Fünf Schritte zum Treibhauseffekt
Schritte
Eine Reihe von gedanklichen Schritten soll den Treibhauseffekt auf einem Niveau darstellen, das Schülerinnen und Schüler am Ende der Sekundarstufe 1 erreichen können. Dazu werden in Abbildung 5 sukzessive die für die Strahlungsbilanz und den Treibhauseffekt relevanten Strahlungsströme eingeführt. Zur Vereinfachung ist dort wie bereits in Abbildung 2 die Leistung der Sonnenstrahlung, die ein Quadratmeter der atmosphärelosen Erdoberfläche im Mittel empfängt - ein Viertel der Solarkonstanten - , gleich "100 Einheiten" gesetzt. Die Zahlenwerte sind gerundet und bis zum letzten Schritt, in dem erst der Energiefluss durch Konvektion (Luft und Wasserdampf) berücksichtigt wird, wegen des beschriebenen Vorgehens teilweise auch nicht korrekt.
1. Schritt (Abbildung 5a):
Unter der Annahme, dass die Erde keine Atmosphäre besitzt, absorbiert die Erdoberfläche die gesamte von der Sonne überwiegend als sichtbares Licht eingestrahlte Energie (100 Einheiten). Im stationären Zustand gibt dann die Erdoberfläche dieselbe Energie - mangels eines anderen Transportmechanismus - wieder als Strahlung ab. Das Stefan-Boltzmannsche Strahlungsgesetz sagt aus, dass dieses bei einer bestimmten Temperatur T geschieht, und das Wiensche Strahlungsgesetz gibt an, bei welcher Wellenlänge die Strahlung am intensivsten ist (T = 255K und max = 11,4 µm).
2. Schritt (Abbildung 5b):
Die Erde hat jedoch eine Atmosphäre; dadurch erhält die Erdoberfläche direkt nur etwa 50 Einheiten Strahlung, denn die Atmosphäre reflektiert etwa 30 Einheiten des Sonnenlichts und absorbiert etwa 20. Letztere werden als Infrarotstrahlung etwa je zur Hälfte nach oben und unten reemittiert, so dass die Erdoberfläche insgesamt 60 Einheiten Strahlung erhält. Wäre die Atmosphäre für Infrarotstrahlung völlig durchlässig, so würde sie genau diese Energie auch ungehindert in den Weltraum reemittieren, und zwar bei geringerer Temperatur als im ersten Schritt dargestellt.
3. Schritt (Abbildung 5c):
Die Atmosphäre wird hinzugefügt; die darin enthaltenen Treibhausgase absorbieren Infrarotstrahlung. Die Transmission der Atmosphäre für die Strahlung, die von der Erdoberfläche ausgeht, beträgt dadurch nur etwa 0,13, so dass nur 8/60 der IR-Strahlung ungehindert entweicht, während 52/60 absorbiert und anschließend wieder etwa je zur Hälfte nach oben und unten reemittiert wird. Wenn die Erdoberfläche dabei - wie in Abbildung 5c - nach wie vor 60 Einheiten emittiert, so ist die Strahlungsbilanz nicht mehr ausgeglichen, denn die Erdoberfläche erhält nun 86 Einheiten. Durch den Überschuss von 26 Einheiten erwärmt sie sich, der dargestellte Zustand ist also nicht stationär.
4. Schritt (Abbildungen 5d und 5e)
Die Strahlungsbilanz ist ausgeglichen, sobald insgesamt 100 Einheiten die Atmosphäre nach außen verlassen; dazu müssen x Einheiten von der Erdoberfläche abgestrahlt werden. Die Abbildung 5d liefert wegen der Teilbilanz
x = 0,87x + 0,13x = 0,435x + 0,435x + 0,13x
zur Bestimmung von x die bilanzierende Gleichung
0,13x + 0,435x = 60
deren Lösung gerundet 106 beträgt, siehe Abbildung 5e.
Die Temperatur T, bei der diese 106 Einheiten abgestrahlt werden, ist größer als jene in Abbildung 5a. Genau diesen Sachverhalt bezeichnet man als Treibhauseffekt! Erstaunlicherweise erhält die Erdoberfläche also mehr Energie und strahlt auch mehr Energie ab, als sie ohne Atmosphäre direkt von der Sonne erhalten und wieder abstrahlen würde.
Wird durch eine Erhöhung der Treibhausgaskonzentration die IR-Transmission der Atmosphäre z.B. auf 0,08 gesenkt, so lautet die entsprechende Gleichung
0,08x + 0,46x = 60
und die Lösung beträgt nunmehr ungefähr 111.
Dem so erhöhten Strahlungsstrom von 111 Einheiten entspricht eine weiterhin erhöhte Oberflächentemperatur der Erde, also ein zusätzlicher Treibhauseffekt. Die dadurch ausgelösten Rückkopplungsprozesse, die wesentlich für die Unsicherheiten in den Ergebnissen von Klimamodellrechnungen verantwortlich sind (z. B. wächst mit der Temperatur die Konzentration des treibhauswirksamen Wasserdampfs in der Atmosphäre, aber auch die kühlende Bewölkung nimmt zu), sind in diesem einfachen Modell nicht dargestellt.
5. Schritt (Abbildung 5f):
Berücksichtigt man den Energietransport durch aufsteigende erwärmte Luft einschließlich des Wasserdampfes, der bei der Wolkenbildung Energie freisetzt, so erhält man die in Abbildung 5f genannten Energieströme, die die Realität zwar noch stark vereinfacht, aber im wesentlichen richtig wiedergeben. Genauere Angaben findet man in [1].
Abbildung 5a
Abbildung 5b
Abbildung 5c
Abbildung 5d
Abbildung 5e
Abbildung 5f
