Treibhausgase

Definitionen

Wasser kommt in der Natur in drei verschiedenen Aggregatzuständen vor: in flüssigem Zustand (Wasser), in gefrorenem Zustand (Eis) und in gasförmigem Zustand (Wasserdampf). In der Umgangssprache meint man mit "Wasserdampf" die aus kleinen Tröpfchen bestehenden sichtbaren Dampfschwaden, die etwa beim Kochen von Wasser entstehen. In der Naturwissenschaft und damit auch in der Meteorologie wird unter „Wasserdampf“ das unsichtbare und geruchlose Gas verstanden, das durch Verdunstung aus flüssigem Wasser entsteht und durch Kondensation wieder in den flüssigen Zustand zurück verwandelt wird. Wasserdampf kann auch direkt aus Eis entstehen, z.B. durch starke Sonneneinstrahlung, ohne dass das Eis zuvor schmelzen muss. Diesen Vorgang nennt man Sublimation.

Wasserdampf in der Atmosphäre

Wasserdampf gelangt in die Atmosphäre durch Verdunstung und wird durch Kondensation in Wolken und Niederschlag verwandelt. Dabei verdunstet das meiste Wasser über den Ozeanen, und zwar pro Fläche doppelt so viel wie über dem Land. Ein großer Teil des über dem Ozean verdunsteten Wassers wird durch Luftströmungen Richtung Land transportiert und regnet dort ab. Etwa 35 % des Niederschlags über dem Land stammt auf diese Weise von über dem Ozean verdunstetem Wasser.¹

Abb. 1: Wasserkreislauf^B1

Der Massenanteil von Wasserdampf an der Masse der Atmosphäre beträgt nur 0,25 %, die allerdings sehr unregelmäßig verteilt sind. Der Gehalt an Wasserdampf hängt dabei vor allem von 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. Entsprechend wird in warmen Regionen viel Wasser verdunstet und in Wasserdampf umgewandelt, in kalten Regionen weniger. So wird der Anteil an Wasserdampf in Bodennähe in den Tropen auf 18-19 g pro kg Luft geschätzt, in den Polargebieten auf 1 g/kg. Allerdings muss auch genügend Wasser zum Verdunsten zur Verfügung stehen, was z.B. in den Trockenregionen der Erde nicht der Fall ist, weshalb hier trotz hoher Temperaturen der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre gering ist.¹

Wasserdampf als Treibhausgas

Trotz seines geringen Anteils an der Atmosphäre ist Wasserdampf vor anderen Spurengasen wie CO₂, CH₄ und N₂O, die auch anteilsmäßig nach Wasserdampf rangieren, das wichtigste natürliche Treibhausgas. Sein Beitrag zum natürlichen Treibhauseffekt ist zwei- bis dreimal so hoch wie der von Kohlendioxid. Für den anthropogenen, vom Menschen verursachten Treibhauseffekt spielt Wasserdampf jedoch keine ursprüngliche Rolle. Wasserdampf ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt primär als Rückkopplungseffekt von Bedeutung, ähnlich wie die Eis- und Schneebedeckung, die mit der Temperaturzunahme geringer wird, wodurch sich die Albedo verringert und so die Erwärmung verstärkt wird. D.h. mehr Wasserdampf in der Atmosphäre ist eine Folge der Temperaturerhöhung durch mehr CO₂ und andere Treibhausgase in der Atmosphäre.²

Es gelangt allerdings noch zusätzlicher Wasserdampf durch direkte anthropogene Aktivitäten in die Atmosphäre, in 1. Linie durch landwirtschaftliche Bewässerung (32 500 m³/s) und an 2. Stelle durch die Kühlung von Kraftwerken (450 m³/s). Dieser besitzt allerdings nur eine verschwindend geringe Wirkung auf die Strahlungsbilanz und die Temperatur. Pro Gewichtseinheit wird der Strahlungsantrieb von CO₂ etwa 1000 Mal höher eingeschätzt als der von bodennah durch menschliche Aktivitäten emittiertem Wasserdampf. Dieser beträgt über 100 Jahre netto -0,001 bis +0,0005 W/m². Das hängt damit zusammen, dass mit der Entstehung und den Auswirkungen dieses Wasserdampfes diverse Prozesse verbunden sind wie Verdunstung (Abkühlung), Kondensation (Erwärmung), Wolkenbildung (Abkühlung), der Treibhauseffekt durch Wasserdampfmoleküle (Erwärmung) etc., deren Temperatureffekte sich teilweise aufheben. Und außerdem hat Wasserdampf nur seine sehr kurze atmosphärische Verweilzeit von ca. 10 Tagen, gegenüber Jahrzehnten bis Jahrhunderten bei CO₂.^3,4

Anmerkungen:
1. M. Quante: Verteilung und Transport des Wassers in der Atmosphäre, in: Lozán, J.L. u.a.(Hg.): Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle? Wissenschaftliche Fakten, Hamburg 2004, 49-56
2. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, FAQ 8.1
3. IPCC (2021): Climate Change 2021, Working Group I (2021): The Science of Climate Change, 7.3.4.1
4. Sherwood, S.C., V. Dixit, and C. Salomez (2018): The global warming potential of near-surface emitted water vapour. Environmental Research Letters, doi:10.1088/1748-9326/aae018

Bildquellen:
B1. U.S. Geological Survey (2016): Diagramm des Wasserkreislaufs, https://water.usgs.gov/edu/watercyclegermanhi.html  ; Lizenz: public domain (Illustration by John Evans, Howard Perlman, USGS; Übersetzung: Werner Hoffelner, Umweltbundesamt)