Treibhauseffekt

Durch den Treibhauseffekt verschärft sich die Klimakrise immer mehr – Aber warum und wie funktioniert er überhaupt?

Definition

Der Treibhauseffekt ist die Wirkung von Treibhausgasen in einer Atmosphäre auf die Oberflächentemperatur. Er bewirkt dort eine Temperaturerhöhung. Auf der Erde hebt der Treibhauseffekt die Temperatur von theoretischen −18 °C (ohne Atmosphäre) auf im Durchschnitt ca. 14 °C (vorindustriell) und derzeit ca. 15 °C an. Ohne die schützende Atmosphäre und dem Treibhauseffekt wäre auf der Erde also kein Leben möglich. Die Atmosphäre speichert einen Teil der auftreffenden Strahlung als Wärmeenergie und verhindert so bitterkalte Temperaturen. Dieser lebensnotwendige Effekt wurde bereits 1824 von Joseph Fourier entdeckt und 1896 von Svante Arrhenius erstmals quantitativ genauer beschrieben.

Aber warum, wenn der Treibhauseffekt so lebensnotwendig ist, wird er als die Ursache der aktuellen Erderwärmung verantwortlich gemacht? Um dies zu verstehen gucken wir uns die Wirkungsweise des Treibhauseffekts einmal genau von ganz von vorne an.

Wirkungsweise

Die Sonne strahlt Energie in Form von elektromagnetischen Wellen zur Erde. Die häufigsten Wellenlängen der Photonen des Sonnenlichtes liegen um 500 nm, das entspricht grünem Licht. In diesem Spektralbereich (sichtbares Licht) absorbiert die Atmosphäre der Erde nur wenig Strahlung – man spricht von hoher Transparenz. Die Strahlung kann also fast ungehindert durch die Atmosphäre auf die Erde gelangen. Die Erdoberfläche absorbiert die Photonen und erwärmt sich dadurch. Die erwärmten Gegenstände strahlen jetzt ebenfalls elektromagnetische Wellen ab, deren häufigste Wellenlänge allerdings bei 10.000 nm liegt (Infrarotstrahlung). Der Grund für diese Vergrößerung der Wellenlänge ist das Wiensche Verschiebungsgesetz. Durch die veränderte Wellenläge ist die Atmosphäre mit ihren Treibhausgasen für die Strahlen aber weniger durchlässig. Die Strahlung wird teilweise von der Atmosphäre absorbiert und als Wärmeenergie gleichmäßig in alle Richtungen verteilt. Dies sorgt schlussendlich für eine langsame Erwärmung der Atmosphäre.

Die wichtigsten für den Treibhauseffekt verantwortlichen Treibhausgase auf der Erde sind Wasserdampf (Anteil 62 %) gefolgt von Kohlenstoffdioxid (Anteil 22 %), Methan (ca. 4–9 %) und troposphärisches Ozon (ca. 3–7 %). Ein exakter prozentualer Wirkungsanteil der einzelnen Treibhausgase auf den Treibhauseffekt kann allerdings nicht angegeben werden, da der Einfluss der einzelnen Gase je nach Breitengrad und Vermischung variiert.

In der Wissenschaft wird zwischen zwei verschiedene Formen des Treibhauseffekts unterschieden. Bei Berechnungen und Betrachtung des Treibhauseffekts und seiner Entwicklung wird von einem trockenen Treibhauseffekt gesprochen, wenn alle wichtigen Treibhausgase außer Wasserdampf betrachtet werden. Die Einbeziehung von Wasserdampf wird dann feuchter Treibhauseffekt genannt. – Dies wird gemacht, da Wasserdampf ein Treibhausgas ist, das wir Menschen weder verhindern noch beeinflussen können. Allerdings darf er auch nicht ganz aus der Rechnung rausgehalten werden. So sorgt eine Erwärmung der Atmophäre für eine stärke Wasserdampf-Rückkopplung – bedeutet durch mehr Wärme verdunstet mehr Wasser, das für eine weitere Erwärmung sorgt. Eine Nebenwirkung dieses Teufelskreises ist die Abnahme der CO₂-Speicherungsfähigkeit im wärmeren Ozean. Somit steigt die Konzentration der anderen Treibhausgase bei deiner starken Wasserdampf-Rückkopplung mit an.

Welche wichtigen Treibhausgase gibt es überhaupt?

Ozon: Es gibt zwei wichtige verschiede Arten von Ozon. Stratosphärisches Ozon absorbiert den kurzwelligen UV-Anteil im einfallenden Sonnenlicht und hat so sogar einen kühlenden Effekt (bezogen auf die Erdoberfläche). Troposphärisches Ozon entsteht aus den Produkten anthropogener Verbrennungsprozesse und hat, ähnlich wie andere Treibhausgase, aufgrund seiner IR-Absorption einen erwärmenden Effekt.

CO₂: Kohlenstoffdioxid ist eine chemische Verbindung und ein unbrennbares, saures und farbloses Gas. CO₂ist ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffzyklus und als natürlicher Bestandteil der Luft ein wichtiges Treibhausgas in der Erdatmosphäre: Durch menschliche Aktivitäten, wie die Verbrennung fossiler Energieträger sorgt es für eine Verstärkung des Treibhauseffekts.

Methan: Methan ist eine chemische Verbindung. Das farb- und geruchlose, brennbare Gas kommt in der Natur vor und ist der Hauptbestandteil von Erdgas. Daneben gibt es als Methanhydrat gebundene Vorkommen am Meeresboden oder in vielen Mooren und entsteht in beträchtlichen Mengen durch biologische Prozesse, etwa bei der Viehhaltung. Durch seine großen Mengen ist es eine attraktive Energiequelle. Als Treibhausgas hat Methan allerdings ein hohes Treibhauspotential. In den ersten 20 Jahren nach Freisetzung hat es ein 84-mal größeres Treibhauspotenzial. In der Erdatmosphäre wird es langsam zu Kohlenstoffmonoxid und schließlich zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Allerdings ist Methan als Treibhausgas nach 100 Jahren immer noch 21-mal stärker als CO₂ und trägt so stark zur globalen Erwärmung bei.

Wasserdampf: In Technik und Naturwissenschaft ist Wasserdampf die Bezeichnung für Wasser im gasförmigen Aggregatzustand. Dieser entsteht bei einem normalen Umgebungsdruck von 1,013 bar (101,325 kPa) und 100 °C. Wolken aus Wasserdampf senden die ankommende Sonnenstrahlung teilweise zurück ins All und verringern auf diese Weise die am Boden ankommende Energiemenge. Das Gleiche tun sie mit der von unten kommenden Wärmestrahlung und erhöhen damit die Atmosphärische Gegenstrahlung. Ob Wolken die Erdoberfläche wärmen oder kühlen hängt davon ab, in welcher Höhe sie sich befinden: Niedrig stehende Wolken kühlen die Erde, hoch stehende Wolken wirken wärmend. In der Erdatmosphäre vorhandener Wasserdampf ist mit um 36 % – 70 % Anteil die Hauptquelle der atmosphärischen Gegenstrahlung und Träger des „natürlichen“ Treibhauseffektes.

Anthropogener Treibhauseffekt

Als anthropogener Treibhauseffekt wird die Verstärkung des natürlichen Treibhauseffektes durch menschliche Aktivitäten bezeichnet. Diese resultiert vor allem aus der Freisetzung verschiedener Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO₂), Methan, Lachgas und troposphärischem Ozon (O₃). Seine Folge ist die Globale Erwärmung, das heißt ein Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur seit Beginn der Industrialisierung um ca. 1 Grad Celsius.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Treibhauseffekt#/media/Datei:CO2-variations-d_hg.png

Dieser Effekt ist inzwischen nicht nur theoretisch verstanden, sondern kann z. B. mit einem Netz aus Satelliten gemessen werden, die die Energieeinstrahlung auf die Erde und die Energieabstrahlung der Erde aufzeichnen. Dabei zeigen Satellitendaten, dass die Wärmeabstrahlung von der Erde ins Weltall wie erwartet mit steigender Konzentration von Treibhausgasen zurückgeht. Im Gegensatz zu den auf geologischen Zeitskalen stattfindenden natürlichen Klimaveränderungen läuft der anthropogene Klimawandel in extrem kurzer Zeit ab. Die globale Erwärmung von der letzten Eiszeit zur heutigen Warmzeit war eine Erwärmung um etwa ein Grad pro 1000 Jahre. Die Erhöhung der Treibhausgaskonzentration in den letzten 100 Jahren führte ebenfalls zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um ca. 1 Grad. Bei einem „business as usual“ Szenario mit der wahrscheinlichsten zukünftigen Temperaturerhöhung von ca. 5 °C bis 2100 würde die Erderwärmung sogar mit einer Geschwindigkeit von 5 °C/100 Jahre ablaufen.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Treibhauseffekt#/media/Datei:Temperature_Reconstructions_0-2006_AD.png

Die Folgen des Treibhauseffekts

Die ersten Folgen des „normalen“ Treibhauseffekts waren wichtig und entscheidend für das heutige Leben. Doch der heutige anthropogene Treibhauseffekt sorgt durch die globale Erwärmung für einen Klimawandel, der verheerende Folgen auf die Umwelt hat und damit zu einer existentiellen Bedrohung für viele Menschen weltweit wird. Erste Anzeichen einer starken Veränderung des Ökosystems Erde sind bereits deutlich geworden. Durch den Rückgang und die Schmelze des Polareis und Gletschern kommt es nicht nur zu einem Artensterben in den betroffenen Regionen, sondern auch zu einer Erhöhung des Meeresspiegels um einige Zentimeter in jedem Jahrzehnt. Auch Flora und Fauna ändern sich extrem in Regionen durch ganz neue Lebensbedingungen. Die Erwärmung und Übersäuerung der Ozeane bedingen vor allem in den Tropen eine rasante Ausbreitung von Algenteppichen einen rapiden Rückgang der Korallenriffe, die unzähligen Tierarten einen wichtigen Lebensraum bieten. Ebenso bedroht sind die tropischen Regenwälder der Hochlandebenen, wo die durch den Klimawandel verursachte Austrocknung eine erhebliche Bedrohung für die Flora und Fauna darstellt.

Quelle: https://www.greenpeace.de/sites/www.greenpeace.de/files/Triftgletscher-1948_2006_0.jpg

Auch extreme Wetterbedingungen wie langanhaltende Trockenperioden und heftige Niederschläge sind direkte Folgen des anthropogenen Treibhauseffekts. Tropische Stürme, unregelmäßige Monsunperioden und durch die Trockenheit verursachte Waldbrände bringen Zerstörung in hohem Ausmaß ebenso wie erheblichen Schaden und Verluste in der Landwirtschaft. Da die negativen Auswirkungen auf die Existenz von Mensch und Natur immer deutlicher zu erkennen sind, ist die drastische Reduktion der Treibhausgase ein Ziel, das alle zusammen effektiv und schnell umsetzen sollten.

Durch den Klimawandel, der durch den Treibhauseffekt ausgelöst wurde, müssen ganze Städte, Inselstaaten und Völker umgesiedelt werden. Viele flüchten vor existenzbedrohenden Naturkatastrophen, wie steigendem Meeresspiegel, Überschwemmungen und anhaltenden Dürren. Durch Umsiedlungen und Flucht werden ganze Kulturen und Traditionen zerstört und sind vielleicht für immer verloren. Aus diesem Grund ist Klimagerechtigkeit ein großes und wichtiges Thema in der Umwelt-/Klimabewegung und Politik.

galoppierenden Treibhauseffekt

Als kleine Gefahr wird immer mal wieder in der Wissenschaft über einen galoppierenden Treibhauseffekt diskutiert.

Ein galoppierender Treibhauseffekt (englisch: runaway greenhouse effect) ist ein nicht aufzuhaltender und sich selbst verstärkender Treibhauseffekt, der zur Verdampfung von allem flüssigen Wasser eines Planeten führt. Dieser Effekt hat mit den klimatischen Prozessen der Venus ein bekanntes Beispiel.

Inwiefern auch ein galoppierender Treibhauseffekt auf der Erde eintreten könnte ist nicht abschließend geklärt. Berechnungen von Hansen et al. (2013) deuten an, dass das Verbrennen aller fossilen Brennstoffe die Luft über den Kontinenten durchschnittlich zwar um 20 °C und die Pole um 30 °C erwärmen und die Erde damit praktisch unbewohnbar machen würde, dass dadurch jedoch das Szenario eines galoppierenden Treibhauseffekts nicht ausgelöst werden kann. 1970 wurde von Rasool und De Bergh berechnet, dass auf der Erde ein galoppierender Treibhauseffekt einträte, wenn sie sich etwa 7 % näher an der Sonne befände.

Eine direkte Gefahr besteht also durch einen galoppierenden Treibhauseffekt nicht. Allerdings ist auch ohne galoppieren Treibhauseffekt die Erde, bei dem oben genannten Szenario, unbewohnbar.

Nutzung des Treibhauseffekts

Die Erforschung des Treibhauseffekts hat auch gute Erfindungen bewirkt. So wird der Treibhauseffekt in Gewächshäusern benutzt. Die Sonnenstrahlen kommen ungehindert durch das Glasdach und erwärmen den Innenraum. Durch den Treibhauseffekt kann dann ein optimaleres Klima geschaffen werden für zum Beispiel anspruchsvolle oder hier nicht heimische Pflanzen.

Auch wird der Treibhauseffekt inzwischen aktiv beim Hausbau bedacht und vorbereitet. So sorgen große Glasfenster auf der Südseite für einerseits mehr Licht in den Räumlichkeiten aber auch für einen Treibhauseffekt der für eine Erwärmung der Räumlichkeiten sorgt. Mehr zu dem Thema finden Sie auch unter Technik.

Zusammenfassung

Der natürliche Treibhauseffekt ist lebenswichtig. Aber durch die Verbrennung von fossilen Ressourcen und anderen Eingriffen durch den Menschen (Anthropogener Treibhauseffekt) steigt die Temperatur der Erde gefährlich schnell. Unter diesem rapiden Anstieg der Temperatur und einer weiterhin ungebremsten Erhöhung der Treibhausgase in der Atmosphäre kommt es zu katastrophalen Folgen. Durch das Schmelzen der Gletscher, die Ausbreitung von Wüsten, Extremwetter und der Versauerung der Meere werden ganze Ökosystem, Tierarten und menschliche Kulturen vernichtet. Und so wird ein Effekt, der uns und dem restlichem Leben auf dieser Erde überhaupt erst eine Existenz ermöglicht hat, durch seine Verstärkung eine lebensbedrohliche Gefahr für die gesamte Erde.

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