Der Treibhauseffekt

Wenn wir verreisen, es muss ja nicht gleich der Südpol sein, fühlen wir uns immer, oder zumindest meistens wohl. Auch zu Hause ist das so, wenn einem nicht gerade ein Unbehagen in die Quere kommt. Zum Wohlsein braucht es viele Komponenten. Eine davon, eine äußere Komponente, die wir gar nicht merken weil sie selbstverständlich ist, ist die Wärme unserer Umgebung.

Und diese Wärme hat etwas mit unserer, für den Planeten Erde typischen Atmosphäre zu tun – sie beinhaltet also nicht nur Sauerstoff als Lebenselixier, sondern auch Wärme zum Wohlfühlen. Denn unsere Atmosphäre wirkt wie ein Treibhaus. Sie lässt mehr Wärme rein als raus; das heißt die Strahlung der Sonne verweilt ein bisschen als Wärme bei uns. Wäre dem nicht so, wäre ein Leben wie wir es kennen nicht möglich.

Um das zu verstehen, muss man sich in die Physik des Lichtes hineindenken und die Zusammensetzung der Luft anschauen und beobachten, wie die einzelnen Bestandteile der Luft auf das Sonnenlicht reagieren.

Nun würde man natürlich erst einmal die Hauptbestandteile der Luft, Stickstoff und Sauerstoff betrachten. Doch gerade diese haben mit dem Treibhauseffekt wenig zu tun; eher damit, dass der Himmel tagsüber hellblau und in der Dämmerung dunkelblau ist.

Die Nebenbestandteile der Luft sind die so genannten Spurengase. Diese kommen in der Atmosphäre nur mit einem Anteil von weniger als einem Prozent vor. Dazu gehören Edelgase und viele andere zum Teil in der Luft gelösten Stoffe. Aber nicht alle dieser Bestandteile haben Anteil am Treibhaus Erde.

Von jenen Stoffen oder Gasen, die in der Atmosphäre nur in Spuren vorkommen, sind nur wenige klimawirksam und diese Wenigen nennt man Treibhausgase oder auch infrarot-aktive Spurengase. Und damit wären wir am Punkt.

Treibhausgase nehmen Wärme auf, das heißt sie absorbieren und emittieren infrarotes Licht.

Zu diesen besonderen Spurengasen gehören insbesondere das in der Luft gelöste „atmosphärische“ Wasser und Wassertröpfchen (Wolken), als auch Kohlendioxid, Methan oder Ozon. Natürliche Treibhausgase sind also nichts besonderes.

Vielleicht hat sich deswegen über Jahrtausende in unserer Atmosphäre ein Gleichgewicht unter diesen Bestandteilen eingestellt, das dafür sorgt, dass gemittelt über alle Kontinente, Ozeane und Jahreszeiten, eine Temperatur in der erdbodennahen Luftschicht von etwa 15 Grad Celsius herrscht.

Das mit dem stofflichen Gleichgewicht einhergehende thermische Gleichgewicht lässt sich gut mit einer Glasscheibe, wie sie auch als Dach für Treibhäuser verwendet wird, veranschaulichen. Die Sonnenstrahlen gelangen durch das Glas, das der Atmosphäre mit den Treibhausgasen entspricht, auf den Boden. Der dadurch aufgewärmte Boden gibt in der Folge Wärmestrahlung ab, die an der Glasscheibe aufgenommen (absorbiert) und wieder abgegeben wird, wodurch ein Teil zum Boden zurückstrahlt (reflektiert). Der Boden wird wärmer, gibt mehr Wärmestrahlung ab, die ebenfalls wieder zum Teil reflektiert wird und so weiter und so fort. Das Resultat ist ein thermisches Gleichgewicht zwischen von der Sonne eingestrahlter, vom Boden abgestrahlter und von den Treibhausgasen absorbierter und reflektierter Wärmeenergie.

Würde also die, durch die Treibhausgase reflektierte Wärmestrahlung wegfallen, wäre es auf der Erde, wie schon erwähnt, deutlich kälter – nämlich um 33 Grad Celsius. Im Jahresmittel müssten wir also mit -18 Grad Celsius auskommen. Als Konsequenz des Treibhauseffektes wird der Boden bei weniger Sonnenlicht, wie an den kurzen Tagen im Winter unverhältnismäßig kühler und bei mehr Sonnenstrahlung (Sommer) unverhältnismäßig wärmer.

Wie deutlich der Effekt zwischen Bodenstrahlung und Treibhausgasreflektion ist, kann man in etwa daran ermessen, wenn der Himmel abends wolkenverhangen oder sternenklar ist. Im ersteren Falle ist die Menge des Treibhausgases Wasser so hoch, dass die Wärmestrahlung in sehr hohem Maße zwischen Wolken und Boden hin und her strahlt und damit Boden und Luft wesentlich wärmer bleiben (wie unter einer Bettdecke) als im letzteren Fall, bei dem der größte Teil der Wärmestrahlung des Bodens im Weltall verschwindet. Das ist auch der Grund, warum beispielsweise in Wüstengebieten mit ihrer geringen Luftfeuchtigkeit extreme Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht herrschen.

Zum anthropogenen Treibhauseffekt sind unter anderem folgende Publikationen im Umweltbundesamt erschienen Globaler Klimawandel – Klimaschutz 2004 Klimaänderung; Festhalten an der vorgefassten Meinung? Wie stichhaltig sind die Argumente der Skeptiker? Risiken und Nutzen von fluorierten Treibhausgasen in Techniken und Produkten.

Ein anderer Proband unter den Treibhausgasen wird seit Jahren mit Besorgnis diskutiert – das Kohlendioxid. In den 1990er Jahren noch bisweilen als Klimahysterie belächelt, zweifeln heute nur noch Unverbesserliche am anthropogenen – durch menschliches Zutun gemachten – Treibhauseffekt.

Mit der intensiven Nutzung der Kohle als Primärenergieträger im 19ten Jahrhundert und später des Erdöls (zu Beginn des 20ten Jahrhunderts) und des Erdgases (etwa ab 1930) erhöhte sich der Anteil an Kohlendioxid in der Atmosphäre um etwa ein Viertel, mit steigender Tendenz. Das diese Veränderung zu einem Temperaturanstieg führt, dürfte aus dem zuvor Gesagten unzweifelhaft folgen. Wieweit davon nicht nur das Klima durch extreme Temperaturschwankungen, sondern auch die Biosphäre mit ihren Photosyntheseraten betroffen sind, ist in seinen letzten Konsequenzen noch nicht eindeutig vorhersehbar.

Den größten Beitrag zum Treibhauseffekt leisten Wasser und Kohlendioxid. Sie absorbieren (und reflektieren) die Wärmestrahlung über einen sehr breiten Wellenlängenbereich, von dem nur ein relativ kleines Spektrum unbeeinflusst bleibt – das so genannte infrarote Fenster. Erhöht sich der Anteil dieser Treibhausgase wird das Fenster schmaler und damit undurchlässiger für die vom Boden abgestrahlte Wärme, womit die Temperatur der Luft steigt.

Heute gibt es viele, von Menschenhand in die Atmosphäre eingeschleuste Gase. Einige davon haben auch, ähnlich wie das „zusätzliche“ Kohlendioxid, Auswirkungen auf den Treibhauseffekt. Die Herstellung eines Teils dieser Gase ist durch das Montrealer Abkommen zum Schutz der Ozonschicht (auf die sie in noch stärkerem Maße wirken) zwischenzeitlich eingestellt. Leider sind, wie sollte es anders sein, in den 1990er Jahren Ersatzgase produziert worden, die nicht im Montrealer Protokoll erfasst werden konnten, sondern erst in der Klimarahmenkonvention, dem Kyoto-Protokoll vom Dezember 1997, in dem sie als hochwirksame Treibhausgase geächtet sind.

Was einst die Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKWs) bewirkten, verursachen heute die halbfluorierten Kohlenwasserstoffe (HFKWs oder F-Gase). Diese Fluorverbindungen absorbieren und reflektieren inmitten des infraroten Fenster die Wärmestrahlung, womit deren Einfluss auf den Wärmehaushalt der Atmosphäre und damit auf das Klima enorm hoch ist.

Heinz Wohlgemuth

Die Redaktion Umwelt, am 15. November 2004       – ugii Homepages –