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Treibhauseffekt

In einem Gewächshaus (Glashaus) ist die Temperatur vor allem bei Sonneneinstrahlung erheblich höher als im Freien. Dies liegt daran, dass einerseits die Energie der Sonneneinstrahlung hereingelassen wird, andererseits aber der Abfluss von Wärme behindert wird.

Beim Glashaus ist der wichtigste Effekt für die Verminderung des Wärmeabfluss, dass die eingeschlossene warme Luft nicht entweichen kann. Sonst würde nämlich am Erdboden erwärmte Luft nach oben steigen und so ständig Wärme mit sich tragen (Konvektion). Hinzu kommt ein Beitrag durch die Beeinflussung des Strahlungshaushalts durch die transparenten Glaswände:

• Sichtbares Licht von der Sonne wie auch der Großteil des infraroten Lichts (der Wärmestrahlung) kann das Glas gut durchdringen. Nur ein geringer Anteil wird reflektiert oder im Glas absorbiert. Die enthaltene Energie dringt also in das Innere des Treibhauses ein – nicht viel weniger als es ohne das Glas der Fall wäre.
• Umgekehrt wird jedoch die Abstrahlung von Wärme von innen nach außen stark behindert. Dies liegt daran, dass die Wärmestrahlung z. B. vom erwärmten Boden sehr viel längerwelliger ist (größere Wellenlängen und entsprechend niedrigere Frequenzen aufweist) als das Sonnenlicht. Diese längerwellige Strahlung wird vom Glas stark absorbiert (nur zum kleinen Teil auch reflektiert). Die dadurch im Glas entstehende Wärme fließt zwar zum Teil nach außen ab, trägt aber zumindest teilweise wieder zur Erwärmung der Luft im Inneren bei.

Es entsteht also ein vermehrter Wärmegewinn im Treibhaus dadurch, dass der Eintrag von Strahlungsenergie von außen wesentlich weniger vermindert wird als der Verlust durch Abstrahlung nach außen. Hierdurch wird es auch ohne zusätzliche Beheizung in einem Treibhaus wesentlich wärmer als im Freien. Man spricht hier vom Treibhauseffekt oder Glashauseffekt.

Treibhauseffekt in der Erdatmosphäre

Prinzip des natürlichen Treibhauseffekts

Auch in der Atmosphäre der Erde tritt bereits natürlicherweise eine Art Treibhauseffekt auf, der von diversen Gasen in der Atmosphäre verursacht wird: am meisten von Wasserdampf, aber auch wesentlich durch Kohlendioxid (CO₂), Methan, Lachgas, Ozon und gewisse perfluorierte Kohlenwasserstoffe und Fluorkohlenwasserstoffe. Weitere wichtige Beiträge gibt es von Wolken (die kleine Wassertröpfchen enthalten). Hier gibt es zwar nicht den Effekt der Unterbindung von Konvektion wie in einem tatsächlichen Treibhaus (Glashaus), aber auch hier wird der Strahlungshaushalt gegenüber dem einer hypothetischen Erde ohne Atmosphäre so verändert, dass die Temperatur wesentlich zunimmt: Der Energiegewinn durch die Sonneneinstrahlung wird zwar teilweise reduziert dadurch, dass im Mittel knapp ein Drittel der einfallenden Strahlungsenergie nicht in den Erdboden gelangt, sondern in das Weltall gelenkt wird. Andererseits wird jedoch der Wärmeverlust der Erde durch Abstrahlung in das Weltall deutlich stärker reduziert, da die Absorption der Atmosphäre für die längerwellige Strahlung der (viel kühleren) Erde höher ist. Man merkt dies z. B. daran, dass die Erde in klaren Nächten stärker abkühlt als bei trübem Wetter, bei dem die tagsüber gewonnene Wärme nachts weniger schnell wieder verloren wird.

Der Begriff Treibhauseffekt ist insofern ein wenig irreführend, dass der dominierende Mechanismus der Verminderung von Wärmeverlusten in der Atmosphäre anders ist als in einem Treibhaus. Jedoch ist es in beiden Fällen grundsätzlich so, dass die Wärmeabfuhr stärker vermindert wird als die Wärmezufuhr.

Der natürliche Treibhauseffekt durch die Erdatmosphäre ist für uns überlebenswichtig: Ohne ihn wäre die durchschnittliche Temperatur auf der Erdoberfläche um rund 33 Kelvin niedriger. Die dann sehr eisigen Verhältnisse würden die Erde nahezu unbewohnbar machen.

Verstärkung des Treibhauseffekts durch menschliche Aktivitäten

Der Treibhauseffekt wird inzwischen dadurch merklich verstärkt, dass menschlichen Aktivitäten – insbesondere die Verbrennung riesiger Mengen fossiler Brennstoffe, aber auch die Rodung großer Waldflächen – die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre erheblich geändert haben. Insbesondere ist der Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre massiv angestiegen von ca. 280 ppm auf inzwischen über 400 ppm. (1 ppm = 1 part per million = ein Volumenanteil von einem Millionstel.) Auch die Konzentration von Methan hat erheblich zugenommen von rund 0,7 ppm auf bereits über 1,8 ppm. (Da Methan in der gleichen Menge weitaus klimawirksamer ist als Kohlendioxid, hat auch diese relativ geringe Konzentration eine signifikante Auswirkung.) Lachgas entsteht durch landwirtschaftliche Aktivitäten (Stickstoffdüngung sowie Ammoniak-Emissionen, die zur Lachgasbildung beitragen). Zudem gibt es noch andere sehr wirksame Treibhausgase, etwa das Insektizid Sulfurylfluorid.

Lediglich die Konzentration der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) nimmt durch ihr weltweites weitgehendes Einsatzverbot wieder langsam ab, während vor allem die Kohlendioxidemissionen noch deutlich zunehmen, so dass das Wachstum der CO₂-Konzentration sogar noch beschleunigt wird.

Es wird gelegentlich eingewandt, dass der Einfluss des Wasserdampfs auf den Treibhauseffekt viel höher ist als der des Kohlendioxids. Dies ist zwar völlig richtig, jedoch folgt daraus nicht, dass der Einfluss des Kohlendioxids unwesentlich ist. Wenn eine erhöhte CO₂-Konzentration ein geringe Erwärmung verursacht, führt dies auch zu einem erhöhten Gehalt der Luft an Wasserdampf, da mehr Wasser verdunstet. Der zusätzliche Effekt dieses Wasserdampfs verstärkt den gesamten Erwärmungseffekt des CO₂ erheblich. Auch wenn insbesondere die erwärmenden und kühlenden Effekte von Wolken noch nicht völlig verstanden sind, ist die ganz überwiegende Mehrheit der Klimawissenschaftler der Überzeugung, dass die durch menschliche Aktivitäten erhöhte CO₂-Konzentration sehr wahrscheinlich bereits zu einer Erwärmung in etwa dem Umfang geführt hat, der auch tatsächlich beobachtet wird.

Der durch menschliche Einflüsse verstärkte Treibhauseffekt wird mit hoher Wahrscheinlichkeit schwere Klimagefahren verursachen: Bereits eine Erwärmung um 1 Kelvin hat deutliche Folgen, um bis zum Ende des 21. Jahrhunderts sind mehrere Kelvin zu erwarten (danach sogar noch mehr), wenn die Entwicklung ungebremst weiter geht. Dies könnte ohne Weiteres bereits innerhalb eines halben bis ganzen Jahrhunderts in eine globale Klimakatastrophe münden. Deswegen werden inzwischen Klimaschutzmaßnahmen ergriffen – allerdings bisher in viel zu geringem Umfang, um den Gefahren wirksam zu begegnen, da kurzfristige ökonomische Ziele das Handeln bestimmen.

Übrigens sind die Auswirkungen des Treibhauseffekts weitaus größer als die der Wärmefreisetzung bei menschlichen Aktivitäten. Beispielsweise tragen die CO₂-Emissionen eines Kohlekraftwerks weitaus mehr zu Erderwärmung bei als die Wärmeabgabe über den Kühlturm oder in ein Gewässer.

Gezielte Veränderung des Treibhauseffekts

Es gibt eine Reihe von Ideen im Bereich des Climate Engineering, die auf eine gezielte Beeinflussung des Treibhauseffekts oder seiner Folgen mit großtechnischen Methoden abzielen. Von manchen Akteuren wird das Climate Engineering als eine ernsthafte Alternative oder Ergänzung zum Klimaschutz oder zumindest als eine zukünftig eventuell unumgängliche Notmaßnahme angesehen. Allerdings ist eine Nutzen-Risiko-Abwägung bei solchen Maßnahmen extrem schwierig.

Siehe auch: Klimagefahren, Klimaschutz, Kohlendioxid, Methan, Climate Engineering