch die Nutzung fossiler Brennstoffe. Dies hat einen globale Erwärmung mit weitreichenden Konsequenzen zur Folge.

Im periodischen Wechsel von Eiszeiten und Warmzeiten waren in der letzten Jahrmillion die klimatischen Bedingungen auf der Erde reichlich unstet und flatterhaft. Erst seit Beginn der heu­tigen Warmzeit vor 12.000 Jahren ist das Klima im Treibhaus Erde nicht nur angenehm warm, sondern weist auch noch außergewöhnlich wenig Temperaturschwankungen auf. Dies erst ermöglichte es dem Men­schen, sesshaft zu werden und sich mittels Ackerbau und Viehzucht ausreichend Nahrung verfügbar zu machen. Dabei ist in letzter Zeit der Mensch offensichtlich über­mütig geworden: Durch allzu reichliche Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas heizt er das Treib­haus Erde weiter auf, verändert dadurch das Klima und damit die Lebensbedingungen auf der Erde. Er stellt so das Überleben der Spezies Mensch in allzu großer Zahl in Frage.

Infografik. Darstellung der Erdatmosphäre mit Sonne und Erdkugel. Pfeil von der Sonne zum Erdboden und Pfeile vom Erdboden Richtung Weltall.
Der Treibhauseffekt

Das „Treibhaus Erde“ wird von der Sonne geheizt. Dabei ist die Energiebilanz zwi­schen Energieeinstrahlung von der Sonne auf die Erde und der Energieabstrahlung von der Erde in den Weltraum ausgeglichen. Von den 100 Prozent des von der Sonne auf die Erde ein­gestrahlten Lichts werden insgesamt etwa 70 Prozent absorbiert – davon 20 Prozent in der Atmosphäre und 50 Prozent am Erd­bo­den. In Wärme umgewandelt entspricht das einer Heizleistung im Treibhaus Erde im globalen und jahreszeitlichen Mittel über die ganze Erdkugel von 236 Watt pro Quadratmeter (W/m²). Im Vergleich sind sowohl die aus dem Erdinneren und aus der Erdkruste an die Erdoberfläche stän­dig strömende Heizleistung von 0,06 W/m² als auch die durch Verbrennung von weltweit der­zeit (Stand 2000) jährlich 3,7 Milliarden Tonnen (Mrd. t) Kohle, 3,7 Mrd. t Erdöl und 2,1 Mrd. t Erdgas direkt ver­ur­sach­te Heizleistung von im globalen Mittel 0,03 W/m² vernachlässigbar gering.

Wären diese 236 W/m² Heizleistung durch Sonnenlicht die einzige Heizquelle der Erd­ober­flä­che, so würde sich dadurch – gemäß dem Strahlungsgesetz von Stefan und Boltzmann, wel­ches die Wär­me­ab­strah­lung eines warmen Körpers mit dessen Temperatur kor­reliert – eine Tem­peratur auf der Erd­ober­fläche im globalen und jahreszeitlichen Mittel von minus 18 Grad Celsius einstellen. Die tatsächliche Temperatur auf der Erdoberfläche beträgt aber im globalen jah­res­zeitlichen Mittel etwa  plus 15 Grad Celsius. Die­sen Temperaturhub von minus 18 auf plus 15 Grad Celsius verdanken wir dem natürlichen Treib­hauseffekt.

Die Rolle der wär­me­stau­en­den Glasfenster spielen hier einige Spurengase in der Atmosphäre, vor­nehm­lich Kohlendioxid. Mit einem Anteil am Luftvolumen von 0,28 Promille vor Beginn der Industrialisierung ist dieses Gas für Dreiviertel des Treibhauseffekts verantwortlich. Methan und weitere Spu­ren­gase schlagen mit knapp einem Viertel der pri­mären Infrarot-Zu­satz­heizung zu Buche. Dieser Anteil wird  sekundär noch um gut das Doppelte verstärkt durch Was­serdampf, gemäß der mit steigender Temperatur stark steigenden Ver­dun­stung von Wasser. Diese na­türliche Zusatzheizung im „Treibhaus Er­de“ durch Wär­me­rück­strah­lung aus der Atmo­sphäre ist mit ihrem Gesamtwert – einer Ener­gie­men­ge in Höhe von etwa 95 Prozent der Son­­nen­licht­ein­strah­lung auf die Erde entsprechend – also sogar etwas höher als die direkte Hei­zung durch ab­sor­biertes Sonnenlicht.

Die an der Erd­oberfläche durch Absorption von ein­ge­strahltem Son­nen­licht und von aus der Atmosphäre zu­rückgestrahlter Wärmestrahlung auf­ge­nommene Ener­gie wird zum größten Teil von etwa 80 Pro­zent durch Wärmeabstrahlung von der Erd­­ober­flä­che und zum verbleibenden klei­nen Teil mit­tels latenter und direkter Wärmeflüsse in Form von aufsteigendem Wasserdampf und von war­mer Luft nach oben abgeführt. Die Wär­me­ab­strah­lung von der warmen Erd­ober­fläche – insgesamt 390 W/m² aus Sonnenlichteinstrahlung und Infra­rotheizung aus der Atmo­sphä­re statt nur 236 W/m² allein durch absorbiertes Sonnenlicht – ent­­spricht gemäß dem Stefan-Boltzmann-Ge­setz einer lebensförderlichen Temperatur in Bo­den­­nä­he im globalen und jah­reszeitlichen Mit­tel von plus 15 Grad Celsius. Das entspricht dem gemessenen Werten.

Wärmegetriebene Kreisläufe

Vom eingestrahlten Sonnenlicht und von der darauf fußenden Wärme auf der Erde werden die natür­­lichen Kreisläufe mit beträchtlichem Energieaufwand getrieben. Der Was­ser­kreis­lauf zwischen Verdunstung, Niederschlägen und Wasserablauf zu Land be­nötigt allein zur Verdunstung Wärme in Höhe von etwa 20 Prozent der eingestrahlten Son­nen­ener­gie.
In den Windströmungen steckt Bewegungsenergie in Höhe von etwa zwei Prozent der ein­ge­strahl­ten Sonnenenergie. Und der über das Jahr ausgeglichene Kohlenstoff-Kreislauf zwi­schen Neubildung, Absterben und Zerfall von biologischer Materie beruht auf der ständigen Pho­to­synthese pflanzlicher Materie mittels des aus der Luft von Pflanzen aufgenommenen Koh­len­dioxids und des aus dem Boden aufgenommenen Wassers mit einem Aufwand an Licht in Höhe von knapp einem Prozent des eingestrahlten Sonnenlichts. Dabei ist über das Jahr auch der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre ausgeglichen zwischen Entnahme für Photosynthese und Freisetzung durch Atmung und durch Zerfall abgestorbener biologischer Materie, von jeweils etwa einem Sechstel des mittleren Kohlendioxidgehalts der Atmosphäre.

Nutzung fossiler Brennstoffe

Seit Beginn der Industrialisierung vor gut 200 Jahren nutzt der Mensch als zusätzliche Energie­quellen die fossilen Brennstoffe. Dies geschieht in immer schneller steigendem Umfang, zuerst nur Kohle, seit gut 100 Jahren zusätzlich Erdöl und seit gut 50 Jahren Erdgas. Bei deren Verbrennung wird Kohlendioxid in die Luft abgegeben, wovon – natur­ge­setz­lich wohl verstanden – etwa die Hälfte auf Dauer in der Atmosphäre verbleibt. Die andere Hälfte wird größtenteils vom Meerwasser absorbiert. Dadurch ist der Gehalt der Atmosphäre an Kohlendioxid von ursprünglich 0,28 Promille (vor Beginn der Industrialisierung) auf derzeit schon 0,38 Promille gestiegen. Hauptsächlich dadurch wurde die Heizung im Treibhaus Erde ein­schließlich der entsprechenden Verstärkung durch Wasserdampf in der Luft bislang um ins­ge­samt etwa vier W/m² erhöht,. Das bewirkt bisher einen Anstieg der mittleren Temperatur auf der Erde um knapp ein Grad.

Bei einem weiteren Anstieg der Konzentration wärmestrahlungsrelevanter Spurengase in der Atmo­sphäre, hier dominant Kohlendioxid aus der weiteren Verbrennung fossiler Brennstoffe würde im Verlauf dieses Jahrhunderts die mitt­le­re Temperatur auf der Erde um einige weitere Grad ansteigen. Bei der derzeitigen Verbrennung geht der aktuelle Klimareport von einem unvermeidbaren Temperaturanstieg von zwei Grad bis zum Ende des 21. Jahrhunderts aus.