Treibhaus, oder was?

Das Klimaproblem lässt sich kaum noch verleugnen. Inzwischen ist das Reden übers Wetter kein harmloses Plaudern mehr und es gehen weltweit zigtausend junge Leute auf die Straße, um das Klima zu schützen vor weiterer Aufheizung. Da liegt es nahe, dass die Frage aufkommt: Wie war das noch mal genau mit dem Treibhauseffekt und warum ist CO₂ überhaupt so gefährlich?

Die globale Erwärmung wird häufig – wie in der Abb. 1 – mit dem sog. „Treibhauseffekt“ erklärt.

Abb. 1: Glashaus- und „Treibhaus“-Effekt stark vereinfacht dargestellt
(Bildquelle: www.waldundklima.net)

Aber ganz so einfach lässt sich das nicht vergleichen:

Beim echten Gemüsetreibhaus spielt CO₂gar keine Rolle. Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen dem Glashaus im Garten und dem klimatischen Erdsystem: beim Glashaus sammelt sich Wärme im Innern dadurch, dass die vom Sonnenlicht erwärmte Luft daran gehindert wird, das Glashaus zu verlassen. Bei der Atmosphäre hingegen geht es nicht direkt um einen Temperaturausgleich, sondern um die Absorption und Emission von Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen an den sog. „Treibhausgasen“.

Die folgende Abbildung 2 zeigt die Strahlungsflüsse zwischen Weltall und Erdboden mit Werten für die Strahlungsflussdichten (auch: „Strahlungsstärken“). Die quantitativen Werte ergeben sich aus Bilanzgleichungen. Im folgenden Text werden einige dieser Strahlungseffekte ausgespart und lediglich die farbig gezeigten Strahlengänge in den Unterpunkten 1. bis 4. kurz erläutert. Davon ausgehend kann dann im 5. Punkt der von menschlichen Aktivitäten ausgehende Effekt erläutert werden.

Abb. 2: Die im Folgenden erläuterten Strahlungsanteile (1…4)
(Bildquelle: verändert aus: Wikipedia: Treibhauseffekt)

In diesem Text geht es auch nur um die Strahlungseffekte und nicht um andere Wirkfaktoren in der Atmosphäre, den Ozeanen, den Kontinenten und in der Biosphäre, die bei der Analyse der Globalen Erwärmung eine Rolle spielen. Auch von den unterschiedlichen Effekten in unterschiedlichen Bereichen (Höhen) der Atmosphäre wird hier abstrahiert.

1. Solare Strahlung

Von der Sonne geht Strahlung aus, die einen recht großen Wellenlängen-(bzw. Frequenz-)Bereich umfasst. Die folgende Abbildung 3 zeigt ein Spektrum, d.h. die Verteilung der Strahlungsleistung (y-Achse) über die Wellenlängen der Strahlung (y-Achse). Die gelbe Kurve, an der „Sonne“ steht, zeigt das Spektrum eines Körpers mit der Temperatur von 5600°C, was der Oberflächentemperatur der Sonne entspricht. Diese Temperatur bestimmt auch, welche Wellenlängen die ausgesandte Strahlung enthält – in diesem Fall reicht sie vom Ultravioletten (links) mit einem Maximum im sichtbaren Sicht bis in den Bereich des Infraroten (rechts). Diese Kurve entspricht in dieser Darstellung dem Strahlungsspektrum eines „Schwarzen Körpers“ mit der angegebenen Temperatur. Solch ein „Schwarzer Körper“ absorbiert (nimmt auf) bzw. emittiert (sendet aus) alle eintreffende elektromagnetische Strahlung, ohne dass er bestimmte Wellenlängen bevorzugt oder ausblendet.

Abb. 3: Idealisiertes Spektrum der solaren Strahlung (Gelbe Kurve)
(Bildquelle: verändert aus: http://www2.ipp.mpg.de/ippcms/ep/ausgaben/ep200504/bilder/0405_waermestrahler_dia.html)

Die Sonne ist nicht wirklich ein „Schwarzer Körper“, deshalb weist die von ihr kommende solare Strahlung nicht die eben gezeigte durchgehende Linie auf, sondern ist „gezackt“. In der Photosphäre der Sonne werden bereits Strahlungsanteile absorbiert, diese „fehlen“ in der ausgesendeten solaren Strahlung. Sie zeigen sich in der Abbildung 4 als Differenz zwischen der gelben „idealen“ Kurve und der dunkelgelben Linie der ausgesendeten solaren Strahlung. Mit diesem Spektrum würde das Sonnenlicht auch auf der Erde auftreffen, wenn diese keine Atmosphäre hätte.

Abb. 4: Spektrum der solaren Strahlung vor dem Durchgang durch die Atmosphäre (dunkelgelb)
(AM0 steht dafür, dass keine Schwächung durch die Atmosphäre vorliegt).
(Bildquelle: verändert aus: https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenstrahlung)

2. Durchgang durch Atmosphäre in Richtung Erdoberfläche

Was passiert nun, wenn die auf die Erde gerichtete Strahlung sich durch die Atmosphäre hindurch bewegt? Wir betrachten hier nur jene Strahlungsanteile, die bis auf den Erdboden gelangen. Auf dem Weg dahin durchläuft die Strahlung die Atmosphäre, die aus Gasatomen bzw. -molekülen besteht. Die irdische Atmosphäre besteht vorwiegend aus Stickstoff, Sauerstoff, Argon sowie den Spurengasen Kohlen(stoff)dioxid, Wasserstoff, Distickstoffoxid und Ozon. An manchen Molekülen wird die Strahlung bestimmter Wellenlängen absorbiert und wird dort in Bewegungsenergie (Schwingungen) umgewandelt. Festkörper, wie die schon beschriebenen idealisierten „Schwarzen Körper“ absorbieren und emittieren in einem großen Wellenlängenbereich (weil ihre Atome miteinander wechselwirken). Gase jedoch haben diskrete Energieniveaus (Emissions- bzw. Absorptionslinien). In Molekülen mit mehreren Atomen entstehen breitere „Energiebänder“. Wie schon erwähnt, können Moleküle die Strahlungsenergie, die ihren „Absorptionsbändern“ entspricht, in Bewegungsenergie umsetzen, wenn sie durch diese Strahlung zu Schwingungen angeregt werden.

Abb.: 5: Eine Schwingungsform des CO₂-Moleküls
(Quelle: ChemgaPedia)

Weil die unterschiedlichen Moleküle durch ihre unterschiedlichen Bestandteile und Strukturunterschiede auch unterschiedliche Schwingungen ausführen, liegen ihre Absorptionsbänder bei unterschiedlichen Wellenlängen.

In der folgenden Abbildung 6 sind im unteren Teil in grauer Farbe die Bereiche gekennzeichnet, in denen durch die entsprechenden Moleküle ein Teil der eingehenden Solarstrahlung absorbiert wird (Absorptionsbande). Auf der y-Achse ist dort der Anteil aufgetragen, der bei der entsprechenden Wellenlänge auf der x-Achse absorbiert wird. Dieser Teil bildet dann bei der Darstellung der spektralen Intensität gerade die Differenz zwischen der solaren Strahlung und der nur zu 70-75% übertragenen (transmittierten) Strahlung dar. Wo also in der Absorptionsbandendarstellung der Moleküle Maxima sind, bilden sich in der spektralen Intensität „Trichter“.

Abb. 6: Absorptionsbande der Erdatmosphäre für die eingehende Solarstrahlung
(Quelle: verändert aus: Wikipedia: Treibhauseffekt)

Im UV-Bereich wird die Strahlung durch Sauerstoff und Ozon absorbiert sowie durch Rayleigh-Streuung an den Luftmolekülen gestreut. In diesem Bereich des Spektrums überwiegen bei der Wechselwirkung zwischen Strahlung und den Atomen und Gasen in der Atmosphäre atomare Übergänge.

Für Wellenlängen der solaren Strahlung, die größer sind als die des sichtbaren Lichts (also im Infrarotbereich), dominiert die Absorption durch Wasserdampf. Die Absorptionsbanden für Wasserdampf führen zu entsprechenden „Trichtern“ in der spektralen Intensität der Strahlung, die auf die Erdoberfläche gelangt, die noch ergänzt werden durch Absorptionsbanden durch Kohlendioxid. Insgesamt werden 25-30% der solaren Strahlung absorbiert.

Im folgenden Bild (7) ist die Veränderung des Strahlungsspektrums nach dem Durchgang durch die Atmosphäre in Richtung Erdoberfläche noch einmal dargestellt. Im sichtbaren Bereich ist die Atmosphäre weitestgehend durchlässig – oder anders herum: Das Auge hat sich an den Wellenlängenbereich eingestellt, in dem die Intensität auch an der Erdoberfläche am größten ist.

Abb. 7: Spektrum der solaren Strahlung nach der Durchquerung der Atmosphäre (dunkelblau und regenbogenfarbig)
(AM 1,5 steht dafür, dass die Atmosphäre mit einem schrägen Winkel durchquert wurde).
(Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenstrahlung)

Schon beim Durchgang durch die Atmosphäre wird ein Teil der Strahlung in Wärme umgewandelt. Ein Teil der nach dem Durchgang durch die Atmosphäre auf der Erdoberfläche ankommenden Solarstrahlung wird optisch reflektiert (schon an hellen Wolken, insb. marinen Schichtwolken, aber auch durch helle Oberflächen wie Schnee), oder wird für die Photosynthese genutzt; ein anderer Teil erwärmt die Atmosphäre und die Erde (bis auf eine globale Durchschnittstemperatur von -18°C).

Die solare Flussdichte, die jeweils auf der der Sonne zugewandten oberen Seite der Atmosphäre auftrifft, beträgt ca. 341 Wm^-2. Auf der Erdoberfläche werden nach den eben genannten Verlustprozessen noch 161 Wm^-2 empfangen. Das Stefan-Boltzmannsche Gesetz ist eine Beziehung, das für „Schwarze Körper“ thermische Strahlungsleistung und Temperatur in Verbindung bringt. Die Strahlungsleistung ist dabei korreliert mit der 4. Potenz der Temperatur. Die eben genannte auf der Erde ankommende Strahlung führt für die Erdoberfläche zu einer Temperatur von -18°C. Dies ist gegenüber der „kosmischen Kälte“ im Weltall schon recht viel, würde aber nicht ausreichen für flüssiges Wasser und die uns bekannten Lebensformen.

3. Reflexion der Strahlung an der Erdoberfläche

Letztlich gibt die Erdoberfläche die aufgenommene Energie wieder nach außen zurück. Hierbei gilt der Energieerhaltungssatz in Form einer Energiebilanz („Strahlungsgleichgewicht“): die emittierte Strahlungsflussdichte (mit der Dimension W/m²) muss genau so groß sein wie die einfallende Strahlungsflussdichte. Es liegt ein sog. „Fließgleichgewicht“ vor, weil ein Energieaustausch stattfindet, aber die Menge der Energie im System gleich bleibt.

Die ausgesandte Strahlung ist jedoch langwelliger, d.h. ins Infrarote verschoben. Diese Wellenlängenverschiebung wird auch mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz beschrieben. Demnach ist die Wellenlänge, bei der ein sog. „Schwarzer Körper“ die höchste Strahlungsintensität hat, umgekehrt proportional zur Temperatur des die Strahlung aussendenen Körpers. Bei kleiner werdender Temperatur wird die Wellenlänge größer. Die folgende Abbildung zeigt diese Verschiebung der von der Erdoberfläche emittierten Strahlung ins Infrarote.

Abb. 8: Wellenlängenverschiebung der Strahlung
(Quelle: verändert aus: Wikipedia: Treibhauseffekt)

Dass die eingestrahlte Energie eine kürzere Wellenlänge hat als die ausgesandte, kann auch mit dem Begriff der „Entropie“ ausgedrückt werden. Entropie ist der Quotient aus Energie durch Temperatur. Die eingestrahlte Energie der Sonne wird mit der Temperatur der Sonnenoberfläche dividiert und die ausgestrahlte Energie der Erde mit der Temperatur der Erdoberfläche. Da die Temperatur der Sonne viel größer ist als die der Erde, verringert sich die Entropie. Man spricht auch davon, dass Entropie “exportiert“ wird. Ein System mit Entropieexport befindet sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht, in ihm gibt es die Möglichkeit für die Entstehung von komplexen Ordnungsstrukturen wie z.B. in atmosphärischen und ozeanischen Strömungsmustern und der Biosphäre.

4. „Treibhaus“-Effekt

Die ins Infrarot verschobene Strahlung von der Erdoberfläche muss nun auf ihrem Weg ins Weltall wieder durch die Atmosphäre. Im Bereich der IR-Strahlung haben die Luftmoleküle andere Absorptionsbanden als in Abb. 6 für UV, sichtbares Licht und die kleineren IR-Wellenlängen gezeigt wurde. Hier entscheidet sich, welche der Moleküle in der Atmosphäre als „Treibhausgase“ wirken. Abgesehen vom einatomigen Edelgas Argon (Ar) gibt es in der Luft Moleküle, die aus gleichartigen Atomen zusammengesetzt sind wie Wasserstoff (H₂), Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂) und komplexere Moleküle wie Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Stickoxid (NO_x) und Methan (CH₄).

Diese Molekülformen reagieren unterschiedlich auf Strahlung im IR-Bereich. Ob ein Molekül Strahlung im IR-Bereich absorbiert oder nicht, hängt davon ab, ob es ein Dipolmoment hat. Ein Dipolmoment tritt dann auf, wenn der Ladungsschwerpunkt der positiven und der negativen Ladung in den Atomen des Moleküls räumlich getrennt ist.

Bei Molekülen, die mit gleichartigen Atomen zusammen gesetzten sind, wie Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂), fallen die Ladungen zusammen, es gibt kein Dipolmoment. D.h. sie sind „durchlässig“ für IR-Strahlung und spielen beim Treibhauseffekt keine Rolle, auch wenn sie in der Atmosphäre am häufigsten vorkommen (O₂ und N₂mit 99%).

Wir sehen in Abb. 9, dass die Grundstruktur von Molekülen mit unterschiedlichen Atomen unterschiedlich ist.

Abb. 9: Molekülstruktur einiger komplexer Moleküle

Manche Moleküle, wie H₂O (Wasser), haben durch ihre gewinkelte Struktur ein Dipolmoment. Das Dipolmoment kann dann z.B. bei der symmetrischen Valenzschwingung und anderen Schwingungen noch verstärkt werden (siehe Abb. 10):

Abb. 10: Symmetrische Valenzschwingung von H₂O
(Quelle: ChemgaPedia)

Moleküle, die symmetrisch aufgebaut sind, wie CO₂ (siehe rechts oben in Abb. 9), besitzen kein permanentes Dipolmoment. Allerdings kann ein Dipolmoment entstehen, wenn das Molekül – angeregt durch die IR-Strahlung – beginnt zu schwingen. Das CO₂-Molekül hat verschiedene Schwingungsmöglichkeiten (siehe Abb. 11). Bei der symmetrischen Valenzschwingung (ganz oben) entsteht kein Dipolmoment, denn durch die symmetrische Schwingung fallen die positive und die negative Ladung in jeder Bewegungsphase zusammen. Bei der antisymmetrischen Valenzschwingung (Mitte) und der Deformationsschwingung (unten) entfernen sich der negative und der positive Ladungsschwerpunkt voneinander und erzeugen ein veränderliches Dipolmoment.

Abb. 11: Schwingungsmöglichkeiten von CO₂(Quelle: ChemgaPedia; dort gibt es in Abb. 5 eine animierte Darstellung)

Moleküle mit einem Dipolmoment lassen sich durch IR-Strahlung zum Schwingen anregen oder ihre schon vorhandenen Schwingungen ändern sich durch die Strahlung. Sie werden „IR-aktiv“ genannt. Damit wandelt sich Strahlungsenergie in Bewegungsenergie um.

In der Infrarot-Spektroskopie werden diese Effekte genutzt, um in einem Spektrum vorher unbekannte Substanzen chemisch bestimmen zu können. Beim Treibhauseffekt sind die durch die vom Erdboden ausgesandte IR-Strahlung hervorgerufenen Schwingungen der Moleküle in der Atmosphäre verantwortlich für die Absorptionsbanden. Beim CO₂-Molekül gibt es z.B. im Bereich von 15 µm eine sehr starke Absorptionsbande (siehe Abb. 12).

Abb. 12: Absorptionsbande für CO₂, auch für den IR-Bereich.
(Quelle: Wikipedia: Treibhauseffekt)

Diese Energieabsorption durch Schwingungen ist verantwortlich dafür, dass diese Moleküle „undurchlässig“ für diese IR-Strahlung sind. Die entstehende Wärmestrahlung wird in alle Richtungen abgestrahlt, d.h. auch in den Weltraum und in Richtung Erdoberfläche. Der in Richtung Erdoberfläche gerichtete Teil wird als sog. „Gegenstrahlung“ zur Quelle des atmosphärischen „Treibhaus“-effektes, weil sie Wärme zurück in die Atmosphäre und die Erdoberfläche bringt.

Die folgende Abbildung (13) zeigt mehrere der eben erläuterten Zusammenhänge: Die auf der Oberseite der Atmosphäre ankommende Sonnenstrahlung (In Abb. 4 und 7 dunkelgelb, zwischen der „gelben“ und „dunkelgelben“ Strahlung wird hier nicht unterschieden) lässt den dunkelviolett dargestellten Anteil auf die Erdoberfläche, dort wird die Wellenlänge ins Langwellige verschoben und hiervon wird wieder ein Teil absorbiert (vor allem von Wasserdampf und von CO₂, wie man an deren Absorptionsbanden sieht), so dass nur noch der rot dargestellte Strahlungsanteil in den Weltall zurückgestrahlt wird. Dort befinden sich „Fenster“ für die IR-Strahlung in Richtung Weltraum.

Abb. 13: Absorptionsbande der Erdatmosphäre und Wirkung auf die emittierte Strahlung (insb. im IR)
(Quelle: verändert aus: Wikipedia: Treibhauseffekt)

Ein Teil der in der Atmosphäre durch Wasserdampf und die die Treibhausgase vor allem der Troposphäre absorbierten Strahlung wird also wieder zurück auf die Erde gestrahlt. Diese von der natürlich vorhandenen Atmosphäre zurückemittierte Strahlung ist verantwortlich dafür, dass die Temperatur an der Erdoberfläche im globalen Durchschnitt nicht -18°C beträgt, sondern +14…15°C (Rahmstorf 2018).

5. Anthropogener Treibhauseffekt

Der Wasserdampfgehalt in der Luft wird durch viele gegenläufige Prozesse wie Verdunstung und Kondensation in Wolken reguliert, darauf haben Menschen so gut wie keinen Einfluss. Worauf sie Einfluss haben, ist der Gehalt an „treibhausaktiven“ Molekülen wie Kohlendioxid und Methan. Durch den Anstieg von Treibhausgasen, insbesondere Kohlendioxid aus Quellen, die von menschlichen Aktivitäten herrühren, gibt es bereits einen nachweisbaren Anstieg der globalen durchschnittlichen Temperatur. Letztlich liegt das daran, dass die Dichte der CO₂-Moleküle in der Luft zunimmt. Das mögen zwar nur kleine Promille-Mengen sein, aber wegen der besonders großen IR-Aktivität der CO₂-Moleküle haben bereits kleine Dichteänderungen eine recht große Wirkung auf die Absorption und damit die Wärme-„Rückstrahlung“.

Vor dem Industriezeitalter lag der CO₂-Gehalt der Atmosphäre für viele Jahrtausende bei 270 bis 280 ppm, also 0,028%. In den letzten Jahrzehnten stieg dieser Anteil auf über 400 ppm. Dieser CO₂-Anstieg korreliert mit dem Anstieg der globalen durchschnittlichen Temperatur (ohne Zeitverzögerung) von 0,8 Grad (Rahmstorf 2012). Dass etwas korreliert, sagt noch nicht, ob einer der korrelierenden Faktoren den anderen verursacht oder ob beide durch einen weiteren Faktor bestimmt werden. Aber schon Korrelationen können auch zeigen, welche Faktoren bei der Veränderung von Faktoren keine Rolle spielen. Die Behauptung, die wachsende globale durchschnittliche Temperatur könne mit veränderter Sonnenaktivität (die sich z.B. am Sonnenfleckenzyklus zeigt)erklärt werden, kann damit widerlegt werden: Eine Korrelation mit der Sonnenaktivität ist, wie die folgende Abbildung 14, zeigt nicht nachweisbar.

Abb. 14: Anstieg von CO₂-Emissionen und Temperatur im Vergleich mit der Sonnenaktivität (Rahmstorf 2012)

Neben der Korrelation kennen wir aber auch den in 4. geschilderten physikalischen Wirkungszusammenhang, der die Verursachung der Temperaturerhöhung erklären kann.

Dass gerade der CO₂-Anstieg so gut mit der Temperaturkurve korreliert, hat auch damit zu tun, dass sich andere Einflüsse von Menschen, wie die (wärmend wirkende) Emission anderer Treibhausgase und (kühlend wirkende) Aerosolemissionen gerade ausgleichen. (Rahmstorf 2012)

Weiter mit:
Und was bedeutet das nun für uns?