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[[Datei:Atmospheric Transmission de.png|mini|70 bis 75 % des rot  markierten, kurzwelligen Strahlungsanteils gelangen durch die Atmosphäre bis auf die Erdoberfläche, die sich dadurch aufheizt und wiederum Infrarotstrahlung aussendet (blau markiert), deren Abstrahlung ins All aber von Treibhausgasen behindert wird. Eingezeichnet sind drei Wellenlängenbereiche von Infrarotstrahlung, wie sie von Objekten mit auf der Erdoberfläche üblichen Temperaturen emittiert wird; violett (+37 °C), blau und schwarz (−63 °C) die Grafiken darunter zeigen, welche Treibhausgase welche Teile des Spektrums filtern]]
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Der '''Treibhauseffekt''' ist die Wirkung von [[Treibhausgas]]en in [[Atmosphäre (Astronomie)|Atmosphären]] auf die Temperatur am Boden. Er bewirkt eine Temperaturerhöhung auf [[Planet]]enoberflächen, unter anderem der Erde. Der Effekt entsteht dadurch, dass die Atmosphäre weitgehend transparent für die von der Sonne ankommende kurzwellige Strahlung ist, jedoch wenig transparent für die langwellige Infrarotstrahlung, die von der warmen Erdoberfläche und von der erwärmten Luft [[Emission (Umwelt)|emittiert]] wird.  


== Kopiervorlage ==
Der durch menschliche Eingriffe wie vor allem die Emission langlebiger Treibhausgase (Kohlendioxid, Methan und Stickoxide) und troposphärischem Ozon aus Verbrennungsprozessen bewirkte Anteil am atmosphärischen Treibhauseffekt wird ''[[anthropogen]]er Treibhauseffekt'' genannt, siehe hierzu ''[[globale Erwärmung]]''.


<pre style="white-space:pre-wrap;">
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 David Keeling|Charles D. Keeling]], einem Studenten bei [[Roger Revelle]]. Durch Keeling wurde eine Vielzahl von Messstationen für [[Kohlenstoffdioxid]] aufgebaut; die bekannteste befindet sich auf dem [[Mauna Loa]] auf [[Hawaii]].
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== Beispiele ==
Anders als der Name suggeriert, basiert die Erwärmung eines Treibhauses durch einfallende Sonnenstrahlen nicht auf dem Treibhauseffekt. Der hier zugrundeliegende Effekt heißt [[#Glashauseffekt|Glashauseffekt]]. Oft wird für beide Effekte dieselbe Bezeichnung verwendet, im englischen Sprachraum wird fast durchgehend vom ''Greenhouse effect'' gesprochen.


<pre style="white-space:pre-wrap;">
Die wichtigsten auf der Erde heute für den Treibhauseffekt verantwortlichen Treibhausgase sind Wasserdampf (Anteil 62 %) gefolgt von [[Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre|Kohlenstoffdioxid]] (Anteil 22 %). Durch die Erderwärmung erhöht sich zudem z.&nbsp;B. durch die [[Wasserdampf-Rückkopplung]] oder die Abnahme der CO<sub>2</sub>-Speicherung im wärmeren Ozean die Konzentration dieser Treibhausgase weiter. Diese positiven Rückkopplungen im Klimasystem sind so stark, dass es prinzipiell auch zu einem [[Galoppierender Treibhauseffekt|galoppierenden Treibhauseffekt]] kommen kann, wie dies beispielsweise auf der Venus in der Vergangenheit geschehen ist.
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ergibt:
== Physikalische Grundlagen ==
[[Datei:earth energy budget.svg|mini|hochkant=2|lang=de|Der Energiehaushalt der Erde wird nicht nur durch Treibhausgase, sondern auch durch die Wolken beeinflusst.]]


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Vergleiche mit Daten anderer Planeten und Berechnungen zeigen, dass es nicht nur auf der Erde einen Treibhauseffekt gibt. Aus dem [[Albedo|Rückstrahlvermögen]] der [[Erde#Globaler Energiehaushalt|Erde]] kann man die [[Gleichgewichtstemperatur]] berechnen, die bestehen würde, wenn es ''keine'' Atmosphäre gäbe: Sie würde in diesem Fall im Mittel −18&nbsp;°C betragen. Das ist deutlich weniger als der durch Messungen und Interpolation bestimmte Wert von +14&nbsp;°C.<ref>{{Literatur |Autor=P. D. Jones, M. New, D. E. Parker, S. Martin, I. G. Rigor |Titel=Surface air temperature and its changes over the past 150 years |Sammelwerk=Reviews of Geophysics |Band=37 |Nummer=2 |Datum=1999 |Seiten=173–199 |Online=[http://www.st-andrews.ac.uk/~rjsw/papers/Jones-etal-1999.pdf Online, PDF] |DOI=10.1029/1999RG900002}}</ref>
{{Glomer-Suche|Christian+Rosenkreutz}}
 
Der Unterschied ist beim Nachbarplaneten [[Venus (Planet)|Venus]] viel gewaltiger: Statt der berechneten –20 °C&nbsp; wurde tatsächlich etwa 440&nbsp;°C gemessen. In beiden Fällen gibt es eine Ursache: Den Treibhauseffekt. Ein Rechenbeispiel für einen in mehrerlei Hinsicht idealisierten Planeten findet sich im Artikel [[Idealisiertes Treibhausmodell]].
 
=== Einzelheiten des Mechanismus ===
[[Datei:Sun climate system alternative (German) 2008.svg|mini|hochkant=2|Überblicksdarstellung des Treibhauseffekts. Kurzwellige Strahlung der Sonne trifft auf die Atmosphäre und Erdoberfläche. Langwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche abgestrahlt und in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Die Zahlen geben die aktuelle Leistung in Watt pro Quadratmeter an]]
 
Der Treibhauseffekt kann in folgenden Schritten erklärt werden:
# Die Sonne strahlt sehr viel Energie in Form von elektromagnetischen Wellen zur Erde. Dadurch wird die Oberfläche der Sonne gekühlt (Strahlungs[[kühlung]]).
# Die häufigsten [[Wellenlänge]]n der [[Photon]]en des [[Sonnenlicht]]es liegen um 500&nbsp;nm, das entspricht grünem Licht, wobei die Summe aller sichtbaren Sonnenstrahlen meistens als weißes Licht empfunden wird. Aus diesem Strahlungsmaximum kann man auf die Oberflächentemperatur der Sonne rückschließen: etwa 5600&nbsp;°C oder 5900&nbsp;K.
# In diesem [[Elektromagnetisches Spektrum|Spektralbereich]] (sichtbares Licht) absorbieren die Lufthülle der Erde so wie auch die Glasscheiben eines Treibhauses nur wenig Strahlung – man spricht von hoher [[Transparenz (Physik)|Transparenz]]. Die Strahlung kann also fast ungehindert in das Treibhaus.
# Die Gegenstände im Treibhaus, hier vor allem die Erdoberfläche, [[Absorption (Physik)|absorbieren]] die Photonen und [[Wärme|erwärmen]] sich dadurch
# Die erwärmten Gegenstände strahlen ebenfalls [[Wärmestrahlung|elektromagnetische Wellen]] ab, deren häufigste Wellenlängen aber bei 10.000&nbsp;nm liegen ([[Infrarotstrahlung]]). Der Grund für diese Vergrößerung der Wellenlänge heißt [[wiensches Verschiebungsgesetz]]: Wenn die (absolute) Temperatur auf 1/20 sinkt (hier von etwa 6.000&nbsp;K, Sonne, auf etwa 300&nbsp;K, Erde), steigt die Wellenlänge, bei der die größte Strahlungsintensität auftritt, auf das 20fache.
# Für diese „Rückstrahlung“ sind aber Glas und bestimmte Elemente in der Lufthülle der Erde [[Atmosphärisches Fenster|weniger durchlässig]]. Die Strahlung wird teilweise absorbiert. Gleichzeitig können die Treibhausgase Wärmestrahlung weit besser abgeben als Stickstoff und Sauerstoff. Sie strahlen die durch Absorption und [[Konvektion]] erhaltene Energie als Wärmeenergie gleichmäßig in alle Richtungen, also auch zum Boden hin, ab. Der Boden erhält so zusätzliche Wärmestrahlung („[[Atmosphärische Gegenstrahlung]]“).
 
=== Gesetzmäßigkeiten ===
Wenn Strahlung durch Materie geht, wird sie von der Materie teilweise absorbiert und teilweise durchgelassen. Die Stärke von Absorption und Durchlässigkeit hängt von der Wellenlänge (im sichtbaren Bereich = Farbe) der Strahlung ab. Der Treibhauseffekt tritt auf, wenn die Durchlässigkeits- und [[Absorption (Physik)|Absorptionskoeffizienten]] der Begrenzungen eines Volumens [[wellenlänge]]nabhängig sind. Dabei tritt die äußere Strahlung relativ ungehindert in das Volumen ein und wird ergänzt durch Strahlung, die von der Begrenzung ausgeht. Eng verbunden mit der von der Begrenzung ausgehenden Strahlung ist, dass die innere Strahlung von der Begrenzung des Volumens weitgehend absorbiert wird ([[Kirchhoffsches Strahlungsgesetz|Kirchhoffsche Gesetze]]). Dabei wird ein wesentlicher Teil der inneren Strahlung im eingeschlossenen Volumen von den Begrenzungen absorbiert oder reflektiert. Dabei spielt die Reflexion beim ''atmosphärischen Treibhauseffekt'' keine Rolle und auch beim ''Glashaus'' ist die Bedeutung der Reflexion sehr gering, weil im relevanten Wellenlängenbereich die Glasscheiben fast als [[Schwarzer Körper|schwarze Körper]] wirken. Zu dieser inneren Strahlung kommt eine weitere Strahlung (hauptsächlich von der Sonne), die einen Teil der Begrenzung ([[Glas]]scheiben beziehungsweise die Schicht der [[Treibhausgas]]e) wegen der anderen Wellenlänge fast mühelos durchdringt ('''selektive Transparenz''') und von einem anderen Teil der Begrenzungsfläche (beispielsweise Erdboden) absorbiert wird. Durch die Summe der beiden Strahlungen (innere Strahlung eines Hohlraums, die von '''allen''' Begrenzungsflächen ausgeht, plus der durchgelassenen Strahlung) werden die getroffenen Stellen stärker erwärmt als ohne Scheibe oder Treibhausgas.
 
== Glashauseffekt ==
[[Datei:Botanischer Garten BS.Seerosen.jpg|mini|Gewächshaus]]
Als Glashauseffekt (abgeleitet aus dem Französischen von ''effet de serre'', wie er zuerst von Joseph Fourier genannt wurde) wird der Effekt bezeichnet, wenn in einem Innenraum durch verglaste Fensteröffnungen oder Dächer Sonnenlicht einfällt und von den Materialien des Innenraums absorbiert wird. Diese heizen sich und indirekt die Innenraumluft dadurch deutlich über das Niveau der Umgebungstemperatur auf. Durch das Glas wird Auskühlung durch Unterbindung der [[Konvektion (Wärmeübertragung)|Konvektion]] verhindert.
 
Die Erwärmung eines [[Gewächshaus|Treibhauses]] durch einfallende Sonnenstrahlen basiert sowohl auf diesem Glashauseffekt als auch auf dem Treibhauseffekt, oft werden die Begriffe aber synonym verwendet.
 
Die aufgeheizten Boden- und Wandflächen erwärmen über Wärmeleitung und Konvektion die Luft im Innenraum, gleichzeitig strahlen sie langwellige [[Infrarotstrahlung]] ab. Da in einem geschlossenen Glashaus fast kein Austausch zwischen der erwärmten Innenraumluft und der kühleren Außenluft stattfindet, wird die eingefangene Strahlungswärme der Sonne nicht über Konvektion in die Atmosphäre abgeführt. Das Auskühlen eines Glashauses erfolgt über nicht vom Glas (oder sonstigem Bedeckungsmaterial) absorbierte oder reflektierte Wärmestrahlung, über Wärmeableitung durch das Glas und die Stege und folgenden [[Windchill]] außen sowie durch Weglüften feuchter Luft, die Wärme als [[Verdampfungswärme]] gespeichert hat (trockene abgeblasene Luft hat nur geringe [[Wärmespeicherkapazität]]).
 
Neben der Nutzung des Effekts in Unterglaskulturen und [[Gewächshaus|Treibhäusern]] wird über die passive Sonnennutzung auch in der [[Architektur]] Heizenergie eingespart. Durch eine Südausrichtung großer Glasfronten und [[Wintergarten|Wintergärten]] wird die Baumasse des Gebäudes durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Insbesondere bei gut gedämmten [[Niedrigenergiehaus|Niedrigenergie-]] und [[Passivhaus|Passivhäusern]] ist mittags sogar eine Verschattung der Glasflächen nötig, um die Gebäude nicht überhitzen zu lassen. Auch in einem in der Sonne geparkten Auto lässt sich dieses Phänomen erfahren.
 
=== Selektive Transparenz ===
Gewöhnliches Fensterglas ist transparent für sichtbares Licht und kurzwelliges Infrarot, wie es von der Sonne abgestrahlt wird. Für langwelliges Infrarot (den Bereich der Wärmestrahlung bei den Glashaustemperaturen) ist es undurchlässiger. [[Robert Williams Wood|R. W. Wood]] verglich 1909 die Erwärmung zweier pechschwarzer Pappschachteln unter Sonneneinstrahlung. Eine Pappschachtel war mit Fensterglas, die andere mit [[Steinsalz]] abgedeckt. Ein Thermometer maß die Lufttemperatur. Steinsalz lässt im Gegensatz zu Glas auch langwellige Infrarotstrahlung passieren. Es ergab sich ein Temperaturunterschied von einem Grad Celsius bei einer Maximaltemperatur von etwa 55&nbsp;°C. Wood schloss daraus, dass die Unterdrückung der Wärmeabgabe durch das Blockieren der Wärmeabstrahlung durch das Glas vorhanden ist, aber eine untergeordnetere Rolle spielt, und der wesentliche Anteil der Erwärmung in einem Glashaus aufgrund der Unterdrückung der Wärmeabgabe durch Konvektion zustande kommt.<ref name="wood1909">{{Literatur |Autor=R. W. Wood |Titel=Note on the Theory of the Greenhouse |Sammelwerk=Philosophical Magazine |Band=17 |Datum=1909 |Seiten=319–320 |Online=http://www.wmconnolley.org.uk/sci/wood_rw.1909.html |Zitat=There was now scarcely a difference of one degree between the temperatures of the two enclosures. The maximum temperature reached was about 55&nbsp;°C. […] It is clear that the rock-salt plate is capable of transmitting practically all of it, while the glass plate stops it entirely. This shows us that the loss of temperature of the ground by radiation is very small in comparison to the loss by convection, in other words that we gain very little from the circumstance that the radiation is trapped. […] I do not pretend to have gone very deeply into the matter, and publish this note merely to draw attention to the fact that trapped radiation appears to play but a very small part in the actual cases with which we are familiar.}}</ref>
Die Erwärmung des Gewächshauses beruht demnach hauptsächlich darauf, dass die einfallende Solarstrahlung den Raum erwärmt und die Wärmeabgabe durch [[Konvektion|Luftaustausch]] mit der Außenluft verhindert wird.<ref>{{Literatur |Autor=Abraham H. Oort, José Pinto  Peixoto |Titel=Physics of climate |Verlag=American Institute of Physics |Ort=New York |Datum=1992 |ISBN=0-88318-711-6 |Zitat=...the name water vapor-greenhouse effect is actually a misnomer since heating in the usual greenhouse is due to the reduction of convection}}</ref><ref name="Schroeder">{{Literatur |Autor=Daniel V. Schroeder |Titel=An introduction to thermal physics |Verlag=[[Addison-Wesley]] |Ort=San Francisco |Datum=2000 |ISBN=0-321-27779-1 |Seiten=305–307 |Zitat=[…] this mechanism is called the ''greenhouse effect'', even though most greenhouses depend primarily on a different mechanism (namely, limiting convective cooling).}}</ref> Wood weist am Ende seiner Veröffentlichung darauf hin, dass seine Arbeit nur sehr oberflächlich ist und allenfalls Mutmaßungen zulässt und dass er die Problematik zum Treibhauseffekt bei Planeten nicht untersucht hat.<ref name="wood1909"></ref>
 
Die Strahlungsbilanz hängt von der Differenz der 4. Potenz der Temperaturen ab. Je größer der Temperaturunterschied, desto bedeutender wird die Strahlungskomponente. Durch die Wahl der Verglasung kann man diesen Umstand gezielt ausnutzen, zum Beispiel durch einen IR-absorbierenden Sandwich-Aufbau des Glases.<ref>{{Internetquelle|url=http://horteng.envsci.rutgers.edu/Workshop/Lecture4.pdf|titel=Greenhouse Glazing Effects on Heat Transfer for Winter Heating and Summer Cooling|autor=David R. Mears, Ph.D.|hrsg=Bioresource Engineering, Department of Plant Biology and Pathology, Rutgers University|werk=http://horteng.envsci.rutgers.edu/workshop.htm|datum=1998-10-01|sprache=en|zugriff=2014-04-19}}</ref>
<!-- Die Wärmestrahlung der Sonne ist so stark, dass Gewächshäuser in den Sommermonaten tagsüber über geöffnete Dachluken gekühlt werden müssen, um nicht zu überhitzen. Nachts kann es hingegen auch im Sommer recht kühl werden. Ursache sind Verluste durch Wärmeleitung (gering), Luftmassenaustausch durch Lüftung (größer, wenn möglich), besonders jedoch die Abstrahlung von der Glashausaußenseite in den Weltraum (besonders bei sternenklarem Himmel), der die gesamte Erdkruste nachts unterliegt. Weil die Glashauswände in der Regel so gebaut sind, dass der Wärmestrom von der Innenseite der Glashauswand zur Außenseite nur sehr marginal behindert wird, kühlt dabei auch das Innere des Glashauses ab. Hält man bei Nacht jedoch die Luken geschlossen, wird der Wärmeverlust gedämpft, die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht sind geringer und man bewirkt somit ein ausgeglicheneres und relativ warmes [[Mikroklima]] im Gewächshaus.  <<  Wiedersprüchliche und inkonsistente Angaben. Kann das jemand aufklären? Sonst sollte der Absatz wohl komplett gestrichen werden. -->
 
Auch [[Sonnenkollektor]]en nutzen den Effekt. Hier kann die selektive Transparenz des Glases um die selektive Absorption des Kollektors ergänzt werden, um dessen Wärmeabstrahlung zu verringern. Bei [[Vakuumkollektor]]en wird zusätzlich die Konvektion zwischen Glas und Kollektor weitgehend unterbunden.
 
== Atmosphärischer Treibhauseffekt ==
 
=== Treibhausgase ===
{{Hauptartikel|Treibhausgas}}
 
[[Datei:Sun climate system alternative (German) 2008.svg|mini|hochkant=2|Kurzwellige Strahlung der Sonne trifft auf die Atmosphäre und Erdoberfläche. Langwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche abgestrahlt und in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Im thermischen Gleichgewicht wird die absorbierte Energie der Atmosphäre je zur Hälfte in Richtung Erde und Weltall abgestrahlt. Die Zahlen geben die Leistung der Strahlung in Watt/Quadratmeter für den Zeitraum 2000–2004 an. Die Erde befindet sich aktuell nicht im thermischen Gleichgewicht. Sie heizt sich auf durch die infolge menschlicher Aktivität erhöhte Konzentration von Treibhausgasen. Der Einstrahlung in Höhe von 341,3&nbsp;W/m² steht eine Abstrahlung von 340,4&nbsp;W/m² gegenüber]]
[[Datei:Atmosphärische Durchlässigkeit DE.svg|mini|Durchlässigkeit der Atmosphäre für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen. Der gelbe Bereich heißt Atmosphärisches Fenster; dort ist die Atmosphäre durchlässig für elektromagnetische Wellen des Infrarot-Bereiches.]]
 
In der [[Erdatmosphäre]] bewirken Treibhausgase wie [[Wasserdampf]], [[Kohlenstoffdioxid]], [[Methan]] und [[Ozon]] seit Bestehen der Erde einen Treibhauseffekt, der entscheidenden Einfluss auf die [[Klimageschichte]] der Vergangenheit und das heutige [[Klima]] hat. Die Treibhausgase sind durchgängig für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung, langwellige [[Wärmestrahlung]] wird hingegen je nach Treibhausgas in unterschiedlichen Wellenlängen absorbiert und emittiert.
 
Der größte Teil des Treibhauseffekts wird mit einem Anteil von ca. 36–70 % (ohne Berücksichtigung der Effekte der Wolken) durch [[Wasserdampf]] in der Atmosphäre verursacht. [[Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre]] trägt ca. 9–26 % zum Treibhauseffekt bei, [[Methan]] ca. 4–9 % und troposphärisches Ozon ca. 3–7 %.<ref name="Kiehl" /><ref name="realclimate.org">{{Internetquelle |url=http://www.realclimate.org/index.php?p=142 |datum=2005-04-06 |titel=Water vapour: feedback or forcing? |hrsg=RealClimate |zugriff=2006-05-01}}</ref> Die Klimawirkung von Ozon unterscheidet sich stark zwischen stratosphärischem Ozon und troposphärischem Ozon. Stratosphärisches Ozon absorbiert den kurzwelligen UV Anteil im einfallenden Sonnenlicht und hat so einen kühlenden Effekt (bezogen auf die Erdoberfläche). Troposphärisches Ozon entsteht aus den Produkten anthropogener Verbrennungsprozesse und hat, ähnlich wie andere Treibhausgase, aufgrund seiner IR Absorption einen erwärmenden Effekt.
 
Ein exakter prozentualer Wirkungsanteil der einzelnen Treibhausgase auf den Treibhauseffekt kann nicht angegeben werden, da der Einfluss der einzelnen Gase je nach Breitengrad und Vermischung variiert (die jeweils höheren Prozentwerte geben den ungefähren Anteil des Gases selbst an, die niedrigeren Werte ergeben sich aus den Mischungen der Gase).<ref name="Kiehl">{{Literatur |Autor=J. T. Kiehl, [[Kevin Trenberth|Kevin E. Trenberth]] |Titel=Earth's Annual Global Mean Energy Budget |Sammelwerk=[[Bulletin of the American Meteorological Society]] |Band=78 |Nummer=2 |Datum=1997-02 |ISSN=1520-0477 |Seiten=197–208 |DOI=10.1175/1520-0477(1997)078<0197:EAGMEB>2.0.CO;2 |bibcode=1997BAMS...78..197K}}</ref>
 
Bei der großen Masse der Erde spielt die Wärmespeicherung eine erhebliche Rolle, was daran zu erkennen ist, dass auf der Nordhalbkugel der Erde die wärmste Zeit im Sommer erst nach dem Sonnenhöchststand (etwa 22. Juni) eintritt. Wegen dieser großen Speicherwirkung wird bei den Energiebilanzen in der Atmosphäre immer mit dem Mittelwert über die ganze Erdoberfläche gerechnet.
 
=== Energiebilanz ===
Angetrieben werden die Wärmevorgänge an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre von der Sonne. Die Stärke der Solarstrahlung in der Erdbahn wird als [[Solarkonstante]] bezeichnet und hat etwa einen Wert von 1367&nbsp;W/m². Je nach Erdentfernung und Sonnenaktivität schwankt dieser zwischen 1325&nbsp;W/m² und 1420&nbsp;W/m²; in der Grafik rechts wurde mit einer Solarkonstanten von 1365,2&nbsp;W/m² gerechnet.
 
Sogenannte Energiebilanzen werden mit einem Mittelwert der Einstrahlung auf die Erdoberfläche gerechnet: Die Erde erhält Solarstrahlung auf der Fläche des Erdquerschnitts <math>\pi R^2</math> und hat eine Oberfläche von <math>4 \pi R^2</math>. Diese beiden Flächen haben ein Verhältnis von 1:4, d.&nbsp;h. gemittelt über die ganze Erdkugel erreicht eine Strahlung von 341,3&nbsp;W/m² die Oberfläche. Durch Wolken, Luft und Boden (vor allem Eis und Schnee, siehe [[Albedo]]) wird ein Anteil von etwa 30 % der eingestrahlten Sonnenenergie wieder in den Weltraum reflektiert – das sind etwa 102&nbsp;W/m². Die restlichen 70 % werden absorbiert (78&nbsp;W/m² von der Atmosphäre, 161&nbsp;W/m² vom Boden) – das sind zusammen 239&nbsp;W/m². Würde der Erdboden nur von einer Strahlung in Höhe von 239&nbsp;W/m² bestrahlt, so würde die Erdoberfläche im Mittel eine Temperatur von etwa −18&nbsp;°C annehmen, wenn sich die Wärme gleichmäßig über die Erde verteilen würde.
 
Denn nach dem [[Stefan-Boltzmann-Gesetz]] gilt:
 
:<math>P = A \sigma T^{4}</math>,
mit <math>P</math>=Leistung, <math>A</math>=Fläche, <math>\sigma</math>=[[Stefan-Boltzmann-Konstante]]. Die Erde hat ein [[Albedo]] von 0,3, d.&nbsp;h. 30 % der einfallenden Strahlung wird reflektiert. Die wirksame Strahlung <math>P_\mathrm{W}</math> ist also <math>(1-0{,}3)\cdot P</math> und die Gleichung für das Strahlungsgleichgewicht der Erde ohne Atmosphäre wird zu:
 
:<math>(1-0{,}3) \cdot P = A \sigma T^{4}</math>.
Umgestellt nach <math>T</math> ergibt sich
:<math>T = \sqrt[4]{\frac{0{,}7 \cdot P}{\sigma A}}</math>
und mit den Parametern des Planeten Erde:
:<math>\sqrt[4]{ \frac{0{,}7 \cdot 342\,\mathrm{W}}{\sigma \cdot \mathrm{m}^2}} = 254{,}9\,\mathrm{K} = -18^\circ\mathrm{C}</math>.
 
Aber es gibt eine weitere Bestrahlung durch die aufgeheizten Treibhausgase mit 333&nbsp;W/m², die so genannte [[atmosphärische Gegenstrahlung]]. Damit absorbiert die Erdoberfläche insgesamt 161&nbsp;W/m²+333&nbsp;W/m²=494&nbsp;W/m² – und die werden bei der tatsächlichen mittleren Erdoberflächentemperatur von +14&nbsp;°C auf mehreren Wegen abgegeben. Ein Teil davon wird durch Strahlung abgegeben, das wird wieder durch das [[Plancksches Strahlungsgesetz|plancksche Strahlungsgesetz]] beschrieben.
 
Die von der Erdoberfläche abgestrahlte Energie hat eine andere Spektral-(Farb)verteilung als das einfallende Sonnenlicht, das eine Spektralverteilung entsprechend einer Farbtemperatur von etwa 6000&nbsp;K hat und von den atmosphärischen Gasen kaum absorbiert wird. Die Spektralverteilung der von der Erdoberfläche abgestrahlten Energie wird durch die +14&nbsp;°C der Erdoberfläche bestimmt, so dass nur etwa 40&nbsp;W/m² direkt von der Erdoberfläche in den Weltraum gestrahlt werden. Die restlichen 199&nbsp;W/m² werden teilweise durch Strahlung an die für diesen Wellenlängenanteil undurchsichtige Atmosphäre (verursacht durch die Treibhausgase) durch Emission abgegeben; durch Konvektion werden 17&nbsp;W/m² in obere Luftschichten verbracht, wo diese Energie dann abgestrahlt wird; durch Evapotranspiration werden 80&nbsp;W/m² abgegeben. Die Atmosphäre hat zwei Oberflächen: eine zum Weltraum hin und eine zur Erde hin. Die Abstrahlung aus der Atmosphäre ist auf jeder Seite gleich groß, wenn die Temperatur der Erde konstant ist. Eine Energie von 338&nbsp;W/m² wird also auf jeder Seite der Atmosphäre zur Hälfte – also jeweils 169&nbsp;W/m² abgestrahlt. Zum Vergleich: Ein schwarzer Körper mit einer Abstrahlung von 150&nbsp;W/m² hat etwa eine Temperatur von −40&nbsp;°C. Ist die Abstrahlung in eine Richtung größer als in der anderen, kommt es zur Erwärmung bzw. Abkühlung der Erde. Der Unterschied ist der [[Strahlungsantrieb]]. Mit dieser Größe kann einfach die aus der geänderten Bilanz resultierende, neue Gleichgewichtstemperatur der Erde errechnet werden.
 
[[Datei:Atmospheric Water Vapor Mean.2005.030.jpg|mini|Verteilung des Wasserdampfs in der Erdatmosphäre. Der kondensierbare Wasserdampf einer Luftsäule wird in cm angegeben]]
Durch die Abstrahlung in den Weltraum von der Atmosphäre mit 169&nbsp;W/m², die Abstrahlung der Wolken mit 30&nbsp;W/m², den 40&nbsp;W/m² von der Erdoberfläche und dem Albedo-Anteil von 102&nbsp;W/m² ist das etwa gleich der mittleren Einstrahlung von 342&nbsp;W/m², d.&nbsp;h., Einstrahlung ist etwa gleich Ausstrahlung. Das zeigt sich auch in der Tatsache, dass sich die Temperatur der Erde nur langsam ändert – woraus zwingend folgt, dass die Erde die absorbierte Sonnenenergie wieder abgibt – aber wegen der niedrigen Erdtemperatur wird die Energie hauptsächlich als langwellige Infrarotstrahlung emittiert ([[wiensches Verschiebungsgesetz]]).
 
Der Wärmestrom aus dem [[Erdmantel]] spielt praktisch keine Rolle. Er beträgt etwa 0,06&nbsp;W/m².
 
Der Wärmestrom ([[Leistung (Physik)|Leistung]]) aus vom Menschen verfeuerten [[Brennstoff]]en ist noch geringer und liegt bei 0,026&nbsp;Watt&nbsp;pro&nbsp;Quadratmeter.  Er errechnet sich aus dem [[Weltenergieverbrauch]] (im Jahr 2004) in Höhe von 432 Exajoule und der Größe der [[Erdoberfläche]] von rund 510 Millionen km².<ref name="Nakicenovic 1998">N. Nakicenovic, A. Grübler, A. McDonald: ''Global Energy Perspectives.'' Cambridge University Press, New York 1998.</ref>
 
Probleme haben manche mit der Energie, die die Treibhausgase in Richtung Erdoberfläche abstrahlen (169&nbsp;W/m² – wie schon oben genannt), da diese Energie von einem kühleren Körper (etwa −40&nbsp;°C) zu dem wärmeren Körper (Erdoberfläche etwa +14&nbsp;°C) strömt und dieses angeblich dem [[Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik|II. Hauptsatz der Thermodynamik]] widerspreche. Das ist aber eine falsche Interpretation, denn er lässt die Solareinstrahlung (von sogar 6000&nbsp;K) unberücksichtigt, in der Bilanz ist wieder der II. Hauptsatz erfüllt (siehe auch [[Strahlungsaustausch]]).
 
Zusammengefasst ergibt sich: Die Rückstrahlung aus der Atmosphäre zur Erde führt zur zusätzlichen Erwärmung der Erdoberfläche. Dies erklärt die durchschnittlich gemessene globale Temperatur von 14&nbsp;°C statt der theoretisch berechneten  Gleichgewichtstemperatur ohne Atmosphäre von −18&nbsp;°C.
 
{| class="wikitable float-center" style="width:230px"
!Atmosphäre<br />
! % Restanteil<br />Treibhauseffekt
|-
| wie bisher|| 100
|-
| ohne H<sub>2</sub>O, CO<sub>2</sub>, O<sub>3</sub>|| 50
|-
| ohne H<sub>2</sub>O || 64
|-
| ohne Wolken || 86
|-
| ohne CO<sub>2</sub> || 88
|-
| ohne O<sub>3</sub> || 97
|-
| ohne alle<br />Treibhausgase || 0
|-
| colspan="2"| Quelle: Ramanathan and Coakley (1978)<ref>{{Literatur |Autor=[[Veerabhadran Ramanathan]], J. A. Coakley |Titel=Relative contributions of H<sub>2</sub>0, CO<sub>2</sub> and 0<sub>3</sub> to the greenhouse effect |Sammelwerk=Rev. Geophys and Space Phys |Band=16 |Datum=1978 |Seiten=465}}</ref> siehe auch.<ref>[http://www.realclimate.org/index.php?p=142 RealClimate.org]</ref>
|}
 
Wichtig ist auch die Höhenverteilung, von wo die Wärmestrahlung die Erdoberfläche erreicht. Für den Treibhauseffekt direkt bedeutsam ist nur der Anteil der Abstrahlung aus niedrigen Höhen, weil nur diese Abstrahlung den Erdboden erreicht, ohne vorher von den Treibhausgasen wieder absorbiert zu werden (siehe nächster Absatz). Dabei ist das „niedrig“ sehr wellenlängenabhängig, denn die Länge, nach der die Strahlung wieder absorbiert wird ([[Absorptionslänge]]) ist wellenlängen- und konzentrationsabhängig. Ist die Absorptionslänge größer als die Atmosphärendicke, so ist die Atmosphäre bei diesen Wellenlängen fast durchsichtig. Da die Stärke einer Strahlung von der Temperatur der Quelle abhängig ist, steigt die Strahlstärke, wenn die Absorptionslänge kürzer wird: wegen der Temperaturabnahme mit der Höhe steigt die mittlere Temperatur über der kürzeren Absorptionslänge. Damit kann die atmosphärische Gegenstrahlung in einem Wellenlängenbereich bei zunehmenden Treibhausgasmengen auch dann noch stärker werden, wenn die Atmosphäre in diesem Wellenlängenbereich bereits so gut wie undurchsichtig ist.
 
Der Temperaturverlauf bis zu einer Höhe von ca. 11&nbsp;km ist dabei praktisch nur adiabatisch bedingt, die durch die Abstrahlung der Treibhausgase verlorengehende Energie wird durch Konvektion und Strahlungsabsorption ersetzt. Dabei kommt die absorbierte Strahlung von verschiedenen Quellen:
* Solarstrahlung (sehr geringer Anteil)
* Abstrahlung von der Erdoberfläche
* Abstrahlung aus tieferliegenden Schichten
* Abstrahlung aus höherliegenden Schichten
 
Der Anteil an dem Aussenden von langwelliger Wärmestrahlung durch Treibhausgase wie
* [[Kohlenstoffdioxid]] (CO<sub>2</sub>),
* [[Methan]] (CH<sub>4</sub>),
* [[Lachgas]] (N<sub>2</sub>O)
und anderen Gasen wird ''trockener Treibhauseffekt'' genannt. Die Einbeziehung von Wasserdampf führt zum ''feuchten Treibhauseffekt''. Etwa 62 % des Treibhauseffekts werden durch Wasserdampf verursacht, etwa 22 % durch Kohlenstoffdioxid.
 
[[Datei:Atmosphaere.png|mini|350px|Temperaturverlauf der Atmosphäre als Funktion der Druckhöhe (Erdoberfläche = 1,013&nbsp;bar)&nbsp;– die Tropopause wird am besten mit einem Isentropenexponenten von 0,19 angenähert.]]
 
Interessant ist der Temperaturverlauf als Funktion der Druckhöhe (an der Erdoberfläche ist der höchste Druck 1,013 bar). Nach oben nimmt der Druck ab, weil die Gasmasse geringer wird. Gleichen Druckänderungen entsprechen gleiche Anzahl von Gasteilchen. In der Troposphäre wird der Temperaturverlauf am besten durch eine Adiabate mit dem Exponenten 0,19 beschrieben. Oberhalb der Troposphäre ist die Gasmasse gering und es liegt kein adiabatischer Verlauf mehr vor. Die Spitze der Realatmosphäre bei niedrigen Drücken wird durch die UV-Absorption des Sauerstoffs (Ozon-Bildung und -Zerfall) verursacht. Durch die Krümmung der Kurve in der Troposphäre ist auch die Existenz der Troposphäre erklärlich: Wäre die Kurve eine Gerade, so wäre im Mittel die von den Treibhausgasen absorbierte Energie gleich der emittierten Energie – wegen der Krümmung und ihrer Art ist aber die emittierte Energie größer als die absorbierte Energie, die Luft wird also gekühlt und sinkt nach unten. Dadurch wird eine Vertikalzirkulation in Gang gesetzt, die nach den Gasgesetzen mit konstantem Wärmeinhalt (der Strahlungsverlust ist klein zum Wärmeinhalt) zum adiabatischen Verlauf führt.
 
Die Bedeutung des globalen Treibhauseffektes kann man somit auch an den extrem unterschiedlichen Oberflächentemperaturen der Planeten [[Venus (Planet)|Venus]], [[Erde]] und [[Mars (Planet)|Mars]] erkennen. Diese Temperaturunterschiede hängen nicht nur von der Entfernung zur Sonne ab, sondern vor allem von den (aufgrund verschiedener Ursachen) unterschiedlichen Atmosphären.
 
== Anthropogener Treibhauseffekt ==
{{Hauptartikel|Globale Erwärmung}}
Der anthropogene Treibhauseffekt ist nicht zu verwechseln mit der ebenfalls vom Menschen verursachten Schädigung der [[Stratosphäre|stratosphärischen]] [[Ozonschicht]], die zum so genannten [[Ozonloch]] führt.
[[Datei:CO2-variations-d hg.png|mini|CO<sub>2</sub>-Konzentration der Atmosphäre schematisch dargestellt für die letzten 100 Millionen Jahre mit einer Prognose für die nächsten 300 Jahre]]
[[Datei:Temperature Reconstructions 0-2006 AD.png|mini|Temperaturrekonstruktionen sowie instrumentell gemessene Temperaturen für die letzten 2000 Jahre.]]
 
=== Geschwindigkeit ===
Im Gegensatz zu den auf geologischen Zeitskalen stattfindenden natürlichen [[Klimaveränderung]]en läuft der anthropogene Klimawandel, der in erster Linie auf einer Erhöhung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration beruht, in extrem kurzer Zeit ab. Neueren Studien zufolge vollzieht sich die gegenwärtig zu beobachtende Erwärmung rascher als alle bekannten Erwärmungsphasen der letzten 66 Millionen Jahre.<ref name="10.1038/ngeo2681">{{Literatur |Autor=Richard E. Zeebe, Andy Ridgwell, [[James Zachos|James C. Zachos]] |Titel=Anthropogenic carbon release rate unprecedented during the past 66 million years |Sammelwerk=Nature Geoscience |Band=9 |Nummer=4 |Datum=2016-04 |Seiten=325–329 |Sprache=en |Online=http://www.nature.com/ngeo/journal/v9/n4/full/ngeo2681.html |DOI=10.1038/ngeo2681}}</ref> Die globale Erwärmung von der letzten Eiszeit zur heutigen Warmzeit war eine Erwärmung um etwa ein Grad pro 1000 Jahre.<ref>J. Legett: ''Dangerous Fiction, Review of [[Michael Crichton]]'s State of Fear.'' In: ''New Scientist.'' 2489, 5. März 2005, S. 50.</ref> Die Erhöhung der Konzentration aller Treibhausgase in den letzten 100 Jahren führte zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um ca. 0,85&nbsp;Grad.
 
=== Mechanismus ===
Netto-Wärmeabstrahlung von der Erde ins All erfolgt nur zu einem kleineren Teil aus bodennahen Atmosphärenschichten, denn in unteren Luftschichten wird Infrarotstrahlung meist von darüber liegenden Luftschichten wieder absorbiert. Sie erfolgt auch nicht in einem eng umgrenzten Gebiet, sondern in einem Bereich, der von bodennahen Gebieten bis in eine Höhe von ca. 15&nbsp;km reicht und im Mittel aus einer Höhe von 5,5&nbsp;km.<ref>R. Tuckermann: [http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC5-Atmos/Strahlung.pdf ''Skript Atmosphärenchemie.''] (PDF; 1,8&nbsp;MB). Folie 32.</ref> Die Strahlungsgleichgewichtstemperatur der Erdoberfläche läge ohne Atmosphäre bei −18&nbsp;°C. Aus [[Atmosphärischer Temperaturgradient|Gründen der Thermodynamik]] sinkt die Temperatur auf der Erde um 6,5&nbsp;K/km, wenn man sich nach oben bewegt. Eine Vergrößerung der Treibhausgaskonzentration bewirkt, dass die Schicht, in der die −18&nbsp;°C Strahlungsgleichgewichtstemperatur herrscht, nach oben wandert. Pro Kilometer Anstieg der Schicht, in der Strahlungsgleichgewicht herrscht, erhöht sich die Temperatur an der Erdoberfläche ebenfalls um 6,5&nbsp;°C.<ref>[http://www.ccrc.unsw.edu.au/Copenhagen/Copenhagen_Diagnosis_LOW.pdf The Copenhagen Diagnosis] (PDF; 3,5&nbsp;MB), S. 10.</ref> Der britische Meteorologe Ernest Gold hatte im Jahr 1908 publiziert, dass zu erwarten sei, dass die Tropopause mit wachsender CO<sub>2</sub>-Konzentration durch den dadurch verstärkten Treibhauseffekt höher steigt.<ref>E. Gold: [http://archive.org/details/philtrans05311580 ''The Isothermal Layer of the Atmosphere and Atmospheric Radiation.''] In: ''Proceedings of The Royal Society of London.'' Volume 82, issue 551, 16. Februar 1909, S. 43–70.</ref> Dies konnte Anfang des 21. Jahrhunderts messtechnisch bestätigt werden.<ref>[[Benjamin D. Santer]], M. F. Wehner, T. M. L. Wigley, R. Sausen, G. A. Meehl, K. E. Taylor, C. Ammann, J. Arblaster, W. M. Washington, J. S. Boyle, W. Brüggemann: ''Contributions of Anthropogenic and Natural Forcing to Recent Tropopause Height Changes.'' In: ''Science.'' Vol. 301, no. 5632, 25. Juli 2003, S. 479–483. [[doi:10.1126/science.1084123]] [http://www.sciencemag.org/content/301/5632/479.short (Abstract)]</ref>
 
Entgegen mancher Darstellung in den Medien ist der Treibhauseffekt bei weitem nicht gesättigt,<ref name="simple">Spencer Weart: ''The Discovery of Global Warming: Simple Models of Climate.'' Center of History am [[American Institute of Physics]] [http://www.aip.org/history/climate/simple.htm - online]</ref><ref name="Ekholm">{{Literatur |Autor=Nils Ekholm |Titel=On the Variations of the Climate of the Geological and Historical Past and Their Causes |Sammelwerk=Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society |Band=27 |Nummer=117 |Datum=1901 |Seiten=1–62 |Online=[http://nsdl.org/sites/classic_articles/Article5.htm online] |DOI=10.1002/qj.49702711702}}</ref> denn wie bereits beschrieben, erfolgt die Abstrahlung zu großen Teilen nicht bodennah, sondern in mehreren tausend Metern Höhe. Dort ist es erheblich kälter als in Bodennähe. Der Wasserdampfgehalt von Luft ist stark temperaturabhängig, so dass kalte Luft erheblich weniger von diesem Treibhausgas enthalten kann als warme Luft. Eine Erhöhung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid wirkt sich stärker aus, als es Messungen auf Meereshöhe vermuten lassen, denn dort, wo die Energieabstrahlung der Erde ins All hauptsächlich stattfindet, befindet sich kaum Wasserdampf. Die Wirkung des Treibhauseffektes durch Änderung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid würde daher selbst dann zunehmen, wenn auf Meereshöhe keinerlei Absorptionsänderung messbar wäre.<ref name="simple" /><ref>{{Literatur |Autor=Lewis D. Kaplan |Titel=On the Pressure Dependence of Radiative Heat Transfer in the Atmosphere |Sammelwerk=Journal of Meteorology |Band=9 |Nummer=1 |Datum=1952-02 |Seiten=1–12 |DOI=10.1175/1520-0469(1952)009<0001:OTPDOR>2.0.CO;2}}</ref>
 
Die Wirkung einer Erhöhung der Treibhausgaskonzentration wurde bereits im Jahr 1901 von [[Nils Ekholm]] richtig erkannt. Dieser schrieb: „Strahlung von der Erde ins All geht nicht direkt vom Boden dorthin, sondern von einer Schicht, die sich in beträchtlicher Höhe über dem Boden befindet. Diese Schicht liegt umso höher, je stärker die Kraft ist, mit der Luft die vom Boden emittierte Strahlung absorbieren kann. Mit steigender Höhe sinkt jedoch die Temperatur dieser Schicht. Da kältere Luft weniger Wärme abstrahlen kann, erwärmt sich der Boden umso mehr, je höher sich diese abstrahlende Schicht befindet.“<ref name="simple" /><ref name="Ekholm" />
 
== Siehe auch ==
* {{WikipediaDE|Treibhauseffekt}}
 
== Literatur ==
* Christian-Dietrich Schönwiese: ''Klimatologie.'' 4., überarbeitete und aktualisierte Auflage. UTB, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8252-3900-8.
* {{Literatur
  |Autor=W. Roedel
  |Titel=Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre
  |Auflage=3
  |Verlag=Springer
  |Ort=Berlin/Heidelberg
  |Datum=2000
  |ISBN=3-540-67180-3
  |Kapitel=1.3 Terrestrische Strahlung
  |Seiten=38–41}}
* {{Literatur
  |Autor=J. Hansen, D. Johnson, A. Lacis, S. Lebedeff, P. Lee, D. Rind, G. Russell
  |Titel=Climate Impact of Increasing Atmospheric Carbon Dioxide
  |Sammelwerk=Science
  |Band=213
  |Nummer=4511
  |Datum=1981-08-28
  |Seiten=957
  |Online=http://www.atmos.washington.edu/~davidc/ATMS211/articles_optional/Hansen81_CO2_Impact.pdf
  |DOI=10.1126/science.213.4511.957}}
 
== Weblinks ==
{{Commonscat|Greenhouse effect|Treibhauseffekt}}
{{Wiktionary}}
* [http://www.ipcc.ch/ Website des IPCC] und dessen [http://www.ipcc.ch/publications_and_data/publications_and_data_reports.shtml Publikationen und Daten u. a. der Vierte Sachstandsbericht (''IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007 (AR4)'')] (englisch)
* ''[http://www.mpimet.mpg.de/kommunikation/fragen-zu-klima-faq/wie-funktioniert-der-treibhauseffekt/ Wie funktioniert der Treibhauseffekt?]'' in Rubrik "Kommunikation" des Max-Planck-Instituts für Meteorologie
* [http://www.ing-buero-ebel.de/Treib/Treibhaus.htm populäre Darstellung des Treibhauseffekts] (private Seite)
* [http://www.chf.de/eduthek/treibhauseffekt.html Modellversuch zur Demonstration des Treibhauseffekts]
* [http://www.ems.psu.edu/~fraser/Bad/BadGreenhouse.html Bad Meteorology: The Greenhouse Effect], räumt mit populären Vorstellungen des „Treibhauses“ auf (englisch)
* [http://www.dmg-ev.de/wp-content/uploads/2015/12/treibhauseffekt.pdf Stellungnahme der Deutschen Meteorologischen Gesellschaft zu den Grundlagen des Treibhauseffektes; PDF-Datei; 1999] (43 kB) ([https://www.dmg-ev.de/publikationen/stellungnahmen/ Übersicht der DMG-Stellungnahmen])
* Webseite [http://www.klimafakten.de/ klimafakten.de] liefert Basiswissen und kontert falsche Behauptungen über den anthropogenen Treibhauseffekt
 
'''Vorträge (Youtube, englisch)'''
 
* University of Queensland (UQx), Denial101x Making Sense of Climate Science Denial: [https://www.youtube.com/watch?v=PTfnuX-HVk8 ''Vortrag 3.3.1.1: The greenhouse effect'']
* University of Queensland (UQx), Denial101x Making Sense of Climate Science Denial: [https://www.youtube.com/watch?v=we8VXwa83FQ&list=PL-Xgw8LFaM3D-IMt7lByYIX1T0mduh-5V&index=7 ''Vortrag 3.3.2.1: Increasing greenhouse effect'']
* David Archer: [https://www.youtube.com/watch?v=8-5PsoF7Vp0&list=PLFA75A0DDB89ACCD7&index=5 ''Lecture 5: The greenhouse effect'']
 
== Einzelnachweise ==
<references />
 
{{Normdaten|TYP=s|GND=4226436-4}}
 
[[Kategorie:Klimawandel]]
[[Kategorie:Atmosphäre]]
 
{{Wikipedia}}

Version vom 14. Januar 2021, 10:38 Uhr

70 bis 75 % des rot markierten, kurzwelligen Strahlungsanteils gelangen durch die Atmosphäre bis auf die Erdoberfläche, die sich dadurch aufheizt und wiederum Infrarotstrahlung aussendet (blau markiert), deren Abstrahlung ins All aber von Treibhausgasen behindert wird. Eingezeichnet sind drei Wellenlängenbereiche von Infrarotstrahlung, wie sie von Objekten mit auf der Erdoberfläche üblichen Temperaturen emittiert wird; violett (+37 °C), blau und schwarz (−63 °C) die Grafiken darunter zeigen, welche Treibhausgase welche Teile des Spektrums filtern

Der Treibhauseffekt ist die Wirkung von Treibhausgasen in Atmosphären auf die Temperatur am Boden. Er bewirkt eine Temperaturerhöhung auf Planetenoberflächen, unter anderem der Erde. Der Effekt entsteht dadurch, dass die Atmosphäre weitgehend transparent für die von der Sonne ankommende kurzwellige Strahlung ist, jedoch wenig transparent für die langwellige Infrarotstrahlung, die von der warmen Erdoberfläche und von der erwärmten Luft emittiert wird.

Der durch menschliche Eingriffe wie vor allem die Emission langlebiger Treibhausgase (Kohlendioxid, Methan und Stickoxide) und troposphärischem Ozon aus Verbrennungsprozessen bewirkte Anteil am atmosphärischen Treibhauseffekt wird anthropogener Treibhauseffekt genannt, siehe hierzu globale Erwärmung.

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, einem Studenten bei Roger Revelle. Durch Keeling wurde eine Vielzahl von Messstationen für Kohlenstoffdioxid aufgebaut; die bekannteste befindet sich auf dem Mauna Loa auf Hawaii.

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.

Physikalische Grundlagen

Der Energiehaushalt der Erde wird nicht nur durch Treibhausgase, sondern auch durch die Wolken beeinflusst.

Vergleiche mit Daten anderer Planeten und Berechnungen zeigen, dass es nicht nur auf der Erde einen Treibhauseffekt gibt. Aus dem Rückstrahlvermögen der Erde kann man die Gleichgewichtstemperatur berechnen, die bestehen würde, wenn es keine Atmosphäre gäbe: Sie würde in diesem Fall im Mittel −18 °C betragen. Das ist deutlich weniger als der durch Messungen und Interpolation bestimmte Wert von +14 °C.[1]

Der Unterschied ist beim Nachbarplaneten Venus viel gewaltiger: Statt der berechneten –20 °C  wurde tatsächlich etwa 440 °C gemessen. In beiden Fällen gibt es eine Ursache: Den Treibhauseffekt. Ein Rechenbeispiel für einen in mehrerlei Hinsicht idealisierten Planeten findet sich im Artikel Idealisiertes Treibhausmodell.

Einzelheiten des Mechanismus

Überblicksdarstellung des Treibhauseffekts. Kurzwellige Strahlung der Sonne trifft auf die Atmosphäre und Erdoberfläche. Langwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche abgestrahlt und in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Die Zahlen geben die aktuelle Leistung in Watt pro Quadratmeter an

Der Treibhauseffekt kann in folgenden Schritten erklärt werden:

  1. Die Sonne strahlt sehr viel Energie in Form von elektromagnetischen Wellen zur Erde. Dadurch wird die Oberfläche der Sonne gekühlt (Strahlungskühlung).
  2. Die häufigsten Wellenlängen der Photonen des Sonnenlichtes liegen um 500 nm, das entspricht grünem Licht, wobei die Summe aller sichtbaren Sonnenstrahlen meistens als weißes Licht empfunden wird. Aus diesem Strahlungsmaximum kann man auf die Oberflächentemperatur der Sonne rückschließen: etwa 5600 °C oder 5900 K.
  3. In diesem Spektralbereich (sichtbares Licht) absorbieren die Lufthülle der Erde so wie auch die Glasscheiben eines Treibhauses nur wenig Strahlung – man spricht von hoher Transparenz. Die Strahlung kann also fast ungehindert in das Treibhaus.
  4. Die Gegenstände im Treibhaus, hier vor allem die Erdoberfläche, absorbieren die Photonen und erwärmen sich dadurch
  5. Die erwärmten Gegenstände strahlen ebenfalls elektromagnetische Wellen ab, deren häufigste Wellenlängen aber bei 10.000 nm liegen (Infrarotstrahlung). Der Grund für diese Vergrößerung der Wellenlänge heißt wiensches Verschiebungsgesetz: Wenn die (absolute) Temperatur auf 1/20 sinkt (hier von etwa 6.000 K, Sonne, auf etwa 300 K, Erde), steigt die Wellenlänge, bei der die größte Strahlungsintensität auftritt, auf das 20fache.
  6. Für diese „Rückstrahlung“ sind aber Glas und bestimmte Elemente in der Lufthülle der Erde weniger durchlässig. Die Strahlung wird teilweise absorbiert. Gleichzeitig können die Treibhausgase Wärmestrahlung weit besser abgeben als Stickstoff und Sauerstoff. Sie strahlen die durch Absorption und Konvektion erhaltene Energie als Wärmeenergie gleichmäßig in alle Richtungen, also auch zum Boden hin, ab. Der Boden erhält so zusätzliche Wärmestrahlung („Atmosphärische Gegenstrahlung“).

Gesetzmäßigkeiten

Wenn Strahlung durch Materie geht, wird sie von der Materie teilweise absorbiert und teilweise durchgelassen. Die Stärke von Absorption und Durchlässigkeit hängt von der Wellenlänge (im sichtbaren Bereich = Farbe) der Strahlung ab. Der Treibhauseffekt tritt auf, wenn die Durchlässigkeits- und Absorptionskoeffizienten der Begrenzungen eines Volumens wellenlängenabhängig sind. Dabei tritt die äußere Strahlung relativ ungehindert in das Volumen ein und wird ergänzt durch Strahlung, die von der Begrenzung ausgeht. Eng verbunden mit der von der Begrenzung ausgehenden Strahlung ist, dass die innere Strahlung von der Begrenzung des Volumens weitgehend absorbiert wird (Kirchhoffsche Gesetze). Dabei wird ein wesentlicher Teil der inneren Strahlung im eingeschlossenen Volumen von den Begrenzungen absorbiert oder reflektiert. Dabei spielt die Reflexion beim atmosphärischen Treibhauseffekt keine Rolle und auch beim Glashaus ist die Bedeutung der Reflexion sehr gering, weil im relevanten Wellenlängenbereich die Glasscheiben fast als schwarze Körper wirken. Zu dieser inneren Strahlung kommt eine weitere Strahlung (hauptsächlich von der Sonne), die einen Teil der Begrenzung (Glasscheiben beziehungsweise die Schicht der Treibhausgase) wegen der anderen Wellenlänge fast mühelos durchdringt (selektive Transparenz) und von einem anderen Teil der Begrenzungsfläche (beispielsweise Erdboden) absorbiert wird. Durch die Summe der beiden Strahlungen (innere Strahlung eines Hohlraums, die von allen Begrenzungsflächen ausgeht, plus der durchgelassenen Strahlung) werden die getroffenen Stellen stärker erwärmt als ohne Scheibe oder Treibhausgas.

Glashauseffekt

Gewächshaus

Als Glashauseffekt (abgeleitet aus dem Französischen von effet de serre, wie er zuerst von Joseph Fourier genannt wurde) wird der Effekt bezeichnet, wenn in einem Innenraum durch verglaste Fensteröffnungen oder Dächer Sonnenlicht einfällt und von den Materialien des Innenraums absorbiert wird. Diese heizen sich und indirekt die Innenraumluft dadurch deutlich über das Niveau der Umgebungstemperatur auf. Durch das Glas wird Auskühlung durch Unterbindung der Konvektion verhindert.

Die Erwärmung eines Treibhauses durch einfallende Sonnenstrahlen basiert sowohl auf diesem Glashauseffekt als auch auf dem Treibhauseffekt, oft werden die Begriffe aber synonym verwendet.

Die aufgeheizten Boden- und Wandflächen erwärmen über Wärmeleitung und Konvektion die Luft im Innenraum, gleichzeitig strahlen sie langwellige Infrarotstrahlung ab. Da in einem geschlossenen Glashaus fast kein Austausch zwischen der erwärmten Innenraumluft und der kühleren Außenluft stattfindet, wird die eingefangene Strahlungswärme der Sonne nicht über Konvektion in die Atmosphäre abgeführt. Das Auskühlen eines Glashauses erfolgt über nicht vom Glas (oder sonstigem Bedeckungsmaterial) absorbierte oder reflektierte Wärmestrahlung, über Wärmeableitung durch das Glas und die Stege und folgenden Windchill außen sowie durch Weglüften feuchter Luft, die Wärme als Verdampfungswärme gespeichert hat (trockene abgeblasene Luft hat nur geringe Wärmespeicherkapazität).

Neben der Nutzung des Effekts in Unterglaskulturen und Treibhäusern wird über die passive Sonnennutzung auch in der Architektur Heizenergie eingespart. Durch eine Südausrichtung großer Glasfronten und Wintergärten wird die Baumasse des Gebäudes durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Insbesondere bei gut gedämmten Niedrigenergie- und Passivhäusern ist mittags sogar eine Verschattung der Glasflächen nötig, um die Gebäude nicht überhitzen zu lassen. Auch in einem in der Sonne geparkten Auto lässt sich dieses Phänomen erfahren.

Selektive Transparenz

Gewöhnliches Fensterglas ist transparent für sichtbares Licht und kurzwelliges Infrarot, wie es von der Sonne abgestrahlt wird. Für langwelliges Infrarot (den Bereich der Wärmestrahlung bei den Glashaustemperaturen) ist es undurchlässiger. R. W. Wood verglich 1909 die Erwärmung zweier pechschwarzer Pappschachteln unter Sonneneinstrahlung. Eine Pappschachtel war mit Fensterglas, die andere mit Steinsalz abgedeckt. Ein Thermometer maß die Lufttemperatur. Steinsalz lässt im Gegensatz zu Glas auch langwellige Infrarotstrahlung passieren. Es ergab sich ein Temperaturunterschied von einem Grad Celsius bei einer Maximaltemperatur von etwa 55 °C. Wood schloss daraus, dass die Unterdrückung der Wärmeabgabe durch das Blockieren der Wärmeabstrahlung durch das Glas vorhanden ist, aber eine untergeordnetere Rolle spielt, und der wesentliche Anteil der Erwärmung in einem Glashaus aufgrund der Unterdrückung der Wärmeabgabe durch Konvektion zustande kommt.[2] Die Erwärmung des Gewächshauses beruht demnach hauptsächlich darauf, dass die einfallende Solarstrahlung den Raum erwärmt und die Wärmeabgabe durch Luftaustausch mit der Außenluft verhindert wird.[3][4] Wood weist am Ende seiner Veröffentlichung darauf hin, dass seine Arbeit nur sehr oberflächlich ist und allenfalls Mutmaßungen zulässt und dass er die Problematik zum Treibhauseffekt bei Planeten nicht untersucht hat.[2]

Die Strahlungsbilanz hängt von der Differenz der 4. Potenz der Temperaturen ab. Je größer der Temperaturunterschied, desto bedeutender wird die Strahlungskomponente. Durch die Wahl der Verglasung kann man diesen Umstand gezielt ausnutzen, zum Beispiel durch einen IR-absorbierenden Sandwich-Aufbau des Glases.[5]

Auch Sonnenkollektoren nutzen den Effekt. Hier kann die selektive Transparenz des Glases um die selektive Absorption des Kollektors ergänzt werden, um dessen Wärmeabstrahlung zu verringern. Bei Vakuumkollektoren wird zusätzlich die Konvektion zwischen Glas und Kollektor weitgehend unterbunden.

Atmosphärischer Treibhauseffekt

Treibhausgase

Hauptartikel: Treibhausgas
Kurzwellige Strahlung der Sonne trifft auf die Atmosphäre und Erdoberfläche. Langwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche abgestrahlt und in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Im thermischen Gleichgewicht wird die absorbierte Energie der Atmosphäre je zur Hälfte in Richtung Erde und Weltall abgestrahlt. Die Zahlen geben die Leistung der Strahlung in Watt/Quadratmeter für den Zeitraum 2000–2004 an. Die Erde befindet sich aktuell nicht im thermischen Gleichgewicht. Sie heizt sich auf durch die infolge menschlicher Aktivität erhöhte Konzentration von Treibhausgasen. Der Einstrahlung in Höhe von 341,3 W/m² steht eine Abstrahlung von 340,4 W/m² gegenüber
Durchlässigkeit der Atmosphäre für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen. Der gelbe Bereich heißt Atmosphärisches Fenster; dort ist die Atmosphäre durchlässig für elektromagnetische Wellen des Infrarot-Bereiches.

In der Erdatmosphäre bewirken Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon seit Bestehen der Erde einen Treibhauseffekt, der entscheidenden Einfluss auf die Klimageschichte der Vergangenheit und das heutige Klima hat. Die Treibhausgase sind durchgängig für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung, langwellige Wärmestrahlung wird hingegen je nach Treibhausgas in unterschiedlichen Wellenlängen absorbiert und emittiert.

Der größte Teil des Treibhauseffekts wird mit einem Anteil von ca. 36–70 % (ohne Berücksichtigung der Effekte der Wolken) durch Wasserdampf in der Atmosphäre verursacht. Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre trägt ca. 9–26 % zum Treibhauseffekt bei, Methan ca. 4–9 % und troposphärisches Ozon ca. 3–7 %.[6][7] Die Klimawirkung von Ozon unterscheidet sich stark zwischen stratosphärischem Ozon und troposphärischem Ozon. Stratosphärisches Ozon absorbiert den kurzwelligen UV Anteil im einfallenden Sonnenlicht und hat so einen kühlenden Effekt (bezogen auf die Erdoberfläche). Troposphärisches Ozon entsteht aus den Produkten anthropogener Verbrennungsprozesse und hat, ähnlich wie andere Treibhausgase, aufgrund seiner IR Absorption einen erwärmenden Effekt.

Ein exakter prozentualer Wirkungsanteil der einzelnen Treibhausgase auf den Treibhauseffekt kann nicht angegeben werden, da der Einfluss der einzelnen Gase je nach Breitengrad und Vermischung variiert (die jeweils höheren Prozentwerte geben den ungefähren Anteil des Gases selbst an, die niedrigeren Werte ergeben sich aus den Mischungen der Gase).[6]

Bei der großen Masse der Erde spielt die Wärmespeicherung eine erhebliche Rolle, was daran zu erkennen ist, dass auf der Nordhalbkugel der Erde die wärmste Zeit im Sommer erst nach dem Sonnenhöchststand (etwa 22. Juni) eintritt. Wegen dieser großen Speicherwirkung wird bei den Energiebilanzen in der Atmosphäre immer mit dem Mittelwert über die ganze Erdoberfläche gerechnet.

Energiebilanz

Angetrieben werden die Wärmevorgänge an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre von der Sonne. Die Stärke der Solarstrahlung in der Erdbahn wird als Solarkonstante bezeichnet und hat etwa einen Wert von 1367 W/m². Je nach Erdentfernung und Sonnenaktivität schwankt dieser zwischen 1325 W/m² und 1420 W/m²; in der Grafik rechts wurde mit einer Solarkonstanten von 1365,2 W/m² gerechnet.

Sogenannte Energiebilanzen werden mit einem Mittelwert der Einstrahlung auf die Erdoberfläche gerechnet: Die Erde erhält Solarstrahlung auf der Fläche des Erdquerschnitts und hat eine Oberfläche von . Diese beiden Flächen haben ein Verhältnis von 1:4, d. h. gemittelt über die ganze Erdkugel erreicht eine Strahlung von 341,3 W/m² die Oberfläche. Durch Wolken, Luft und Boden (vor allem Eis und Schnee, siehe Albedo) wird ein Anteil von etwa 30 % der eingestrahlten Sonnenenergie wieder in den Weltraum reflektiert – das sind etwa 102 W/m². Die restlichen 70 % werden absorbiert (78 W/m² von der Atmosphäre, 161 W/m² vom Boden) – das sind zusammen 239 W/m². Würde der Erdboden nur von einer Strahlung in Höhe von 239 W/m² bestrahlt, so würde die Erdoberfläche im Mittel eine Temperatur von etwa −18 °C annehmen, wenn sich die Wärme gleichmäßig über die Erde verteilen würde.

Denn nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz gilt:

,

mit =Leistung, =Fläche, =Stefan-Boltzmann-Konstante. Die Erde hat ein Albedo von 0,3, d. h. 30 % der einfallenden Strahlung wird reflektiert. Die wirksame Strahlung ist also und die Gleichung für das Strahlungsgleichgewicht der Erde ohne Atmosphäre wird zu:

.

Umgestellt nach ergibt sich

und mit den Parametern des Planeten Erde:

.

Aber es gibt eine weitere Bestrahlung durch die aufgeheizten Treibhausgase mit 333 W/m², die so genannte atmosphärische Gegenstrahlung. Damit absorbiert die Erdoberfläche insgesamt 161 W/m²+333 W/m²=494 W/m² – und die werden bei der tatsächlichen mittleren Erdoberflächentemperatur von +14 °C auf mehreren Wegen abgegeben. Ein Teil davon wird durch Strahlung abgegeben, das wird wieder durch das plancksche Strahlungsgesetz beschrieben.

Die von der Erdoberfläche abgestrahlte Energie hat eine andere Spektral-(Farb)verteilung als das einfallende Sonnenlicht, das eine Spektralverteilung entsprechend einer Farbtemperatur von etwa 6000 K hat und von den atmosphärischen Gasen kaum absorbiert wird. Die Spektralverteilung der von der Erdoberfläche abgestrahlten Energie wird durch die +14 °C der Erdoberfläche bestimmt, so dass nur etwa 40 W/m² direkt von der Erdoberfläche in den Weltraum gestrahlt werden. Die restlichen 199 W/m² werden teilweise durch Strahlung an die für diesen Wellenlängenanteil undurchsichtige Atmosphäre (verursacht durch die Treibhausgase) durch Emission abgegeben; durch Konvektion werden 17 W/m² in obere Luftschichten verbracht, wo diese Energie dann abgestrahlt wird; durch Evapotranspiration werden 80 W/m² abgegeben. Die Atmosphäre hat zwei Oberflächen: eine zum Weltraum hin und eine zur Erde hin. Die Abstrahlung aus der Atmosphäre ist auf jeder Seite gleich groß, wenn die Temperatur der Erde konstant ist. Eine Energie von 338 W/m² wird also auf jeder Seite der Atmosphäre zur Hälfte – also jeweils 169 W/m² abgestrahlt. Zum Vergleich: Ein schwarzer Körper mit einer Abstrahlung von 150 W/m² hat etwa eine Temperatur von −40 °C. Ist die Abstrahlung in eine Richtung größer als in der anderen, kommt es zur Erwärmung bzw. Abkühlung der Erde. Der Unterschied ist der Strahlungsantrieb. Mit dieser Größe kann einfach die aus der geänderten Bilanz resultierende, neue Gleichgewichtstemperatur der Erde errechnet werden.

Verteilung des Wasserdampfs in der Erdatmosphäre. Der kondensierbare Wasserdampf einer Luftsäule wird in cm angegeben

Durch die Abstrahlung in den Weltraum von der Atmosphäre mit 169 W/m², die Abstrahlung der Wolken mit 30 W/m², den 40 W/m² von der Erdoberfläche und dem Albedo-Anteil von 102 W/m² ist das etwa gleich der mittleren Einstrahlung von 342 W/m², d. h., Einstrahlung ist etwa gleich Ausstrahlung. Das zeigt sich auch in der Tatsache, dass sich die Temperatur der Erde nur langsam ändert – woraus zwingend folgt, dass die Erde die absorbierte Sonnenenergie wieder abgibt – aber wegen der niedrigen Erdtemperatur wird die Energie hauptsächlich als langwellige Infrarotstrahlung emittiert (wiensches Verschiebungsgesetz).

Der Wärmestrom aus dem Erdmantel spielt praktisch keine Rolle. Er beträgt etwa 0,06 W/m².

Der Wärmestrom (Leistung) aus vom Menschen verfeuerten Brennstoffen ist noch geringer und liegt bei 0,026 Watt pro Quadratmeter. Er errechnet sich aus dem Weltenergieverbrauch (im Jahr 2004) in Höhe von 432 Exajoule und der Größe der Erdoberfläche von rund 510 Millionen km².[8]

Probleme haben manche mit der Energie, die die Treibhausgase in Richtung Erdoberfläche abstrahlen (169 W/m² – wie schon oben genannt), da diese Energie von einem kühleren Körper (etwa −40 °C) zu dem wärmeren Körper (Erdoberfläche etwa +14 °C) strömt und dieses angeblich dem II. Hauptsatz der Thermodynamik widerspreche. Das ist aber eine falsche Interpretation, denn er lässt die Solareinstrahlung (von sogar 6000 K) unberücksichtigt, in der Bilanz ist wieder der II. Hauptsatz erfüllt (siehe auch Strahlungsaustausch).

Zusammengefasst ergibt sich: Die Rückstrahlung aus der Atmosphäre zur Erde führt zur zusätzlichen Erwärmung der Erdoberfläche. Dies erklärt die durchschnittlich gemessene globale Temperatur von 14 °C statt der theoretisch berechneten Gleichgewichtstemperatur ohne Atmosphäre von −18 °C.

Atmosphäre
% Restanteil
Treibhauseffekt
wie bisher 100
ohne H2O, CO2, O3 50
ohne H2O 64
ohne Wolken 86
ohne CO2 88
ohne O3 97
ohne alle
Treibhausgase
0
Quelle: Ramanathan and Coakley (1978)[9] siehe auch.[10]

Wichtig ist auch die Höhenverteilung, von wo die Wärmestrahlung die Erdoberfläche erreicht. Für den Treibhauseffekt direkt bedeutsam ist nur der Anteil der Abstrahlung aus niedrigen Höhen, weil nur diese Abstrahlung den Erdboden erreicht, ohne vorher von den Treibhausgasen wieder absorbiert zu werden (siehe nächster Absatz). Dabei ist das „niedrig“ sehr wellenlängenabhängig, denn die Länge, nach der die Strahlung wieder absorbiert wird (Absorptionslänge) ist wellenlängen- und konzentrationsabhängig. Ist die Absorptionslänge größer als die Atmosphärendicke, so ist die Atmosphäre bei diesen Wellenlängen fast durchsichtig. Da die Stärke einer Strahlung von der Temperatur der Quelle abhängig ist, steigt die Strahlstärke, wenn die Absorptionslänge kürzer wird: wegen der Temperaturabnahme mit der Höhe steigt die mittlere Temperatur über der kürzeren Absorptionslänge. Damit kann die atmosphärische Gegenstrahlung in einem Wellenlängenbereich bei zunehmenden Treibhausgasmengen auch dann noch stärker werden, wenn die Atmosphäre in diesem Wellenlängenbereich bereits so gut wie undurchsichtig ist.

Der Temperaturverlauf bis zu einer Höhe von ca. 11 km ist dabei praktisch nur adiabatisch bedingt, die durch die Abstrahlung der Treibhausgase verlorengehende Energie wird durch Konvektion und Strahlungsabsorption ersetzt. Dabei kommt die absorbierte Strahlung von verschiedenen Quellen:

  • Solarstrahlung (sehr geringer Anteil)
  • Abstrahlung von der Erdoberfläche
  • Abstrahlung aus tieferliegenden Schichten
  • Abstrahlung aus höherliegenden Schichten

Der Anteil an dem Aussenden von langwelliger Wärmestrahlung durch Treibhausgase wie

und anderen Gasen wird trockener Treibhauseffekt genannt. Die Einbeziehung von Wasserdampf führt zum feuchten Treibhauseffekt. Etwa 62 % des Treibhauseffekts werden durch Wasserdampf verursacht, etwa 22 % durch Kohlenstoffdioxid.

Temperaturverlauf der Atmosphäre als Funktion der Druckhöhe (Erdoberfläche = 1,013 bar) – die Tropopause wird am besten mit einem Isentropenexponenten von 0,19 angenähert.

Interessant ist der Temperaturverlauf als Funktion der Druckhöhe (an der Erdoberfläche ist der höchste Druck 1,013 bar). Nach oben nimmt der Druck ab, weil die Gasmasse geringer wird. Gleichen Druckänderungen entsprechen gleiche Anzahl von Gasteilchen. In der Troposphäre wird der Temperaturverlauf am besten durch eine Adiabate mit dem Exponenten 0,19 beschrieben. Oberhalb der Troposphäre ist die Gasmasse gering und es liegt kein adiabatischer Verlauf mehr vor. Die Spitze der Realatmosphäre bei niedrigen Drücken wird durch die UV-Absorption des Sauerstoffs (Ozon-Bildung und -Zerfall) verursacht. Durch die Krümmung der Kurve in der Troposphäre ist auch die Existenz der Troposphäre erklärlich: Wäre die Kurve eine Gerade, so wäre im Mittel die von den Treibhausgasen absorbierte Energie gleich der emittierten Energie – wegen der Krümmung und ihrer Art ist aber die emittierte Energie größer als die absorbierte Energie, die Luft wird also gekühlt und sinkt nach unten. Dadurch wird eine Vertikalzirkulation in Gang gesetzt, die nach den Gasgesetzen mit konstantem Wärmeinhalt (der Strahlungsverlust ist klein zum Wärmeinhalt) zum adiabatischen Verlauf führt.

Die Bedeutung des globalen Treibhauseffektes kann man somit auch an den extrem unterschiedlichen Oberflächentemperaturen der Planeten Venus, Erde und Mars erkennen. Diese Temperaturunterschiede hängen nicht nur von der Entfernung zur Sonne ab, sondern vor allem von den (aufgrund verschiedener Ursachen) unterschiedlichen Atmosphären.

Anthropogener Treibhauseffekt

Hauptartikel: Globale Erwärmung

Der anthropogene Treibhauseffekt ist nicht zu verwechseln mit der ebenfalls vom Menschen verursachten Schädigung der stratosphärischen Ozonschicht, die zum so genannten Ozonloch führt.

CO2-Konzentration der Atmosphäre schematisch dargestellt für die letzten 100 Millionen Jahre mit einer Prognose für die nächsten 300 Jahre
Temperaturrekonstruktionen sowie instrumentell gemessene Temperaturen für die letzten 2000 Jahre.

Geschwindigkeit

Im Gegensatz zu den auf geologischen Zeitskalen stattfindenden natürlichen Klimaveränderungen läuft der anthropogene Klimawandel, der in erster Linie auf einer Erhöhung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration beruht, in extrem kurzer Zeit ab. Neueren Studien zufolge vollzieht sich die gegenwärtig zu beobachtende Erwärmung rascher als alle bekannten Erwärmungsphasen der letzten 66 Millionen Jahre.[11] Die globale Erwärmung von der letzten Eiszeit zur heutigen Warmzeit war eine Erwärmung um etwa ein Grad pro 1000 Jahre.[12] Die Erhöhung der Konzentration aller Treibhausgase in den letzten 100 Jahren führte zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um ca. 0,85 Grad.

Mechanismus

Netto-Wärmeabstrahlung von der Erde ins All erfolgt nur zu einem kleineren Teil aus bodennahen Atmosphärenschichten, denn in unteren Luftschichten wird Infrarotstrahlung meist von darüber liegenden Luftschichten wieder absorbiert. Sie erfolgt auch nicht in einem eng umgrenzten Gebiet, sondern in einem Bereich, der von bodennahen Gebieten bis in eine Höhe von ca. 15 km reicht und im Mittel aus einer Höhe von 5,5 km.[13] Die Strahlungsgleichgewichtstemperatur der Erdoberfläche läge ohne Atmosphäre bei −18 °C. Aus Gründen der Thermodynamik sinkt die Temperatur auf der Erde um 6,5 K/km, wenn man sich nach oben bewegt. Eine Vergrößerung der Treibhausgaskonzentration bewirkt, dass die Schicht, in der die −18 °C Strahlungsgleichgewichtstemperatur herrscht, nach oben wandert. Pro Kilometer Anstieg der Schicht, in der Strahlungsgleichgewicht herrscht, erhöht sich die Temperatur an der Erdoberfläche ebenfalls um 6,5 °C.[14] Der britische Meteorologe Ernest Gold hatte im Jahr 1908 publiziert, dass zu erwarten sei, dass die Tropopause mit wachsender CO2-Konzentration durch den dadurch verstärkten Treibhauseffekt höher steigt.[15] Dies konnte Anfang des 21. Jahrhunderts messtechnisch bestätigt werden.[16]

Entgegen mancher Darstellung in den Medien ist der Treibhauseffekt bei weitem nicht gesättigt,[17][18] denn wie bereits beschrieben, erfolgt die Abstrahlung zu großen Teilen nicht bodennah, sondern in mehreren tausend Metern Höhe. Dort ist es erheblich kälter als in Bodennähe. Der Wasserdampfgehalt von Luft ist stark temperaturabhängig, so dass kalte Luft erheblich weniger von diesem Treibhausgas enthalten kann als warme Luft. Eine Erhöhung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid wirkt sich stärker aus, als es Messungen auf Meereshöhe vermuten lassen, denn dort, wo die Energieabstrahlung der Erde ins All hauptsächlich stattfindet, befindet sich kaum Wasserdampf. Die Wirkung des Treibhauseffektes durch Änderung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid würde daher selbst dann zunehmen, wenn auf Meereshöhe keinerlei Absorptionsänderung messbar wäre.[17][19]

Die Wirkung einer Erhöhung der Treibhausgaskonzentration wurde bereits im Jahr 1901 von Nils Ekholm richtig erkannt. Dieser schrieb: „Strahlung von der Erde ins All geht nicht direkt vom Boden dorthin, sondern von einer Schicht, die sich in beträchtlicher Höhe über dem Boden befindet. Diese Schicht liegt umso höher, je stärker die Kraft ist, mit der Luft die vom Boden emittierte Strahlung absorbieren kann. Mit steigender Höhe sinkt jedoch die Temperatur dieser Schicht. Da kältere Luft weniger Wärme abstrahlen kann, erwärmt sich der Boden umso mehr, je höher sich diese abstrahlende Schicht befindet.“[17][18]

Siehe auch

Literatur

Weblinks

Commons: Treibhauseffekt - Weitere Bilder oder Audiodateien zum Thema
 Wiktionary: Treibhauseffekt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Vorträge (Youtube, englisch)

Einzelnachweise

  1.  P. D. Jones, M. New, D. E. Parker, S. Martin, I. G. Rigor: Surface air temperature and its changes over the past 150 years. In: Reviews of Geophysics. 37, Nr. 2, 1999, S. 173–199, doi:10.1029/1999RG900002 (Online, PDF).
  2. 2,0 2,1  R. W. Wood: Note on the Theory of the Greenhouse. In: Philosophical Magazine. 17, 1909, S. 319–320 (http://www.wmconnolley.org.uk/sci/wood_rw.1909.html).
  3.  Abraham H. Oort, José Pinto Peixoto: Physics of climate. American Institute of Physics, New York 1992, ISBN 0-88318-711-6.
  4.  Daniel V. Schroeder: An introduction to thermal physics. Addison-Wesley, San Francisco 2000, ISBN 0-321-27779-1, S. 305–307.
  5. David R. Mears, Ph.D.: Greenhouse Glazing Effects on Heat Transfer for Winter Heating and Summer Cooling. In: http://horteng.envsci.rutgers.edu/workshop.htm. Bioresource Engineering, Department of Plant Biology and Pathology, Rutgers University, 1. Oktober 1998, abgerufen am 19. April 2014 (english).
  6. 6,0 6,1  J. T. Kiehl, Kevin E. Trenberth: Earth's Annual Global Mean Energy Budget. In: Bulletin of the American Meteorological Society. 78, Nr. 2, 1997, ISSN 1520-0477, S. 197–208, doi:<0197:EAGMEB>2.0.CO;2 10.1175/1520-0477(1997)078<0197:EAGMEB>2.0.CO;2.
  7. Water vapour: feedback or forcing? RealClimate, 6. April 2005, abgerufen am 1. Mai 2006.
  8. N. Nakicenovic, A. Grübler, A. McDonald: Global Energy Perspectives. Cambridge University Press, New York 1998.
  9.  Veerabhadran Ramanathan, J. A. Coakley: Relative contributions of H20, CO2 and 03 to the greenhouse effect. In: Rev. Geophys and Space Phys. 16, 1978, S. 465.
  10. RealClimate.org
  11.  Richard E. Zeebe, Andy Ridgwell, James C. Zachos: Anthropogenic carbon release rate unprecedented during the past 66 million years. In: Nature Geoscience. 9, Nr. 4, 2016, S. 325–329, doi:10.1038/ngeo2681 (http://www.nature.com/ngeo/journal/v9/n4/full/ngeo2681.html).
  12. J. Legett: Dangerous Fiction, Review of Michael Crichton's State of Fear. In: New Scientist. 2489, 5. März 2005, S. 50.
  13. R. Tuckermann: Skript Atmosphärenchemie. (PDF; 1,8 MB). Folie 32.
  14. The Copenhagen Diagnosis (PDF; 3,5 MB), S. 10.
  15. E. Gold: The Isothermal Layer of the Atmosphere and Atmospheric Radiation. In: Proceedings of The Royal Society of London. Volume 82, issue 551, 16. Februar 1909, S. 43–70.
  16. Benjamin D. Santer, M. F. Wehner, T. M. L. Wigley, R. Sausen, G. A. Meehl, K. E. Taylor, C. Ammann, J. Arblaster, W. M. Washington, J. S. Boyle, W. Brüggemann: Contributions of Anthropogenic and Natural Forcing to Recent Tropopause Height Changes. In: Science. Vol. 301, no. 5632, 25. Juli 2003, S. 479–483. doi:10.1126/science.1084123 (Abstract)
  17. 17,0 17,1 17,2 Spencer Weart: The Discovery of Global Warming: Simple Models of Climate. Center of History am American Institute of Physics - online
  18. 18,0 18,1  Nils Ekholm: On the Variations of the Climate of the Geological and Historical Past and Their Causes. In: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 27, Nr. 117, 1901, S. 1–62, doi:10.1002/qj.49702711702 (online).
  19.  Lewis D. Kaplan: On the Pressure Dependence of Radiative Heat Transfer in the Atmosphere. In: Journal of Meteorology. 9, Nr. 1, 1952, S. 1–12, doi:<0001:OTPDOR>2.0.CO;2 10.1175/1520-0469(1952)009<0001:OTPDOR>2.0.CO;2.


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