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Grundlagen und Begriffe

Treibhauseffekt (Wikipedia-Eintrag)

Jeder war bestimmt schon mal in einem "Gewächshaus". Dort herrschen in der Regel höhere Temperaturen als außen. Dazu kommt es, weil das Glas Sonneneinstrahlung (Licht und kurzwellige Infrarotstrahlung) ins Haus hereinläßt. Das Innere erwärmt sich, die warme Luft kann jedoch nicht entweichen. Folglich wird es im Inneren wärmer als draußen.

Nicht ganz analog, aber doch ähnlich ist der Treibhauseffekt für einen gesamten Planeten zu verstehen. Voraussetzung ist natürlich das Vorhandensein einer Atmosphäre - auf dem Merkur oder unserem Mond kann es einfach keinen Treibhauseffekt geben.
Die Sonne strahlt auf den Planeten ein, und zwar größtenteils in Wellenlängenbereichen, für welche die Atmosphäre durchlässig ist (sichtbares Licht, nahes UV und IR). Die Strahlung trifft auf den Boden bzw. Objekte in Bodennähe, die dadurch erwärmt werden. Warme Körper strahlen auch wieder Energie ab, jedoch in völlig anderen Wellenlängenbereichen. Für diese Wellenlängen kann die Atmosphäre undurchlässig sein, das heißt, diese Strahlung kann den Planeten nicht mehr verlassen. So verbleibt immer ein Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie auf dem Planeten und erwärmt diesen dauerhaft.

Die Grafik gibt die Energiebilanzen zwischen eingestrahlter, reflektierter und absorbierter Strahlung wieder. Wolken und Treibhausgase führen zu der rechts eingezeichneten Gegenstrahlung, die für den Treibhauseffekt steht.



Ist der Treibhauseffekt etwas "Schlechtes"?

Klare Antwort: Nein! Ohne jeglichen Treibhauseffekt wäre es auf unserer Erde bitterkalt, die mittlere Temperatur würde anstelle bei +14°C bei etwa -18°C liegen. Damit wäre wahrscheinlich alles Wasser gefroren und es wäre nie zur Entwicklung von Leben gekommen.
Auf dem Mond, der praktisch keine Atmospäre besitzt und zudem auch nur sehr langsam rotiert, werden auf der Tagseite bis +130°C und auf der Nachtseite bis -160°C gemessen (Mittelwert: -55°C). Eine Atmosphäre hat also nicht nur wärmenden, sondern auch einen temperaturausgleichenden Charakter.



Welche Bestandteile der Atmosphäre sind für den Treibhauseffekt verantwortlich?

Zum einen wären da die Wolken: Sie können einen Teil der Wärmestrahlung vom Boden aufhalten und zurückwerfen. Gleichzeitig reflektieren sie aber auch das ankommende Sonnenlicht zurück in den Weltraum. Man hat festgestellt, dass die Höhe der Wolkenschicht dabei entscheidend ist, welcher Effekt überwiegt. Bodennahe Wolken haben einen kühlenden Einfluss auf die Erde, da sie wesentlich stärker Sonnenlicht reflektieren. Hohe Wolken (Cirruswolken) haben dagegen einen wärmenden Einfluss, da sie sehr dünn sind und das ankommende Sonnenlicht nahezu komplett durchlassen. Damit besitzt der Flugverkehr neben der CO2-Emission noch an anderer Stelle einen negativen Einfluss auf unser Klima, da die Flugzeuge unter bestimmten Bedingungen "Kondensstreifen" in der höheren Atmosphäre zurücklassen, welche sich zu einer dünnen Cirruswolkenschicht ausbreiten können. Wie stark die Wolkenbildung vom Flugverkehr abhängt, zeigte sich auf Satellitenbildern und an Wetterdaten, die nach dem 09. September 2001 (Flugverbot) in den USA aufgezeichnet wurden.

eigenes Foto mit Cirren, die größtenteils durch Flugzeuge verursacht sein dürften (Herbst 2010)

Außerdem gibt es noch Gase, die Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) am Verlassen der Atmosphäre hindern. Diese werden im allgemeinen mit dem Schlagwort "Treibhausgase" bezeichnet. Bekannt sind Ihnen bestimmt Kohlendioxid und vielleicht noch Methan als solche Gase. Das bei weitem wichtigste Treibhausgas ist jedoch Wasserdampf. Daneben haben noch Stickstoffmonoxid (Lachgas), Ozon und Fluorchlorkohlenwasserstoffe, kurz FCKW, Bedeutung als Treibhausgas.

Wasserdampf (H2O) ist, wie bereits erwähnt, das wichtigste Treibhausgas in unserer Atmosphäre. Dort ist es mit variablen 0 bis 4 Volumenprozent enthalten. Sein Anteil am Treibhauseffekt wird auf 60% beziffert. Er entstammt zum größten Teil der natürlichen Verdunstung von Oberflächenwasser, ein geringer Teil wird durch Vulkanismus geliefert. Steigen die Temperaturen auf der Erde an, verdunstet natürlich mehr Wasser und der Gehalt in der Atmosphäre steigt. Das kann den Treibhauseffekt verstärken (positive Rückkopplung), aber durch verstärkte Wolkenbildung auch verringern (negative Rückkopplung). Welcher Effekt überwiegen wird, kann noch nicht eindeutig beantwortet werden.

Das (derzeit) zweitwichtigste Treibhausgas ist das Kohlendioxid (CO2). Sein Gehalt in der Atmosphäre beträgt derzeit 386,3 ppm (= 0,0386%). Während der Eiszeiten lag der Gehalt bei etwa 160 ppm, zwischen der letzten Eiszeit vor zehntausend Jahren bis in die vorindustrielle Zeit, also vor rund 200 Jahren, lag der Kohlendioxidgehalt bei etwa 280 ppm. In den letzten 200 Jahren ist der Gehalt also um etwa 100 ppm bzw. etwa 38% angestiegen, woran hauptsächlich der Mensch schuld ist.
Der Anteil am gesamten Treibhauseffekt wird auf etwa 20% geschätzt, der Anteil am anthropogen verstärkten Treibhauseffekt auf etwa 60%. Die Wirksamkeit als Treibhausgas (GWP, Global Warming Potential) wurde für CO2 mit 1 als Vergleichsgrundlage definiert
Quellen von Kohlendioxid sind die Verbrennung kohlenstoffhaltiger fossiler Bodenschätze wie Erdöl, Erdgas und Kohle, daneben wird CO2 auch durch Vulkanismus freigesetzt. Verbraucher von Kohlendioxid sind die Pflanzen, die photosynthetisch aus Kohlendioxid und Wasser organische Substanz herstellen, allerdings wiegt das die menschengemachte Produktion des Gases nicht auf.
Weitere Effekte eines erhöhten CO2-Gehaltes in der Atmosphäre wären zum Beispiel:
Versauerung der Meere durch Lösung von Kohlendioxid in Wasser, daraus resultierend Schädigung von Korallenriffen
  und anderen Lebewesen mit Kalkskelett
verstärkte Erosion von Kalkstein

Das in seiner Bedeutung folgende Treibhausgas ist Methan CH4. Sein Gehalt in der Atmosphäre lag in der vorindustriellen Zeit (1750) bei 600 bbp (parts per billion, Milliardtsel Teile), aktuell bei etwa 1800 ppb, also dreimal so hoch. Als Treibhausgas ist Methan 25-mal wirksamer als Kohlendioxid (GWP = 25), somit beträgt sein Anteil am anthropogen verstärkten Treibhauseffekt etwa 20%.
Quellen von Methan sind etwa zur Hälfte die mit der Förderung von Erdöl und Erdgas einhergehenden Verluste, die andere Hälfte entstammt der Land- und Forstwirtschaft (Viehzucht !) sowie dem anaeroben (unter Luftabschluss) Abbau organischer Materie in stehenden Gewässer, auf Müllhalden etc.
Als Risikofaktoren bezüglich der Klimaentwicklung werden gebundene Methanvorkommen angesehen. Das wären zum Beispiel im Permafrostboden gebundene Vorkommen und die am Meeresgrund lagernden Methanhydrate, welche bei einer weiteren Erwärmung der Erde (schlagartig ?) freigesetzt werden könnten und den Temperaturanstieg weiter beschleunigen würden.

Das nächste zu erwähnende Treibhausgas ist Lachgas, chemisch exakt Distickstoffmonoxid N2O. Sein Gehalt ist in den vergangenen 250 Jahren von 270 auf 322 ppb angestiegen. Klingt nicht schlimm, jedoch ist Lachgas ein deutlich wirksameres Treibhausgas als CO2, sein GWP wird mit 298 angegeben. Sein Anteil am menschgemachten Treibhauseffekt liegt damit bei 5-6 Prozent.
Zu zwei Dritteln stammt Lachgas aus der Landwirtschaft (Viehhaltung, Freisetzung aus Düngemitteln) und zu einem Drittel aus Verbrennungsvorgängen in Kraftwerken und PKW-Motoren. Interessanter- oder besser unglücklicherweise führt die Verwendung von Drei-Wege-Katalysatoren im Auto zu einer Verringerung von Stickstoffmonoxid- und -dioxidemissionen (gut) auf Kosten einer höheren Emission von Distickstoffmonoxid (schlecht).

Weitere Beiträge zum Treibhauseffekt liefern die als "Ozonschichtzerstörer" bekanntgewordenen Fluorchlorkohlenwasser-stoffe (FCKW). Sie sind komplett menschgemacht und haben derzeit einen Anteil an unsere Lufthülle von 0,5 ppb. Die wirksamsten Verbindungen dieser Stoffgruppe besitzen ein GWP von 11.000 und tragen damit etwa 10% zum anthropogen bedingten Treibhauseffekt bei. Positiv ist anzumerken, dass der Gehalt dieser Gase in der Atmosphäre durch das Verbot 1995 nicht weiter ansteigt, allerdings werden diese Verbindungen nur sehr langsam abgebaut (Dauer bis 100 Jahre).
In diese Gruppe können auch einfache Chlorkohlenwasserstoffe wie Tetrachlormethan ("Tetra", CCl4) und 1.1.1-Trichlorethan (CCl3-CH3) mit eingerechnet werden.

Weitere, kleinere Beiträge zum Treibhauseffekt liefern das bodennahe (troposphärische) Ozon O3 sowie einzelne "Super-Treibhausgase" wie Schwefelhexafluorid SF6 (Verwendung als inertes Schutzgas; GWP 22.800, Verweildauer 3200 Jahre) und Stickstofftrifluorid NF3 (Halbleiterindustrie; GWP 17.200, Verweildauer 740 Jahre).

Gehalte der Treibhausgase in unserer Atmosphöre [Wikipedia]
Die Kurve links oben für CO2 wird auch Keeling-Kurve genannt.


Zusammenfassung Treibhausgase: Das wichtigste Treibhausgas auf der Erde ist Wasserdampf, sein Anteil am Treibhauseffekt liegt zwischen 36 und 70 Prozent, je nach dem Feuchtegehalt der Luft. Dieser Anteil kann vom Mensch nur wenig beeinflußt werden, bestenfalls indirekt über höhere Lufttemperaturen im Zuge der Klimaerwärmung. Das zweitwichtigste Gas ist Kohlendioxid, welches 9 bis 26 % zum Treibhauseffekt beiträgt, gefolgt von Methan (4 - 9 %) und Ozon (3 - 7 %). Auf den Atmosphärengehalt aller dieser Gase hat der Mensch wie erwähnt Einfluss.


Vergleich mit anderen Planeten: Die Venus besitzt ebenfalls eine Atmosphäre, die sogar wesentlich dichter als die irdische ist. Dies bewirkt einen "Luftdruck" am Boden von 92 bar - also das 92-fache des Wertes auf der Erde. Die Atmosphäre besteht zu 96,5% aus Kohlendioxid, zu 3,5 % aus Stickstoff und Spuren von Wasser, Schwefeldioxid und Argon. Durch den CO2-induzierten Treibhauseffekt beträgt die mittlere Temperatur am Boden 464 °C, dass ist heißer als auf dem sonnennäheren Merkur (427 °C), der keine Atmosphäre besitzt.