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Wetterthema

07.09.2017

Wie funktioniert der Treibhauseffekt?

Bei all den derzeitigen Krisen auf der Welt scheint der Klimawandel fast schon etwas in Vergessenheit zu geraten. Wir erklären nochmal was physikalisch prinzipiell dahinter steckt und insbesondere, was der Begriff Treibhauseffekt bedeutet.

Die Sonne stellt mit ihrer zur Erde gesandten Strahlung die weitaus größte Energiequelle unseres Planeten dar. Den oberen Rand der Atmosphäre erreicht im räumlichen und zeitlichen Mittel ein Strahlungsfluss von circa 174000 Terawatt, was der Leistung von etwa 125 Mio. mittlerer Kernkraftwerke entspricht. Diesen Wert setzen wir in unserer Grafik mit 100% an. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre wird ein Teil dieser Strahlung durch Luftmoleküle gestreut und an Wolken reflektiert und wieder zurück ins All geschickt. Die übrig bleibende Strahlung erreicht den Erdboden und wird dort nochmals teilweise reflektiert. Im globalen Mittel verlassen 30 % der von der Sonne kommenden Strahlung wieder das System Erde-Atmosphäre. Das bedeutet umgekehrt, der Erde stehen zusammen mit ihrer Atmosphäre 70% der ursprünglichen Energie von der Sonne zur Verfügung.

Was passiert nun mit dieser Energie? Jeder Körper strahlt in Abhängigkeit von seiner Temperatur Wärme ab. Dies geschieht in Form elektromagnetischer Wellen (Infrarotstrahlung), die für das menschliche Auge unsichtbar sind. So schickt auch die Erde permanent Wärmestrahlung in Richtung Weltall. Denkt man sich die Erdatmosphäre einmal gänzlich durchlässig für Infrarotstrahlung, so lässt sich leicht eine Gleichgewichtstemperatur errechnen, bei welcher der Gewinn durch die Einstrahlung von der Sonne gerade gleich dem Verlust durch die Abstrahlung wäre. Diese Temperatur würde sich an der Erdoberfläche bei nur -18 °C einpendeln.

In der Realität ist die Atmosphäre jedoch in der Lage, wegen ihres Anteils an sogenannten Klimagasen wie Kohlendioxid, Methan, Stickstoffdioxid und vor allen Dingen Wasserdampf, eine gewisse Menge der Wärmestrahlung aufzuhalten. Diese Gase absorbieren einen Teil der von der Erdoberfläche ausgesandten Strahlung und wandeln diese in Wärme um. Sie kommt zunächst der Atmosphäre selbst zugute. Da aber auch Gase Wärme abstrahlen, schicken sie über diesen Weg einen Teil davon wieder zurück in Richtung Erdboden (siehe unsere Abbildung), der seinerseits einen Teil davon aufnimmt und sich dadurch erwärmt. Den Klimagasen kommt somit im System Erde-Atmosphäre die Rolle zu, welche jener der Glasscheiben in einem Treibhaus entspricht. Dadurch bleibt letztlich ein Stück der Energie im System gefangen, und es gelangt weniger Energie zurück ins Weltall.

Gäbe die Erde aber, absolut gesehen, tatsächlich weniger Energie ab, als sie von der Sonne erhält, würde sie sich permanent aufheizen. Dies geschieht nicht, besser gesagt, geschah über lange Zeit nicht. Es stellt sich vielmehr ein Gleichgewichtszustand bei einer höheren Temperatur und damit größeren Infrarotstrahlungswerten ein. Diese Temperatur ist gerade so hoch, dass wiederum 70% des Inputs unseren Planeten ins All verlassen. Damit liegt die globale Durchschnittstemperatur weitaus höher als -18 °C. Sie betrug vor Beginn der Klimaveränderung etwa 13,5 °C. Das wirksamste Gas ist hierbei der Wasserdampf. Seine Anwesenheit alleine lässt die Mitteltemperatur auf +2 °C klettern. Für die restlichen Grade sind die übrigen Klimagase verantwortlich.

Diese Wirkung, welche die Klimagase bereits in ihrer einstmaligen und ja noch geringeren Konzentration geleistet haben, wird als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet. Er hat sich ohne menschliches Zutun entwickelt. Vor allem durch die Verbrennung fossiler Energieträger hat insbesondere die Menge an Kohlendioxid in der jüngeren Vergangenheit deutlich zu genommen. Demzufolge wird auch der Treibhauseffekt verstärkt, und die Erde heizt sich allmählich auf, da im Mittel tatsächlich etwas weniger Energie das System Erde-Atmosphäre verlässt als diesem von der Sonne zu kommt (was mit dem „Kleiner“-Zeichen in der Grafik angedeutet wurde). Man spricht daher vom anthropogenen, also menschengemachten Treibhauseffekt.

Die globale Durchschnittstemperatur hat sich nach Angaben der Weltorganisation für Meteorologie (Abk., engl.: WMO) bis zum Jahr 2016 auf circa 14,5 °C erhöht. Nach einhelliger wissenschaftlicher Meinung wird sich der Trend zur Erwärmung längerfristig und unumkehrbar fortsetzen. Allenfalls eine Dämpfung des Anstiegs ist durch eine Reduktion des Ausstoßes von Treibhausgasen noch möglich.


Donnerstag, 7. September 2017

Dipl.-Met. Rainer Behrendt

ARD-Wetterredaktion

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