Physik · Klasse 9–10 · aktualisiert
Treibhauseffekt: Physik einfach erklärt
Erkläre den Treibhauseffekt mit Infrarotstrahlung, Gegenstrahlung und Abstrahlungshöhe und prüfe verbreitete Denkfehler.
0 von 12 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Der Treibhauseffekt entsteht, weil Treibhausgase einen Teil der irdischen Infrarotstrahlung absorbieren und in verschiedene Richtungen wieder emittieren. Dadurch verliert die Oberfläche weniger Energie und wird wärmer; zusätzliche Treibhausgase verstärken diesen Effekt.
Der Treibhauseffekt entsteht, weil die Atmosphäre Sonnenlicht vergleichsweise gut durchlässt, aber einen Teil der von der Erde ausgesandten Infrarotstrahlung absorbiert und wieder abstrahlt. Dadurch verliert die Erdoberfläche langsamer Energie und ist wärmer, als sie ohne Treibhausgase wäre. Du lernst zunächst den natürlichen Effekt kennen. Danach untersuchst du, warum zusätzliche Treibhausgase das Strahlungsgleichgewicht verändern und weshalb das Bild vom gläsernen Treibhaus nur teilweise passt.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Die Sonne liefert überwiegend kurzwellige Strahlung: sichtbares Licht, Ultraviolett und einen Teil der Infrarotstrahlung. Wolken, Teilchen und helle Flächen reflektieren einen Anteil. Atmosphäre und Oberfläche absorbieren andere Anteile. Die warme Erde sendet langwellige Infrarotstrahlung aus.
Ist die ausgehende Leistung kleiner als die absorbierte, gewinnt das Erdsystem Energie und erwärmt sich. Mit steigender Temperatur wächst die Wärmestrahlung näherungsweise proportional zu T^4; T ist dabei die absolute Temperatur in Kelvin. So kann sich ein neues Gleichgewicht einstellen.
Die Strahlung trifft die Erde auf ihrer Querschnittsfläche. Das Kugelmodell verteilt die Leistung auf die viermal so große Oberfläche: daher der Faktor 1/4.
Merke: Im Strahlungsgleichgewicht gibt das Erdsystem im Mittel genauso viel Energie an das Weltall ab, wie es von der Sonne absorbiert.
Beispiel
- 1Ein älteres vereinfachtes Modell setzt eine solare Bestrahlungsstärke von 1367 W/m² und einen reflektierten Anteil von 30 % an.
- 2Die Erde nimmt 70 % auf. Im Kugelmodell verteilt sich diese Leistung auf die viermal so große Oberfläche.
- 3Global gemittelt absorbierte Strahlungsleistung je Quadratmeter: 0{,}70\cdot1367\,\mathrm{W/m^2}:4.
- 4Das ergibt 239{,}225\,\mathrm{W/m^2}.
- 5Gerundet sind das etwa 239 W/m² globale Absorption und im Gleichgewicht ebenso viel Abgabe ins All. Es ist kein örtlicher Augenblickswert.
Teste dich
Treibhausgase absorbieren und emittieren bestimmte Infrarotwellenlängen. Dazu gehören Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid (CO_2), Methan (CH_4), Lachgas und Ozon. Ein Teil der aufgenommenen Energie wird bei Molekülstößen ausgetauscht. Ein Teil der Emission gelangt nach oben, ein anderer als Gegenstrahlung nach unten. Diese verringert den Netto-Energieverlust der Oberfläche. Im Gleichgewicht ist die Oberfläche deshalb wärmer.
Auch eine kältere Atmosphäre sendet Strahlung zur wärmeren Oberfläche. Gleichzeitig strahlt die Oberfläche nach oben. Der Nettofluss bleibt von warm nach kalt gerichtet. Stickstoff und Sauerstoff bilden den Großteil der Atmosphäre, absorbieren die hier entscheidenden Infrarotwellenlängen aber nur schwach. Die Menge eines Gases allein sagt daher wenig über seine Strahlungswirkung.
Im vereinfachten Vergleich bei gleicher Reflexion des Sonnenlichts läge die mittlere Oberflächentemperatur ohne Absorption von Wärmestrahlung in der Atmosphäre bei etwa 255 K oder −18 °C. Mit dem natürlichen Treibhauseffekt liegt die globale mittlere Oberflächentemperatur bei etwa 15 °C. Die Differenz beträgt rund 33 °C. Die 255 K sind eine Modellgröße für die Gesamtabstrahlung, kein örtlicher Oberflächenwert.
Definition
Absorption und Emission
Bei der Absorption nimmt ein Molekül Strahlungsenergie auf. Bei der Emission gibt es Energie als Strahlung wieder ab. Das ist keine Spiegelung: Die neue Strahlung wird in unterschiedliche Richtungen ausgesandt.
Beispiel: Temperaturen im vereinfachten Vergleich
- 1Im vereinfachten Vergleich beträgt der Unterschied 15\,^\circ\mathrm{C}-(-18\,^\circ\mathrm{C})=33\,^\circ\mathrm{C}.
- 2Diese rund 33 °C beschreiben die Wirkung des natürlichen Treibhauseffekts im globalen Mittel. Sie sind nicht die Temperatur an einem bestimmten Ort.
Merke: Der natürliche Treibhauseffekt trägt zur heutigen mittleren Oberflächentemperatur bei. Zusätzliche Treibhausgase verstärken ihn.
Teste dich
Die untere Atmosphäre absorbiert in vielen Wellenlängenbereichen schon viel Bodenstrahlung. Für zusätzliche Treibhausgase ist daher die wirksame Abstrahlungshöhe wichtig. Sie bezeichnet einen modellhaften Höhenbereich und hängt von der Wellenlänge ab.
In der Troposphäre nimmt die Temperatur mit der Höhe im Mittel um etwa 6,5 K pro Kilometer ab. Aufsteigende Luft dehnt sich bei geringerem Druck aus und kühlt dabei ab. Mehr Treibhausgas verkürzt bei manchen Wellenlängen die Strecke bis zur nächsten Absorption. Die wirksame Emission ins All verlagert sich im Modell nach oben. Ist es dort zunächst kälter, sinkt die Abstrahlung. Die Erwärmung von Atmosphäre und Oberfläche erhöht sie schließlich wieder.
Eine einzige feste Abstrahlungsschicht gibt es nicht. Je nach Wellenlänge erreicht Strahlung aus verschiedenen Höhen das All. Wolken, Wasserdampf, Konvektion und Ozeane beeinflussen den Vorgang.
Definition
Wirksame Abstrahlungshöhe
Die wirksame Abstrahlungshöhe ist ein vereinfachter Mittelwert für den Höhenbereich, aus dem Infrarotstrahlung das Weltall erreicht. Sie ist keine feste, scharf begrenzte Schicht und hängt von der Wellenlänge ab.
Beispiel: Daraus folgt diese Kette
- 1Die wirksame Abstrahlung ins All verlagert sich im Mittel nach oben.
- 2Die höhere Luft ist zunächst kälter.
- 3Sie strahlt deshalb weniger Energie ins Weltall ab.
- 4Die absorbierte Sonnenleistung ist vorübergehend größer als die Ausstrahlung.
- 5Atmosphäre und Oberfläche erwärmen sich.
- 6Die höhere Abstrahlungsregion wird warm genug, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.
Teste dich
Der anthropogene Treibhauseffekt ist die menschlich verursachte Verstärkung des natürlichen Effekts. Die Verbrennung fossiler Rohstoffe erhöht vor allem die CO_2-Konzentration. Landwirtschaft, Abfallwirtschaft und andere Prozesse setzen auch Methan und Lachgas frei.
Die anfängliche Erwärmung kann Rückkopplungen auslösen. Wärmere Luft kann mehr Wasserdampf enthalten. Wasserdampf absorbiert Infrarotstrahlung und kann die Erwärmung verstärken. Er ist wichtig für den natürlichen Effekt und wirkt bei der gegenwärtigen Verstärkung vor allem als temperaturabhängige Rückkopplung.
Treibhausgase absorbieren und emittieren Infrarotstrahlung; sie sind kein Spiegel. Ein echtes Gewächshaus erwärmt sich auch, weil seine Scheiben den Luftaustausch begrenzen. Die Atmosphäre hat kein Glasdach; Konvektion bleibt möglich. CO_2 absorbiert je nach Wellenlänge unterschiedlich stark. Weniger stark gesättigte Spektralränder und die mit der Höhe sinkende Luftdichte lassen zusätzliche Moleküle die Abstrahlung weiterhin verändern.
Für eine Klimabehauptung klärst du zuerst die behauptete Größe. Dann prüfst du Zeitraum und Gebiet, den physikalischen Mechanismus sowie die Grundlage: Messung, Modellrechnung, bedingtes Szenario oder Werturteil. Dabei beachtest du Unsicherheiten. Ein einzelner Wettertag kann einen langfristigen Trend weder bestätigen noch widerlegen.
Definition
Rückkopplung
Eine Rückkopplung ist eine Folge der anfänglichen Erwärmung, die diese Veränderung verstärkt oder abschwächt.
Beispiel: Ein kalter Tag und ein Klimatrend
- 1Behauptung: „Ein kalter Wintertag widerlegt die globale Erwärmung.“ Die Beobachtung kann für den genannten Ort und Tag stimmen. Sie beschreibt aber Wetter und keine langfristige globale Temperaturentwicklung. Ein einzelner kalter Tag widerlegt weder den Treibhauseffekt noch einen Klimatrend.
Beispiel: Wasserdampf als Rückkopplung
- 1Zusätzliches CO_2 verändert die Strahlungsbilanz und erhöht die Temperatur.
- 2Wärmere Luft kann mehr Wasserdampf enthalten.
- 3Wasserdampf absorbiert ebenfalls Infrarotstrahlung.
- 4Dadurch wird die anfängliche Erwärmung verstärkt.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Treibhauseffekt Physik
Strahlungsgleichgewicht
absorbierte Sonnenleistung und Abgabe ins All stimmen langfristig überein
Treibhausgase
bestimmte Infrarotwellenlängen werden absorbiert und emittiert
Gegenstrahlung
nach unten gerichtete Emission vermindert den Nettoverlust der Oberfläche
Abstrahlungshöhe
höhere, zunächst kältere Regionen geben weniger Energie ins All ab
Verstärkung
zusätzliche Gase verändern die Bilanz; Wasserdampf kann rückkoppeln
Gewächshausvergleich
Glasscheiben begrenzen zusätzlich den Luftaustausch
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Nettofluss trotz Gegenstrahlung
- 1Ein Modell setzt für eine Oberfläche 390 W/m² aufwärts und 330 W/m² Gegenstrahlung abwärts an.
- 2Der Netto-Strahlungsfluss von der Oberfläche weg beträgt 390\,\mathrm{W/m^2}-330\,\mathrm{W/m^2}=60\,\mathrm{W/m^2}.
- 3Gegenstrahlung erreicht die wärmere Oberfläche; dennoch fließen netto 60 W/m² von ihr weg.
- 4Weitere Energieflüsse wie Verdunstung gehören zu einer vollständigen Oberflächenbilanz.
Fehler finden
Fehler beim Nettofluss finden In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 4Der Nettofluss von 60 W/m² zeigt gerade den Energiefluss von der wärmeren Oberfläche zur kälteren Atmosphäre. Gegenstrahlung allein kehrt seine Richtung nicht um.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Kurzwellige erwärmt die Oberfläche. Die Erde sendet vor allem Infrarotstrahlung aus. Treibhausgase können einen Teil davon und erneut emittieren.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback