Der natürliche Treibhauseffekt

Der durch den Menschen verursachte Treibhauseffekt ist nur eine Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts, ohne den kein Leben auf der Erde möglich wäre.

Der natürliche Treibhauseffekt

Von entscheidender klimatischer Bedeutung ist bei den Strahlungsvorgängen in der Atmosphäre, dass die langwellige Wärmestrahlung der erwärmten Erdoberfläche die Atmosphäre größtenteils nicht auf direktem Wege verlässt, sondern von atmosphärischen Spurengasen, den natürlichen Treibhausgasen, und Wolken zunächst absorbiert wird. Spurengase und Wolken emittieren diese Energie einerseits an den Weltraum und strahlen sie andererseits in Richtung Erdoberfläche zurück, die dadurch zusätzlich aufgeheizt wird und wiederum langwellige Strahlung an die Atmosphäre emittiert, die diese wieder Richtung Erdoberfläche abstrahlt usw. Der auf diese Weise hervorgerufene Wärmestau in der unteren Atmosphäre bewirkt einen Temperaturanstieg um +33 oC bzw. eine Erwärmung von -18 oC (bei Annahme einer Atmosphäre ohne Wolken und Spurengase) auf +15 oC und ermöglicht damit überhaupt erst Leben auf der Erde.

Die Erdoberfläche erhält durch die Sonneneinstrahlung und den Treibhauseffekt insgesamt eine Energie von 492 W/m2 (168 W/m2 Solarstrahlung + 324 W/m2 atmosphärische Wärmestrahlung) und gibt an die Atmosphäre 350 W/m2 als Wärmeausstrahlung wieder ab. Der resultierende Energieüberschuss von 142 W/m2 wird zum einen dadurch ausgeglichen, dass ein geringer Teil der Wärmeausstrahlung (40 W/m2) von den Treibhausgasen nicht absorbiert wird und durch das sogenannte Absorptionsfenster in den Weltraum entweicht. Zum anderen gibt die Erdoberfläche 24 W/m2 als fühlbare Wärme und 78 W/m2 als latente Wärme an die Atmosphäre ab. Der Fluss fühlbarer Wärme transportiert Energie vom erwärmten Erdboden durch das Aufsteigen warmer Luft in die untere Atmosphäre. Latente Wärme wird durch Wasserdampf in die Atmosphäre transportiert, indem durch Verdunstung von Wasser der Umgebung zunächst Energie entzogen wird, die dann bei der Kondensation in größerer Höhe wieder frei gesetzt wird.

Der natürliche Treibhauseffekt
Abb. 1:
Der natürliche Treibhauseffekt

In Anlehnung an das Garten-Treibhaus bezeichnet man den Wärmestau in der unteren Atmosphäre als "Treibhauseffekt". Die Vergleichbarkeit zwischen beiden 'Treibhäusern' ist allerdings begrenzt. Die Glasabdeckung des echten Treibhauses lässt wie die Atmosphäre kurzwellige Sonnenstrahlen weitgehend passieren. Das Innere des Treibhauses wird dadurch erwärmt und emittiert langwellige Wärmestrahlung, die vom Glas ähnlich wie von den Treibhausgasen der Atmosphäre absorbiert wird. Das Glas unterbindet aber im Gegensatz zu den Treibhausgasen der Atmosphäre auch den Luft- und Wasserdampftransport und damit weitgehend den Fluss fühlbarer und latenter Wärme.

Die eigentlichen Verursacher des Treibhauseffektes sind eine Reihe von Spurengasen wie Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O), Ozon (O3) u.a., deren Anteil an der Gesamtmasse der Atmosphäre zusammen weniger als 1% ausmacht. Diese Treibhausgase lassen die kurzwellige Solarstrahlung weitgehend passieren, absorbieren aber die langwellige Wärmestrahlung der Erdoberfläche im Infrarotbereich. Sie tun das in Wellenlängenbereichen ab etwa 3 µm. Dabei absorbieren die einzelnen Spurengase in unterschiedlichen Absorptionsbanden.

Beitrag von Spurengasen der Atmosphäre zum natürlichen Treibhauseffekt
Tab. 1:
Beitrag von Spurengasen der Atmosphäre zum natürlichen Treibhauseffekt1

Das wichtigste natürliche Treibhausgas ist Wasserdampf, das für fast Zweidrittel des natürlichen Treibhauseffekts verantwortlich ist. Es absorbiert in breiten Spektralbereichen um 3 µm, 5 µm und 20 µm nahezu vollständig. Es lässt aber in anderen Wellenlängenbereichen wie um 4 µm und um 10 µm die Infrarotstrahlung nahezu vollständig passieren. In diesen Spektren setzen die anderen Treibhausgase an. So absorbiert das zweitwichtigste natürliche Treibhausgas, das Kohlendioxid, gerade um 4 µm und 15 µm. Ozon, Distickstoffoxid und Methan füllen weitere Lücken des Wellenlängenspektrums.

Ausstrahlung und Absorption von Wärmestrahlung
Abb. 2:
links (a): theoretische Ausstrahlung der Erdoberfläche ohne Treibhauswirkung (rote Kurve) und tatsächliche Ausstrahlung aufgrund der Wirkung der Treibhausgase(blaue Fläche); rechts (b): Wellenlängenbereiche, in denen die angegebenen Treibhausgase die Wärmestrahlung absorbieren. Der Absorptionskoeffizient gibt die Intensität dieser Absorption an.

Anmerkungen:
1. Nach: Christian-D. Schönwiese: Anthropogene Verstärkung des Treibhauseffektes, in: Geographie und Schule, Nr. 101, 1996, S.15; und ders.: Klimaänderungen. Daten, Analysen, Prognosen, Berlin, Heidelberg 1995, S.135.2. 19943. bodennahes Mittel 2,6 %, Troposphäre 1,5 %
2. 1994
3. bodennahes Mittel 2,6 %, Troposphäre 1,5 %

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