Kurs:Wikiversity:Archiv/Fachbereiche/Agrarwissenschaft/Übung 1 - Der Treibhauseffekt

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In diesem ersten Abschnitt zum Kurs über die globale Erwärmung beschäftigen wir uns mit dem Wikipedia Treibhauseffekt. Grundlegende Elemente dieses überaus komplexen Phänomens werden dargestellt, darunter der Strahlungshaushalt und die Rolle der Konvektion. Zuletzt werden häufig zu lesende Missverständnisse aufgeklärt.

Der Treibhauseffekt[Bearbeiten]

In Anlehnung an eine längst vergessene Fernsehwerbung könnte man sagen: "Die Geschichte des Treibhauseffekts ist eine Geschichte voller Missverständnisse." Grund dafür sind die zahllosen gut gemeinten, aber dennoch falschen Versuche, den Treibhauseffekt mit einfachen Worten zu erklären. Diese Vergleich fangen bereits beim Namen dieses Phänomens an: TREIBHAUSeffekt suggeriert, dass die physikalischen Prozesse, die den Effekt bedingen, mit denen innerhalb eines Gewächshauses vergleichbar seien. Andere Erklärungen behaupten, der Treibhauseffekt sei vergleichbar mit einer warmen Decke, die man sich über den Körper lege. Wiederum andere Versuche kommen physikalischer daher und meinen, eine dicker werdende Schicht von Treibhausgasen führe dazu, dass mehr Wärmestrahlung am Verlassen der Erdatmosphäre gehindert wird, indem die Treibhauseffekt sie zurück zur Erdoberfläche reflektieren würden. Um es kurz zu machen: Diese ganzen Erklärungen sind allesamt grundfalsch - und die Realität ist irrsinnig viel komplizierter. Wer den Treibhauseffekt zumindest in Grundzügen korrekt verstehen will, steht damit vor einem ziemlich mächtigen Problem: Ohne physikalisches Studium ein Phänomen zu verstehen, das an Komplexität seinesgleichen sucht. Los gehts!

Geschichte der Erforschung des Treibhauseffektes[Bearbeiten]

Historisch gesehen werden heute vor allem die Forscher Wikipedia Joseph Fourier (1768-1830), Wikipedia John Tyndall (1820-1893) und Wikipedia Svante Arrhenius (1859-1927) mit der Entdeckung und Quantifizierung des Treibhauseffektes in Verbindung gebracht. 1824 entdeckte Fourier, dass das Sonnenlicht ungehindert die Atmosphäre in Richtung Erde passieren konnte. Wandelte sich dieses an der Erdoberfläche in Wärme um, schien der umgekehrte Weg zurück in den Weltraum jedoch nicht so einfach zu sein. Welche Substanz in der Luft dafür verantwortlich gemacht werden konnte, war Fourier jedoch nicht klar.

1859 dann konnte Tyndall die für diesen Effekt verantwortlichen Stoffe identifizieren. Er entdeckte, dass in der Atmosphäre in geringen Mengen vorkommende Stoffe wie Wasserdampf und Kohlendioxid (CO2) Wärmestrahlung absorbieren und sich dadurch aufheizen können. Damit war klar, dass Stickstoff, Sauerstoff und Argon, die zusammen 99,9% der Erdatmosphäre ausmachen, praktisch keine Treibhauswirkung entfalten. Doch in welchem Ausmaß der Effekt durch die Treibhausgase global auftritt, blieb Tyndall verborgen.

Im Jahr 1895 gelang dann die erste Quantifizierung des neu entdeckten Effektes. Svante Arrhenius errechnete, dass eine Halbierung des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre in Anbetracht seines Treibhauspotenzials zu einer Abkühlung um 4-5°C führen sollte. Damit glaubte er, den Schlüssel für die wiederkehrenden Eiszeiten in der jüngeren Erdgeschichte gefunden zu haben. Heute werden die Eiszeiten hingegen auf Schwankungen der Sonnenaktivität zurückgeführt, die so genannten Milanković-Zyklen.

Bei einer Verdoppelung des CO2-Gehaltes ging Arrhenius von einer Erhöhung der Temperatur um 5-6°C aus. Das ist, gemessen an den damaligen Methoden und an den heutigen Schätzungen, die zwischen 2 und 4,5°C (mit einem besten Schätzwert um 3°C) liegen, eine erstaunlich genaue Berechnung. Für den schwedischen Forscher konnte sich eine solche Erhöhung jedoch allenfalls im Zeitraum von mehreren tausend Jahren vollziehen. Heute wissen wir, dass dies durch den menschlichen Ausstoß des Treibhausgases auch in weniger als 100 Jahren passieren kann.

Absorptionsbanden[Bearbeiten]

Bevor wir uns der Strahlungsbilanz und damit der Frage zuwenden, wie stark Treibhausgase die Erde aufheizen, steht noch eine andere Frage im Raum: Wie schaffen es die Treibhausgase physikalisch überhaupt, die Erde zu erwärmen?

Spektrale Intensität der Sonne und der von der Erde ausgehenden infraroten Strahlung, zusammen mit einer übersicht der totalen Absorptionsanteile sowie einer Aufspaltung in die wichtigsten Treibhausgase.


Der Strahlungshaushalt der Erde[Bearbeiten]

Das Schema des irdischen Strahlungshaushaltes nach Trenberth/Fasullo/Kiehl 2008. Die kurzwellige Strahlung der Sonne erreicht die Atmosphäre. Etwa die Hälfte dieser Strahlung gelangt ungehindert bis zur Erdoberfläche. Von der Erde ausgehende langwellige Strahlung wird in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Die Atmosphäre strahlt ihrerseits einen beträchtlichen Anteil in den Weltraum - aber noch mehr findet den Weg zurück zur Erdoberfläche. Diese „atmosphärische Gegenstrahlung“ macht den Treibhauseffekt aus.

Wie alle Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes von 0 Kelvin (ca. -273,15°C) strahlt die Sonne Licht innerhalb eines bestimmten Frequenzspektrums aus, welches sich über das Wikipedia Plancksches_Strahlungsgesetz berechnen läßt. In Abhängigkeit von der Körpertemperatur zeigt dieses Spektrum ein Emissionsmaxium. Der Zusammenhang von Temperatur und Emissionsmaxium wird durch das Wikipedia Wienscher_Verschiebungssatz beschrieben. Der Großteil des Sonnenlichts fällt wegen ihrer hohen Temperatur in den Bereich des für uns Menschen sichtbaren Spektrums. Für dieses Licht ist unsere Atmosphäre weitgehend, wenn auch nicht vollständig durchlässig.

Die von der Sonne ausgehende und bei uns ankommende Energiemenge beträgt 1.367 Watt pro Quadratmeter, dieser Betrag wird auch als Solarkonstante bezeichnet. Diese 1.367 Watt/m² treffen aber nur dort zu, wo die Sonne senkrecht über der Erdoberfläche steht. Die Nachtseite trifft keine Sonnenstrahlung. Im Mittel kommen so auf jeden Quadratmeter Erdoberfläche wegen der Kugelgestalt nur 1/4, d.h. theoretisch knapp 342 Watt.

Theoretisch deshalb, weil praktisch die Wolken zusammen mit Eis- und Schneeflächen dafür sorgen, dass ein Anteil von etwas über 31% des Sonnenlichts direkt wieder in den Weltraum zurückgestrahlt wird. Diese Reflexion wird als Albedo bezeichnet, und sie verringert die ankommende Energiemenge weiter. Insgesamt werden durch die Albedo 107 W/m² gleich wieder reflektiert. Weitere 67 Watt heizen direkt die Atmosphäre auf, so dass von den ursprünglichen 342 Watt immerhin noch 168 Watt jeden Quadratmeter der Erdoberfläche treffen. Diese 168 Watt heizen den Erdboden und das Meerwasser unmittelbar auf. Das Diagramm rechts stellt in der linken Hälfte diese Strahlungsflüsse gut dar.

So viel zur Strahlung, welche die Erde direkt von der Sonne erreicht. Die Erde strahlt als warmer Körper ebenso wie die Sonne Licht ab, allerdings wegen der deutlich geringeren Temperatur nicht im sichtbaren Spektrum, sondern im Infrarotbereich. Wie aus dem Diagramm zu erkennen ist, emittiert die Erde 390 W/m². 40 davon verschwinden durch das atmosphärische Fenster direkt in den Weltraum, und 350 heizen die Atmosphäre, also die Treibhausgase in der Luft, auf. Wir sehen, dass die Atmosphäre von zwei Quellen erwärmt wird: Der von der Sonne und von der Erde kommenden Strahlung.

Für Treibhausgase gilt das selbe wie für die Sonne, die Erde oder auch uns Menschen: Eine gewisse Temperatur geht mit einer bestimmten Strahlung in einer bestimmten Wellenlänge einher. Die erwärmten Treibhausgase strahlen selber entsprechend ihrer Temperatur. Diese Strahlung ist keineswegs ausschließlich zur Erde gerichtet, sondern sie geschieht ungerichtet, das heißt grob die Hälfte wird in Richtung Weltraum, die andere Hälfte in Richtung Erdoberfläche gestrahlt. Die insgesamt von der Erdoberfläche und der Atmosphäre in den Weltraum emittierte Strahlung summiert sich auf 235 W/m². Den gewichtigsten Faktor für die Erderwärmung durch Treibhausgase, also den umgekehrt wieder zur Erde gerichteten Strahlungsfluss, macht die so genannte Wikipedia atmosphärische Gegenstrahlung aus. Sie sorgt dafür, dass die Erde weitere 324 W/m² erhält.

Die Rolle der Konvektion[Bearbeiten]

Populäre Mythen[Bearbeiten]

Wer den Treibhauseffekt bis hierhin verstanden hat, kann sich jetzt an der Widerlegung populärer Irrtümer darüber versuchen. Zur Lektüre sind dafür folgende Texte vorgesehen:

Weitere Links[Bearbeiten]

Übungsaufgaben[Bearbeiten]