Treibhauseffekt: Physik einfach erklärt

Die Sonne liefert überwiegend kurzwellige Strahlung. Dazu gehören sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlung und ein Teil der Infrarotstrahlung. Wolken, Teilchen und helle Oberflächen werfen einen Anteil zurück. Atmosphäre und Erdoberfläche absorbieren den Rest und erwärmen sich.

Die warme Erde gibt Energie als langwellige Infrarotstrahlung ab. Langfristig gilt:

Ist die ausgehende Leistung kleiner als die absorbierte Leistung, nimmt das Erdsystem netto Energie auf und erwärmt sich. Mit steigender Temperatur wächst die abgegebene Wärmestrahlung stark, näherungsweise proportional zu $T^4$. Schließlich kann sich ein neues Gleichgewicht einstellen.

Warum wird durch vier geteilt?

Die Sonnenstrahlung trifft die Erde auf einer Querschnittsfläche. Verteilt man die aufgenommene Leistung über die gesamte Kugeloberfläche, entsteht der Faktor $1/4$.

Treibhausgase sind Bestandteile der Atmosphäre, die bestimmte Wellenlängen der Infrarotstrahlung absorbieren und wieder emittieren können. Dazu gehören Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid ($CO_2$), Methan ($CH_4$), Lachgas und Ozon.

Ein Teil der emittierten Strahlung gelangt nach oben, ein anderer nach unten. Die nach unten gerichtete Gegenstrahlung vermindert den Netto-Energieverlust der Oberfläche. Die Oberfläche muss deshalb wärmer werden, um im Gleichgewicht insgesamt genug Energie abzugeben.

Stickstoff und Sauerstoff bilden zwar den größten Teil der Atmosphäre, wechselwirken aber wegen ihres symmetrischen Molekülbaus nur sehr schwach mit der entscheidenden Infrarotstrahlung. Die geringe Menge eines Gases sagt daher allein wenig über seine Strahlungswirkung aus.

Ohne Treibhauswirkung läge die aus der Strahlungsbilanz berechnete effektive Temperatur der Erde bei ungefähr $255\,\mathrm{K}$ beziehungsweise $-18\,^\circ\mathrm{C}$. Die mittlere Oberflächentemperatur liegt dagegen ungefähr bei $+15\,^\circ\mathrm{C}$.

Die effektive Temperatur von etwa $-18\,^\circ\mathrm{C}$ ist außerdem nicht gleichbedeutend mit einer überall $-18\,^\circ\mathrm{C}$ kalten Oberfläche. Sie ist die Temperatur, die ein idealisiertes abstrahlendes System für die berechnete Gesamtleistung hätte.

Die untere Atmosphäre absorbiert in vielen Wellenlängenbereichen bereits einen großen Teil der Bodenstrahlung. Der verstärkte Treibhauseffekt lässt sich deshalb genauer über die wirksame Abstrahlungshöhe erklären.

In der Troposphäre nimmt die Temperatur mit der Höhe im Mittel um ungefähr $6{,}5\,\mathrm{K}$ pro Kilometer ab. Erwärmte Luft steigt auf, dehnt sich bei geringerem Druck aus und kühlt dabei ab.

Mehr Treibhausgas verkürzt für bestimmte Wellenlängen die Strecke, die Strahlung ohne erneute Absorption zurücklegen kann. Daraus folgt diese Kette:

1. Die wirksame Abstrahlung ins All verlagert sich im Mittel nach oben.
2. Die höhere Luft ist zunächst kälter.
3. Sie strahlt deshalb weniger Energie ins Weltall ab.
4. Die absorbierte Sonnenleistung ist vorübergehend größer als die Ausstrahlung.
5. Atmosphäre und Oberfläche erwärmen sich.
6. Die höhere Abstrahlungsregion wird warm genug, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.

Der anthropogene Treibhauseffekt ist die vom Menschen verursachte Verstärkung des natürlichen Effekts. Vor allem die Verbrennung fossiler Rohstoffe erhöht die $CO_2$-Konzentration. Landwirtschaft, Abfallwirtschaft und weitere Prozesse setzen unter anderem Methan und Lachgas frei.

Mehr $CO_2$ und andere langlebige Treibhausgase verändern die langwellige Ausstrahlung. Die dadurch ausgelöste Erwärmung kann weitere Veränderungen anstoßen.

Wasserdampf ist ein wichtiges Beispiel für eine verstärkende Rückkopplung:

1. Zusätzliches $CO_2$ verändert die Strahlungsbilanz und erhöht die Temperatur.
2. Wärmere Luft kann mehr Wasserdampf enthalten.
3. Wasserdampf absorbiert ebenfalls Infrarotstrahlung.
4. Dadurch wird die anfängliche Erwärmung verstärkt.

Wasserdampf ist also zentral für den natürlichen Treibhauseffekt. Bei der gegenwärtigen Verstärkung wirkt er vor allem als temperaturabhängige Rückkopplung.

„Treibhausgase reflektieren Wärme“

Das ist als grobes Bild missverständlich. Physikalisch genauer sind Absorption, Energieaustausch durch Molekülstöße und Emission in unterschiedliche Richtungen.

„Das echte Gewächshaus beweist den atmosphärischen Mechanismus“

Ein Gewächshaus lässt Sonnenlicht hinein, erwärmt Boden und Luft und beeinflusst Wärmestrahlung. Seine Scheiben verhindern aber zusätzlich, dass warme Luft frei aufsteigt und sich mit kalter Außenluft mischt. Dieser unterdrückte Luftaustausch trägt wesentlich zur Erwärmung bei. Die Erdatmosphäre besitzt kein Glasdach und lässt Konvektion zu.

„Die CO₂-Wirkung ist bereits vollständig gesättigt“

$CO_2$ absorbiert nicht bei allen Wellenlängen gleich stark. Neben stark absorbierenden Bereichen gibt es weniger stark gesättigte Randbereiche. Außerdem nimmt die Luftdichte mit der Höhe ab. Zusätzliches $CO_2$ kann deshalb weiterhin die Höhen verändern, aus denen Strahlung das Weltall erreicht.

Eine einzelne Wetterbeobachtung ist kein vollständiger Test des Treibhauseffekts. Wetter beschreibt einen kurzfristigen Zustand; Klima bezieht sich auf statistische Muster über lange Zeiträume. Auch natürliche Schwankungen können einzelne Jahre oder Regionen beeinflussen.

Prüfe eine Behauptung in vier Schritten:

1. Größe klären: Geht es um Temperatur, Strahlungsleistung, Gaskonzentration oder ein einzelnes Wetterereignis?
2. Zeitraum prüfen: Wird ein kurzer Ausschnitt mit einem langfristigen Trend verwechselt?
3. Mechanismus prüfen: Passt die Behauptung zu Energiebilanz, Absorption, Emission und Abstrahlungshöhe?
4. Unsicherheit beachten: Ist die Aussage eine Messung, eine Modellrechnung, ein bedingtes Szenario oder ein Werturteil?

Du kannst den Treibhauseffekt erklären, wenn du die ganze Kette verbinden kannst: Sonnenenergie → Oberflächenerwärmung → Infrarotstrahlung → Absorption und Emission → veränderte Energiebilanz → neue Gleichgewichtstemperatur.