Wie funktioniert der Treibhauseffekt? (in 3 Minuten)

Warum ist es ein Problem, wenn wir zu dem winzigen 0,028% Anteil von CO2 in der Luft noch ein paar Hunderstel Prozent CO2 hinzufügen? Wie kann so ein bisschen Gas unsere Welt ins Wanken bringen?

Es ist wichtig, dass wir alle verstehen, dass es sich dabei nicht um eine fixe Idee von ein paar Schülern handelt, sondern um wissenschaftlich fundierte Erkenntnisse, die schon über 100 Jahre bekannt sind. In diesem Blogpost möchte ich also etwas Grundlegendes zum Treibhauseffekt schreiben.

Seit wann wissen wir, dass es den Treibhauseffekt gibt?

Ich zitiere aus der Wikipedia:

Der Treibhauseffekt wurde 1824 von Joseph Fourier entdeckt und 1896 von Svante Arrhenius erstmals quantitativ genauer beschrieben. Der erste Nachweis des Anstiegs der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen und damit des anthropogenen Treibhauseffekts gelang 1958 Charles D. Keeling. Durch Keeling wurde eine Vielzahl von Messstationen für Kohlenstoffdioxid aufgebaut; die bekannteste befindet sich auf dem Mauna Loa auf Hawaii. Die Meßkurve, die die globale CO2-Kurve zeigt, heißt bis heute Keeling-Kurve.

Anders als der Name suggeriert, basiert die Erwärmung eines Treibhauses durch einfallende Sonnenstrahlen nicht auf dem Treibhauseffekt. Der hier zugrundeliegende Effekt heißt Glashauseffekt. Oft wird für beide Effekte dieselbe Bezeichnung verwendet, im englischen Sprachraum wird fast durchgehend vom Greenhouse effect gesprochen.

Die wichtigsten auf der Erde heute für den Treibhauseffekt verantwortlichen Treibhausgase sind Wasserdampf (Anteil 62 %) gefolgt von Kohlenstoffdioxid (Anteil 22 %). Durch die Erderwärmung erhöht sich zudem z. B. durch die Wasserdampf-Rückkopplung oder die Abnahme der CO₂-Speicherung im wärmeren Ozean die Konzentration dieser Treibhausgase weiter. Diese positiven Rückkopplungen im Klimasystem sind so stark, dass es prinzipiell auch zu einem galoppierenden Treibhauseffekt kommen kann, wie dies beispielsweise auf der Venus in der Vergangenheit geschehen ist.

Ok, wie funktioniert denn das?

Wirkprinzip:

Natürlich hat die Atmosphäre sehr viele sehr komplexe Rückkopplungen, die sich über die letzten Jahrmillionen auf ein bestimmte Gleichgewicht eingestellt haben, dass der Erde eine Durchschnittstemperatur von 18° gibt was Voraussetzung für das Leben auf der Erde ist.

In diesem Gleichgewicht ist die Menge an Energie, die die Sonne auf die Erde strahlt die gleiche Menge, wie die Erde auch wieder abstrahlt (sonst würde sie ja beständig wärmer werden). Wir wissen, dass es sich dabei im Schnitt um 342 Watt pro Quadratmeter handelt, die von der Sonne kommen, und die die Erde durch Reflexion und Infrarotstrahlung wieder abgibt. 

Entscheidend ist, dass die Energie von der Sonne zum größten Teil als relativ kurzwellige sichtbare Licht-Strahlung (unterhalb von 3 µm Wellenlänge) zur Erde kommt, und dort den Boden und das Meer erwärmt. Ein Teil dieser Energie wird von der Erde wieder abgestrahlt, aber – und das ist entscheidend – mit einem viel größeren Anteil an langwelligem Infrarot-Licht (oberhalb von 3 µm Wellenlänge).

Und jetzt kommt eine Besonderheit von Wasser(-dampf), CO2 und NH4 (=Methan) als Gase in der Atmosphäre ins Spiel. Die beiden großen Anteile an der Luft, also Stickstoff und Sauerstoff, interagieren weder mit dem eingestrahlten kurzwelligen Licht noch mit dem abgestrahlten langwelligen Licht. Da geht die Energie ungehindert rein und raus.

Aber Wasser, CO2 und NH4 interagieren mit dem infraroten Licht: Die werden angeregt und heizen sich auf. Das hat mit den Absorptions-Spektren der drei Moleküle zu tun. Nach dem gleichen Prinzip funktioniert die Mikrowelle in der Küche: Man sendet elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge (12 cm) ins Essen, das die Wassermoleküle anregt – und schon wird das Essen warm.

Also, die drei Treibhausgase in der Atmosphäre heizen sich durch das Infrarotlicht auf und geben die Wärme dann zur Hälfte nach oben (ins Weltall) und zur Hälfte nach unten, auf die Erde ab. Damit bleibt von der von der Erde eigentlich abgestrahlten Energie in der Atmosphäre gefangen und die Atmosphäre wird zusätzlich erwärmt. Und das ist auch gut so, ohne Treibhauseffekt hätten wir eine Durchschnittstemperatur von -15° auf der Erde – es gäbe kein Leben auf diesem Eisplaneten.

Und jetzt kommt der anthropogene (=menschengemachte) Treibhauseffekt: Weil wir 60% mehr CO2 und auch mehr NH4 in die Atmosphäre gebracht haben, wird weniger Wärme ins All abgestrahlt, die Luft wird wärmer. Blöderweise kann sie dadurch auch noch mehr Wasserdampf enthalten, was wiederum den Treibhauseffekt verstärkt.

Über viele Jahre und die gesamte Erdoberfläche verursacht der Anstieg von 0,0280% auf 0,04% CO2 Anteil in der Luft, dass mehr Wärme in der Atmosphäre bleibt, und das führt zu einer langsamen Erwärmung. Wir sprechen hier “nur” von 3 Watt pro Quadratmeter mehr. Aber die Gesamt-Energiemenge, die durch diesen Effekt jeden Tag zusätzlich in die Atmosphäre eingebracht wird, ist so groß, als würden täglich 500.000 Hiroshima-Atombomben auf der Erde detonieren. Und deswegen werden die Sommer auch nicht wieder so kühl werden wie in den 80ern.

Und noch ein entscheidendes Detail: Das Problem für uns, für die Tiere und die Pflanzen ist gar nicht mal so sehr die Tatsache, dass sich die Atmosphäre erwärmt, das hat es ja mit Eis-/Warmzeiten schon oft gegeben. Das Problem ist, dass dieser Vorgang in einer noch nie dagewesenen Geschwindigkeit passiert, und sich deshalb alle Lebewesen auf der Erde darauf nicht schnell genug einstellen können. Würde es nicht in 50 Jahren um ein Grad wärmer werden, sondern wie bisher in tausenden von Jahren, können sich die Vegetationszonen und Tiere langsam verschieben und anpassen. Das entfällt dieses Mal. Und wir Menschen sind auch nicht gerade gut, Millionen Menschen zu verschieben.

OK, das ist meine kurze Zusammenfassung. Wie man sieht, das Wirkprinzip haben wir Menschen schon ganz gut verstanden. Man kann das im Kern in ca. 10 Sätzen erklären.

Der Treibhauseffekt ist übrigens – wie von mir dargestellt – im Fach Physik Grundlagen- und Prüfungs-Stoff in der 9. und 10. Klasse in Realschule und Gymnasium.

Links

Hier noch ein paar Links mit Infos zum Thema

Lernhelfer (Nachhilfe in Physik für Schüler)
Treibhauseffekt

Welt der Physik (Dt. Gesellschaft für Physik)
Der Treibhauseffekt in der Erdatmosphäre

Max Planck Institut für Meteorologie in Hamburg
Wie funktioniert der Treibhauseffekt?
Von dort ist eine sehr tiefgreifende Beschreibung mit physikalischen Formeln und sehr guten Schaubildern verlinkt.