Atmosphäre und 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 502 W/m² (160 W/m² Solarstrahlung + 342 W/m² atmosphärische Wärmestrahlung) und gibt an die Atmosphäre 398 W/m² als Wärmeausstrahlung wieder ab (Abb. 1). Der resultierende Energieüberschuss von 104 W/m² wird dadurch ausgeglichen, dass die Erdoberfläche zusätzlich 24 W/m² als fühlbare Wärme und 78 W/m² als latente Wärme an die Atmosphäre abgibt. 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.

Damit ist die Energiebilanz der Erde allerdings nicht vollständig ausgeglichen. Das Klimasystem der Erde erhält (aufgerundet) 1 W/m² mehr Wärme als es abgibt: 340 zu 339 (239+100) W/m². Diese Energie wird hauptsächlich vom Ozean aufgenommen.  Hintergrund ist, dass die Abb. 1 eine Momentaufnahme der Energiebilanz der Erde am Beginn des 21. Jahrhunderts darstellt. Was hier gezeigt wird, ist schon nicht mehr der natürliche Treibhauseffekt in Reinform mit einer ausgeglichenen Energiebilanz, sondern ein durch menschliche Aktivitäten bereits gestörter Treibhauseffekt, dessen zusätzliche Energie zu über 90 % vom Ozean aufgenommen wird.

Abb. 1: Der natürliche Treibhauseffekt.^B1

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.

Abb. 2: Absorption von Wärmestrahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge durch Wasserdampf (blau) und CO₂ (rot). Angegeben in Prozent: 100 % bedeutet die vollständige Absorption der Wärmestrahlung.^B2

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.

Die langlebigen Treibhausgase Kohlendioxid, Methan und Lachgas halten sich nach ihrer Entstehung über viele Jahre bis Jahrzehnte in der Atmosphäre auf und sind deshalb gut durchmischt. Das wichtigste natürliche Treibhausgas Wasserdampf besitzt dagegen nur eine kurze Verweilzeit und kommt daher in der Atmosphäre sehr unregelmäßig verteilt vor. Wasserdampf entsteht durch Verdunstung vor allem über den tropischen Ozeanen und Regenwäldern (aber in geringem Maße auch durch Sublimation über Eis- und Schneeflächen) und wird durch Kondensation wieder in den flüssigen Zustand zurückgeführt. Das Ausmaß der Verdunstung hängt von dem zur Verfügung stehenden Wasser und der Temperatur der Atmosphäre ab. Bei hohen Temperaturen kann die Atmosphäre viel Wasserdampf aufnehmen, bei niedrigen Temperaturen weniger. Nach der Clausius-Clapeyron-Gleichung nimmt der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre mit jedem Grad Celsius um 7 % zu. Der höchste Wasserdampfgehalt findet sich über den tropischen und subtropischen Ozeanen und den tropischen Regenwäldern. In den hohen Breiten ist der Wasserdampfgehalt wegen der niedrigen atmosphärischen Temperaturen gering, ebenso in den subtropischen Trockengebieten (z.B. in der Sahara), weil wenig Wasser zum Verdunsten zur Verfügung steht. Über den Subtropen wirkt daher CO₂ auch in den Absorptionsbanden als Treibhausgas, die sonst von Wasserdampf besetzt sind.

Bildquellen:
B1. Eigene Darstellung (Dieter Kasang); Daten nach: Wild, M., A. Ohmura, C. Schär, G. Müller, D. Folini, M. Schwarz, M.Z. Hakuba, and A. Sanchez-Lorenzo. (2017): The Global Energy Balance Archive (GEBA) version 2017: a database for worldwide measured surface energy fluxes, Earth Syst. Sci. Data, 9, 601–613, https://doi.org/10.5194/essd-9-601-2017
B2. NASA Earth Observatory (2009): Climate Forcings and Global Warming, http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/page7.php ; Lizenz: public domain

Autor: Dieter Kasang