3. Globale Erwärmung duch den Treibhauseffekt

Allgemein

Der Treibhauseffekt wurde 1824 von Joseph Fourier entdeckt und wurde von Svante Arrhenius erst im Jahre 1896 genauer beziffert worden. Wegen der Ähnlichkeit der Wirkungsweise wurde der Begriffsumfang, der ursprünglich nur die Erwärmung im Gewächshaus bei Sonnenbestrahlung benannte, auf die Atmosphäre erweitert.

Von der Sonne trifft die Kurzwellige Strahlung auf die Atmosphäre und auf die Erdoberfläche. Langwellige Strahlung trifft auf die Erdoberfläche und wird dort abgestrahlt und in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Durch das thermische Gleichgewicht wird die Langwellige Strahlung, die von der Erdoberfläche absorbiert wird, 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.

3.1 Vergleiche zu anderen Planeten

Viele Menschen denken dass es nur auf der Erde den Treibhauseffekt gibt. Nur dies ist nicht der Fall denn es gibt auf einigen anderen Planeten auch einen Treibhauseffekt.

Durch eine einfache Berechnung wurde festgestellt dass es auf anderen Planeten auch einen Treibhauseffekt gibt. Durch das Rückstrahlvermögen der Erde kann man die Gleichgewichtstemperatur berechnen, die nur bestehen würde wenn es keine Atmosphäre gäbe, sie würde bei der Erde bei -18 °C liegen. Das ist deutlich weniger als die gemessenen +14 °C auf der Erde.

Beim Nachbarplaneten Venus ist es extrem viel mehr, statt durch Berechnung entstandenen 141 °C sind es 440 °C die gemessen wurden. Bei beiden ist es der Treibhauseffekt die Ursache ist für die unterschiedlichen Temperaturen.

Desweiteren würde auf dem Planeten Mars auch eine Art Treibhauseffekt gefunden. Beim Mars sind es die Wolken die dafür sorgen das der Planet eine höhere Temperatur hat als ohne die besondere Wirkung der Wolken, denn die Wolken werden Nachts dicker und haben so eine isolierende Wirkung für den Planeten.

3.2 Der atmosphärische Treibhauseffekt

Die Treibhausgase, wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon, bewirken in der Erdatmosphäre den Treibhauseffekt. Der Treibhauseffekt hat in der Vergangenheit und auch heute immer noch einen entscheidenden Einfluss auf die Klimageschichte. Die Treibhausgase sind durchgängig für die kurzwelligen Sonnenstrahlen aber die langwelligen Sonnenstrahlen werden je nach Treibhausgas in unterschiedliche Wellenlängen absorbiert und in die Luft abgegeben. Der Treibhauseffekt wird durch Wasserdampf ca. 36-70 % (ohne die Wolken), Kohlendioxid ca. 9-26 %, Methan ca. 4-9 % und Ozon ca. 3-7 % verursacht. Diese Prozent Angaben sind keine exakten Angaben da man diese nicht bestimmen kann weil es je nach Breitengrad und Vermischung variiert.

Die Wärmevorgänge werden an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre von der Sonne angetrieben. Die Stärke der Solarstrahlung in der Erdbahn wird als Solarkonstante bezeichnet und hat etwa einen Wert von 1367 W/m², der je nach Erdentfernung und Sonnenaktivität zwischen 1325 W/m² und 1420 W/m² schwankt. Bei geringen Wärmespeicherung (z.B. die innere Erwärmung eines Autos in der Sonne) ist von dem Wert 1367 W/m² auszugehen, denn nachts ohne Sonneneinstrahlung kühlt sich das innere vom Auto schnell ab auf die Umgebungstemperatur. Bei der großen Masse der Erde spielt die Wärmespeicherung eine entscheidende Rolle, was man am besten sieht wenn es Sommer ist, denn es ist nicht die wärmste zeit wenn die Sonne den Höchststand erreicht (etwa 22. Juni) sondern danach beginnt erst die zeit wo es so richtig warm ist in Deutschland/ Europa. Wegen dieser großen Speicherwirkung wird bei den Energiebilanzen in der Atmosphäre immer mit dem Mittelwert über die ganze Erdoberfläche gerechnet. Die Erde erhält Solarstrahlung auf der Fläche der Erdquerschnittes (π R²)  und hat eine Oberfläche von (4 π R²). Diese Flächen haben ein haben ein Verhältnis von 1:4. Deswegen ist als Mittelwert die Solarkonstante durch 4 zu teilen, so dass eine Strahlung von 342 W/m² auf die Erdoberfläche fällt. Der Energiehaushalt der Erde wird nicht nur durch Treibhausgase, sondern auch durch die Wolken beeinflusst. Von der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, wird durch Wolken, Luft und Boden ein Anteil von etwa 30 % wieder in den Weltraum reflektiert, das sind etwa 103 W/m². Die restlichen 70 % werden von der Erdoberfläche absorbiert, dies sind etwa 239 W/m². Wäre das die einzige Strahlung, die vom Erdboden absorbiert würde, so würde die Erdoberfläche eine Temperatur von -18 °C annehmen. Aber es gibt eine weitere Bestrahlung durch die aufheizten Treibhausgase mit etwa 150 W/m², die so genannte atmosphärische Gegenstrahlung. Damit absorbiert die Erdoberfläche insgesamt 389 W/m² und die werden bei der tatsächlichen mittleren Erdoberflächentemperatur von +15 °C auf mehreren Wegen abgegeben. Ein Teil davon wird durch Strahlung abgegeben.

 Die Energieabgabe geschieht aber auch durch weitere Vorgänge wie z.B. die Konvektion. Die Erdoberflächentemperatur ist zu gleich die bodennahe Lufttemperatur. Die von der Erdoberfläche abgestrahlte Energie hat eine andere Spektral-Farbverteilung, 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 +15 °C der Erdoberfläche bestimmt, so dass nur etwa 90 W/m² direkt von der Erdoberfläche in den Weltraum gestrahlt werden. Die restlichen 299 W/m² werden teilweise durch Strahlung an die für diesen Wellenlängenanteil undurchsichtige Atmosphäre (verursacht durch die Treibhausgase) durch Absorption abgegeben, teilweise auch durch andere Vorgänge, z.B. Konvektion. Dadurch wird die Atmosphäre aufgeheizt. Die Atmosphäre hat zwei Oberflächen: eine zum Weltraum hin und eine zur Erde hin. Da die Temperatur in der Atmosphäre sich mit der Höhe ändert, muss die Abstrahlung aus den Treibhausgasen nicht in beide Richtungen mit gleicher Stärke erfolgen. Zurzeit ist es so, dass die Abstrahlung aus der Atmosphäre auf jeder Seite etwa gleich groß ist. So wird die absorbierte Energie von 299 W/m²auf jeder Seite zur Hälfte, also ca. 150 W/m² abgestrahlt.

Kommen wir nun zur Verteilung des Wasserdampfes in der Erdatmosphäre. Der kondensierbare Wasserdampf einer Luftsäule über einer Grundfläche von 1 m² wird in cm angegeben. Durch die Abstrahlung in den Weltraum von der Atmosphäre mit 150 W/m², den direkten 90 W/m² von der Erdoberfläche und dem Albedo-Anteil von 103 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.

Der Wärmestrom aus dem Erdinneren spielt praktisch keine Rolle (ca. 0,06 W/m²). Aus dem Weltenergieverbrauch (im Jahr 2004) in Höhe von 432 Exajoule (entspricht 4,32*10^17 Joule) und der Größe der Erdoberfläche von rund 510 Millionen km² errechnet sich ein auf die Nutzung nicht regenerativer Energieträger zurückzuführender Wärmestrom in Höhe von rund 0,026 W/m². Denn 0,026 W/m² sind nichts wenn man sich mal die anderen Zahlen dazu ansieht (103W/m², 342 W/m²).

Zusammengefasst noch mal ergibt sich: Die Rückstrahlung aus der Atmosphäre zur Erde führt zur zusätzlichen Erwärmung der Erdoberfläche um 33 °C. Damit liegt die durchschnittliche globale Temperatur bei 15 °C statt bei -18 °C.

3.3 Einflüsse durch Wolken und Boden

Niedrige Wolken kühlen die Erde durch ihre Sonnenreflexion, hohe Wolken erwärmen die Erde.

Wolken beeinflussen das Klima der Erde maßgeblich neben den Treibhausgasen (Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon). Wolken reflektieren dabei einen Teil der einfallenden Sonnenenergie, die Helligkeit der Wolken stammt dabei von der reflektierten kurzwelligen Energie. Wenn die Optische Dicke niedriger Wolken größer wird und somit mehr Energiezurückgestrahlt wird, sinkt die Temperatur der Erde und umgekehrt. Hohe Wolken sind oft dünn und nicht sehr reflektierend. Sie lassen einen Großenteil der Sonnenwärme durch und da sie sehr hoch liegen, wo die Lufttemperatur sehr niedrig ist, strahlen diese Wolken nicht viel Wärme ab. Die Tendenz hoher Wolken ist, die Erde zu erwärmen. Niedrige Wolken sind oft dicht und reflektieren viel Sonnenlicht zurück in den Weltraum. Sie liegen dabei auch niedriger in der Atmosphäre, wo Temperaturen wärmer sind und strahlen deshalb mehr Wärme ab. Die Tendenz niedriger Wolken ist, die Erde zu kühlen.

Die Beschaffenheit des Bodens und insbesondere seine Versiegelung, Entwaldung oder Landwirtschaftliche Nutzung haben maßgeblichen Einfluss auf die Verdunstung und somit auf die Wolkenbildung und das Klima. Aber der Boden hat nicht nur eine Auswirkung auf die Bildung von Wolken sondern er reflektiert auch das einfallende Sonnenlicht, dies tut der Boden je nach seiner Beschaffenheit. Reflektiertes Sonnenlicht wird als kurzwellige Sonnenstrahlung in den Weltraum zurückgeworfen. Albedo ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen von nicht spiegelnden und nicht selbst leuchtenden Oberflächen.

Prozent des reflektierten Sonnenlichtes in Abhängigkeit von unterschiedlichen Erdoberflächen Beschaffenheit.

Man kann anhand der Albedo voraussagen, dass ein Abschmelzen der Polkappen die Erde zusätzlich erwärmen würde. Nicht nur der Verbrauch von fossilen Energieträgern sorgt für die Freisetzung von Treibhausgasen in die Atmosphäre sondern auch die intensive Bestellung von Ackerland und die Entwaldung sind bedeutende Treibhausgasquellen. Denn Bäume benötigen weit mehr CO₂ für die Photosynthese als Getreide. Der Boden hat eine Menge an organischem Material, welches Kohlenstoff enthält, dies wird beim Ackerbau aber teilweise freigesetzt.