Einleitung und Übersicht

Die Einstrahlung der Sonne bestimmt grundlegend das Klima der Erde. Sie wird jedoch modifiziert durch die Eigenschaften der Atmosphäre, des Ozeans und der Landoberfläche. In der Atmosphäre beeinflussen neben den Wolken vor allem die sogenannten Treibhausgase die Strahlung.

Einleitung und Übersicht

Das globale Klima wird grundlegend bestimmt durch die Einstrahlungsenergie der Sonne und durch die Eigenschaften der Erdoberfläche und der Atmosphäre. Die Schwankungen der Sonneneinstrahlung können über größere Zeiträume von mehreren Jahrtausenden einen starken Einfluss auf das Klima haben, vor allem weil sie Rückkopplungsprozesse bei der Eisbedeckung der Erde und der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre anstoßen. So werden die Unterschiede zwischen Warm- und Kaltzeiten im gegenwärtigen Eiszeitalter durch die Unterschiede in der Einstrahlung erklärt, die durch die Veränderung der Erdbahnparameter verursacht werden (Milankovitch-Theorie). In Zeitskalen von Jahrzehnten und Jahrhunderten spielt die Sonneneinstrahlung dagegen eine geringere Rolle. Die Eigenschaften der Erdoberfläche, wozu die Bedeckung mit Eis, Wasser oder Vegetation gehören, besitzen einen direkten Einfluss auf den Energiehaushalt der Atmosphäre, vor allem über ihre Fähigkeit Strahlung zu reflektieren oder zu absorbieren.

In der Atmosphäre selbst wird der Strahlungshaushalt stark durch die chemische Zusammensetzung geregelt. Dabei sind weniger die Hauptbestandteile der Atmosphäre, Sauerstoff und Stickstoff von Bedeutung, obwohl sie etwa 99% der Masse der Atmosphäre ausmachen, als die nur in Spuren vorhandenen so genannten Treibhausgase. Die Treibhausgase absorbieren kurzwellige Sonnenstrahlung und geben sie als langwellige Wärmestrahlung wieder ab. Sie verändern damit stark den Energiehaushalt und die mittlere Temperatur der irdischen Atmosphäre. Die wichtigsten natürlichen Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid.

 Quellen und Senlken

Abb. 1: Quellen und Senken von Treibhausgasen und Aerosolen. Rote Schrift: anthropogen beeinflusste bzw. erzeugte Treibhausgase, rote Pfeile: anthropogene Quellen; blaue Pfeile: natürliche Quellen; gestrichelte Pfeile: Senken

Eine Eigenschaft, nach der sich die Treibhausgase unterscheiden lassen, sind ihre Quellen und Senken. Alle Treibhausgase mit Ausnahme der Fluorchlokohlenwasserstoffe (FCKW) und ihrer Nachfolgestoffe besitzen neben den anthropogenen auch natürliche Quellen. Die meisten dieser Gase werden von den Quellen an der Erdoberfläche direkt emittiert. Eine Ausnahme ist das troposphärische Ozon (O3), das aus einer Reihe von Vorläuferstoffen wie Methan (CH4), Stickstoffoxiden (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und VOC1 durch chemische Reaktion unter Einfluss der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre entsteht. Eine zusätzliche Quelle für O3 ist der Transport von stratosphärischem Ozon in die Troposphäre.

Mit Ausnahme von CO2 und H2O werden die Treibhausgase aus der Atmosphäre durch chemische Reaktion entfernt. Dabei spielt für einige Gase wie besonders für das troposphärische Ozon, aber auch für Methan das Hydroxylradikal OH eine entscheidende Rolle, das auch als "Waschmittel" der Atmosphäre bezeichnet wird. Für die Entstehung wie die Entfernung von Treibhausgasen sind teilweise komplexe chemische Interaktionen und photochemische Prozesse verantwortlich. CO2 ist dagegen in der Atmosphäre chemisch inert und wird durch Lösung im Wasser und die Photosynthese der Pflanzen aus der Atmosphäre entfernt. Auch die FCKWs gehen in der Troposphäre keine chemische Reaktion ein, werden aber in der Stratosphäre unter Einfluss der Sonnenstrahlung chemisch umgewandelt. Vorwiegend in der Stratosphäre wird auch N2O abgebaut. Aerosole werden aus der Atmosphäre ausgewaschen bzw. sinken mit der Zeit zu Boden.

Wichtige anthropogene Treibhausgase
Tabelle 1
: Wichtige Daten über anthropogene langlebige Treibhausgase, Ozon und Aerosole5

Aus dem Verhalten in der Atmosphäre resultiert die atmosphärische Verweilzeit (lifetime): Zusammen mit CO2 gehören einige dieser Gase wie Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O) und die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zu den langlebigen Treibhausgasen, d.h. ihre Verweilzeit in der Atmosphäre dauert mindestens ein Jahr, so dass sie rund um den Globus in der Atmosphäre gut durchmischt vorkommen. Dagegen ist ein so wichtiges Treibhausgas wie das troposphärische Ozon (O3) nur sehr kurzlebig, so dass seine atmosphärische Konzentration in der Nähe des Entstehungsortes wesentlich höher ist als in größerer Entfernung davon.

Neben den direkten spielen für den Treibhauseffekt auch die sogenannten indirekten Treibhausgase wie CO, VOC1a und NOx, die selbst keine Treibhauswirkung besitzen, aber die chemische Reaktion anderer Treibhausgase beeinflussen, eine gewisse Rolle. Hinzu kommen als weiterer strahlungsaktiver Spurenstoff noch die anthropogenen Aerosole, die wie das Ozon nur eine kurze Verweilzeit besitzen, daher in sehr unterschiedlicher Konzentration vorkommen, und die allerdings im Gegensatz zu den Treibhausgasen eine abkühlende Funktion besitzen, da sie Sonnenstrahlen primär reflektieren.

Die Konzentration wichtiger Treibhausgase in den letzten 2000 Jahren

Abb. 2: Die atmosphärische Konzentration wichtiger langlebiger Treibhausgase in den letzten 2000 Jahren. Deutlich erkennbar ist der Anstieg seit Beginn der Industrialisierung (ca. 1750).5

Die Konzentration der langlebigen Treibhausgase ist in den letzten Jahrtausenden relativ konstant geblieben. Da sie relative lange in der Atmosphäre verweilen, ist auch ihre Konzentration rund um den Globus nahezu gleich. Erst seit Beginn der Industrialisierung hat sie sich durch den Einfluss des Menschen deutlich erhöht. Hinzu kommt, dass der Mensch auch ein neues Treibhausgas erfunden hat, die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Außerdem verändert der Mensch auch die Konzentration des kurzlebigen Treibhausgases Ozon in der Troposphäre. Und er verändert auch die Zusammensetzung und die Konzentration von Aerosolen, kleinsten in der Atmosphäre schwebenden Partikeln, die anders als die Treibhausgase insgesamt eine abkühlende Wirkung haben.

Anmerkungen:
1. VOC=Volatile Organic Compounds (flüchtige organische Verbindungen)
2. Zeithorizont: 100 Jahre
3. RF = Radiative Forcing = Strahlungsantrieb (Veränderung der Strahlungsbilanz seit 1750), ein Maß für den Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt
4. 2007
5. Anmerkungen zur Tabelle: [1] nach IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, Technical Summary, Table 8.2; [2] und [3] nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I, Technical Summary, Table TS.2; [4] "Treibhauspotential" = Global Warming Potential; Zeithorizont: 100 Jahr; [5] RF = Radiative Forcing = Strahlungsantrieb (Veränderung der Strahlungsbilanz seit 1750), ein Maß für den Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt; [6] nach IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, Technical Summary, 8.3.3; [7] RF = Radiative Forcing = Strahlungsantrieb (Veränderung der Strahlungsbilanz seit 1750), ein Maß für den Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt; [8} nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I, 7.3.1.2 - Eine betimmte Verweilzeit für Kohlendioxid in der Atmosphäre anzugeben ist nicht möglich. Einzelne Moleküle verbleiben nur wenige Jahre in der Atmosphäre und treten dann in komplizierte Austauschprozesse mit dem Ozean und der Vegetation ein. Von diesen Reservoiren wird ein Teil des CO2 wieder in die Atmosphäre emittiert, auch in Anhängigkeit von der Temperatur. Ein höherer CO2-Gehalt (z.B. durch anthropogene Aktivitäten) hält sich daher deutlich länger in der Atmosphäre. Ca. die Hälfte ist nach 30 Jahren nachweisbar und 20 % können noch einige Jahrtausende vorhanden sein. Über diese Zeiträume herrscht in der Forschung keine Einigkeit.
6. verändert nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, FAQ 2.1, Figure 1

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