Natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt (Fortgeschrittene)

Was dich in diesem Modul erwartet

In diesem Modul erfährst du, wie der natürliche Treibhauseffekt funktioniert und was ihn vom anthropogen (vom Menschen verursachten) Treibhauseffekt unterscheidet. Ein Schwerpunkt bildet die Frage, welche Rolle die verschiedene Treibhausgase in diesem Zusammenhang spielen. Am Ende des Textes kannst du dein Neu erworbenes Wissen mit Hilfe eines kurzen Tests überprüfen. Bitte beachte, dass sich diese Lerneinheiten an fortgeschrittene Leser richtet.

Der natürliche Treibhauseffekt

Das Klimasystem der Erde wird durch die Sonneneinstrahlung angetrieben. Die Hälfte der Solarstrahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert, 30 % werden von der Erdoberfläche und der Atmosphäre reflektiert und 20 % von der Atmosphäre absorbiert. Die erwärmte Erdoberfläche sendet langwellige Wärmestrahlen aus, von denen ein großer Teil von Bestandteilen der Atmosphäre (Treibhausgase und Wolken) absorbiert und in alle Richtungen abgestrahlt wird. Der nach unten, Richtung Erdoberfläche, gerichtete Teil dieser Strahlung macht den Treibhauseffekt aus. Er erwärmt die unteren Luftschichten und den Erdboden.

Von entscheidender klimatischer Bedeutung ist bei den Strahlungsvorgängen in der Atmosphäre, dass die langwellige Wärmestrahlung der erwärmten Erdoberfläche die Atmosphäre größtenteils nicht auf direktem Wege verlässt, sondern von atmosphärischen Spurengasen, den natürlichen Treibhausgasen, und Wolken zunächst absorbiert wird. Spurengase und Wolken emittieren diese Energie einerseits an den Weltraum und strahlen sie andererseits in Richtung Erdoberfläche zurück, die dadurch zusätzlich aufgeheizt wird und wiederum langwellige Strahlung an die Atmosphäre emittiert, die diese wieder Richtung Erdoberfläche abstrahlt usw.

Abbildung 1: Natürlicher Treibhauseffekt. Quelle: Serlo ,
Lizenz: CC BY-SA 4.0

Der auf diese Weise hervorgerufene Wärmestau in der unteren Atmosphäre bewirkt – gegenüber dem Fall ohne Treibhausgase – einen Temperaturunterschied von +33 °C bzw. eine Erwärmung von -18 °C auf eine mittlere globale Temperatur von +15 °C und ermöglicht damit überhaupt erst Leben auf der Erde. […] In Anlehnung an das Garten-Treibhaus bezeichnet man den Wärmestau in der unteren Atmosphäre als „Treibhauseffekt“. […] Die Glasabdeckung des echten Treibhauses lässt wie die Atmosphäre kurzwellige Sonnenstrahlen weitgehend passieren. Das Innere des Treibhauses wird dadurch erwärmt und emittiert langwellige Wärmestrahlung, die vom Glas ähnlich wie von den Treibhausgasen der Atmosphäre absorbiert wird. […]

Die eigentlichen Verursacher des Treibhauseffektes sind Wasserdampf (H2O) und eine Reihe von Spurengasen wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid(N2O), Troposphärisches Ozon (O3) u.a., deren Anteil an der Gesamtmasse der Atmosphäre zusammen weniger als 1% ausmacht. Diese Treibhausgase lassen die kurzwellige Solarstrahlung weitgehend passieren, absorbieren aber die langwellige Wärmestrahlung der Erdoberfläche im Infrarotbereich; sie tun das ab einer Wellenlänge von ca. 3µm. Dabei absorbieren die einzelnen Spurengase in unterschiedlichen Absorptionsbanden, das sind bestimmte Wellenlängenbereiche, in denen die Absorption stark ist. […] Zwischen den Absorptionsbanden (die aus vielen einzelnen Linien bestehen, eine Linie für jede Energie der Schwingungen und Rotationen) befinden sich Wellenlängenbereiche, auf die diese Gase nicht reagieren. Da die Strahlung dort ungehindert passieren kann, heißen diese Bereiche auch „Fenster“, nur dass eben Infrarotstrahlung gemeint ist und nicht sichtbare Strahlung, wie sie durch ein tatsächliches Fenster gelangen kann. Ein bedeutendes Fenster in der Atmosphäre liegt etwa zwischen 8 und 12 µm Wellenlänge, nur unterbrochen von einer Ozon-Absorptionsbande bei 9,6 µm.

Abbildung 2: Absorption durch Treibhausgasen Links (a): theoretische Ausstrahlung der Erdoberfläche ohne Treibhauswirkung (rote Kurve) und tatsächliche Ausstrahlung aufgrund der Wirkung der Treibhausgase(blaue Fläche); rechts (b): Wellenlängenbereiche, in denen die angegebenen Treibhausgase die Wärmestrahlung absorbieren. Der Absorptionskoeffizient gibt die Intensität dieser Absorption an. Dieses Bild ist ein Originalbild des Klimawandel-Wiki und steht unter der Creative Commons Lizenz CC BY-NC-SA 2.0 DE Quelle: https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Treibhauseffekt

Das wichtigste natürliche Treibhausgas ist Wasserdampf, das für fast zwei Drittel des natürlichen Treibhauseffekts verantwortlich ist. Es absorbiert in breiten Spektralbereichen um 3 µm, 5 µm und 20 µm nahezu vollständig. In anderen Wellenlängenbereichen wie um 4 µm und um 10 µm lässt es die Infrarotstrahlung aber nahezu vollständig passieren. In diesen Bereichen wirken dagegen die anderen Treibhausgase. So absorbiert das zweitwichtigste natürliche Treibhausgas, das Kohlendioxid, gerade um 4 µm und 15 µm. Ozon, Distickstoffoxid und Methan füllen weitere Lücken des Wellenlängenspektrums (vgl. Bild 1: Absorption durch Treibhausgase) – In der Literatur findet sich für den eben beschriebenen Effekt relativ häufig die Formulierung, CO2 schließe „das Strahlungsfenster“. Natürlich kommt es auch zu Überlappungen, d.h. Bereichen im Spektrum, wo mehrere Gase gleichzeitig absorbieren. Wenn dies eintritt oder ein Gas schon stark vorhanden ist, kann das dazu führen, dass die Strahlung einer solchen Wellenlänge gar nicht mehr durch die Atmosphäre gelangen kann. Zusätzliche Gase führen dann nicht mehr zu einer stärkeren Absorption. Trotzdem steigt aber der Treibhauseffekt noch etwas, weil an den Rändern der Linien die Absorption noch zunimmt. Die Vorstellung, zusätzliches Kohlendioxid in der Atmosphäre habe wegen dieser „Sättigung“ gar keinen Effekt mehr, ist daher falsch.

Der anthropogene Treibhauseffekt

Seit Beginn des Industriezeitalters beeinflusst der Mensch die klimatische Wirksamkeit der Atmosphäre durch einen zusätzlichen Treibhauseffekt. Durch unterschiedliche menschliche Aktivitäten wird einerseits die Konzentration der natürlichen Treibhausgase wie Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid usw. erhöht, andererseits werden mit den FCKWs neue Treibhausgase in die Atmosphäre emittiert. Die Wirksamkeit der anthropogenen Beiträge hängt u.a. davon ab, wie stark die jeweiligen Absorptionsbanden durch die Wirkung der natürlichen Treibhausgase bereits gesättigt sind.

Da eine Temperaturerhöhung auch zu einer höheren Verdunstung führt, erhöht sich durch die menschliche Klimabeeinflussung auch der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Die Temperaturwirksamkeit des zusätzlichen Wasserdampfes ist jedoch relativ gering, da die Absorptionsbanden von Wasserdampf nahezu gesättigt sind. Einen etwas größeren Temperatureffekt hat die Erhöhung des CO2-Gehalts durch die Verbrennung von fossilen Energierohstoffen und Veränderungen in der Landnutzung. Aber auch hier ist die wichtigste Absorptionsbande bei 15 µm weitgehend gesättigt und nur die gewaltige Menge an anthropogener CO2-Zufuhr von über 36 Milliarden Tonnen pro Jahr bewirkt, dass CO2 für weit über die Hälfte des anthropogenen Treibhauseffekts verantwortlich ist.

Abbildung 3: Überblick über die bedeutendsten Treibhausgase (Grafik: Earth System Knowledge Platform (ESKP), Zahlen: Umweltbundesamt, IPCC ARS, Lizenz: CC BY 4.0)

Bei den übrigen anthropogenen Treibhausgasen sind die natürlichen Absorptionsbanden dagegen nur bis zu einem geringen Grad bzw. (bei den FCKWs) gar nicht gesättigt. Außerdem reagieren verschiedene Molekülsorten (also verschiedene Gase) unterschiedlich stark auf die einfallende Strahlung. Ein Molekül von FCWK-12 z.B. absorbiert etwa 23000 Mal stärker als ein Molekül Kohlendioxid. Für die Treibhauswirkung ist aber auch entscheidend, wie viele Moleküle in der Atmosphäre vorhanden sind und wie lange sie dort verbleiben, d.h. wie hoch die „Lebensdauer“ des Gases ist. Berechnet man diese Lebensdauer mit ein, so besitzt z.B. ein Kilogramm Methan das 28fache und ein Kilogramm des erwähnten FCKW-12-Moleküls das 10900fache Treibhauspotential eines kg CO2. Man spricht bei diesen Zahlen vom Global Warming Potential (GWP).

Die Verweildauer ergibt sich aus der Menge selbst und aus den Senken, die steuern, wie schnell ein Stoff aus der Atmosphäre wieder entfernt wird. Kohlendioxid wird durch sehr unterschiedliche Prozesse, z.B. durch die Photosynthese der Pflanzen, die Lösung im Ozean oder die Aufnahme im Boden, wieder aus der Atmosphäre entfernt und besitzt daher keine eindeutige mittlere Verweilzeit in der Atmosphäre. Demgegenüber wird etwa die atmosphärische Lebensdauer von Methan fast ausschließlich durch die Oxidation mit OH in der Atmosphäre kontrolliert, woraus ein mittlerer Verbleib in der Atmosphäre von 12 Jahren resultiert. Die lange Verweilzeit von Distickstoffoxid von 114 Jahren erklärt sich daraus, dass dieses Treibhausgas fast nur durch Photolyse in der Stratosphäre entfernt wird. […]


Lizenzhinweis: Der Text ist eine gekürzte Version eines Artikels des Wikis Klimawandel und steht unter der Lizenz CC BY-SA 3.0 DE. Originalartikel und Einzelnachweise können unter https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Treibhauseffekt abgerufen werden.


Tipps zur Vertiefung

Viele weiterführende Informationen zum Thema natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt, sowie zum Klimawandel findest du auf den Seiten …
… der Earth System Knowledge Platform (ESKP): https://www.eskp.de/klimawandel/
… des Wikis Klimawandel: https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Hauptseite
… der Bundeszentrale für politische Bildung: https://www.bpb.de/gesellschaft/umwelt/klimawandel/


Test zur Wissensüberprüfung


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