Treibhauseffekt

Grundprinzip und Bedeutung

Der Treibhauseffekt ist die Wirkung von Treibhausgasen in einer Planetenatmosphäre: Sie behindern die Ausbreitung langwelliger Wärmestrahlung und erhöhen dadurch die Temperatur der Oberfläche. Die weitgehend wolkenfreie Erdatmosphäre lässt die kurzwellige Sonnenstrahlung größtenteils passieren. Die Erdoberfläche absorbiert einen großen Teil dieser Strahlung, erwärmt sich und gibt Energie als langwellige Infrarotstrahlung ab. Treibhausgase absorbieren einen Teil davon und strahlen ihn in zufällige Richtungen wieder aus, darunter zurück zur Erde. Diese atmosphärische Gegenstrahlung erwärmt die Oberfläche zusätzlich.

Die Erwärmung endet, wenn wieder ein Gleichgewicht erreicht ist: Der Planet gibt dann im Mittel genauso viel Energie an das Weltall ab, wie er von der Sonne aufnimmt. Weil Treibhausgase den Wärmeverlust erschweren, stellt sich dieses Gleichgewicht bei einer höheren Oberflächentemperatur ein. Der Treibhauseffekt ist zunächst ein natürliches und für das Erdklima entscheidendes Phänomen. Menschliche Aktivitäten erhöhen jedoch die Konzentration von Treibhausgasen, verstärken dadurch den Effekt und verursachen globale Erwärmung.

Der Name ist nur ein anschaulicher Vergleich. In einem Gewächshaus hält vor allem das Glasdach aufsteigende warme Luft zurück; bei einem Planeten kann Konvektion allein keinen Treibhauseffekt erzeugen. Die zusätzliche planetare Erwärmung entsteht durch infrarotaktive Gase, welche die Wärmestrahlung beeinflussen. Wechselwirkungen können den Effekt verstärken, etwa das Abschmelzen von Schnee, die Verdunstung von Wasser und Eiswolken, oder abschwächen, etwa tief hängende Wolken und der Wärmetransport durch aufsteigende Luft.

Strahlungsbilanz und Gleichgewichtstemperatur

Die Sonnenstrahlung trifft die Erde mit etwa 1361 W/m²; auf die gesamte Kugeloberfläche einschließlich der Nachtseite verteilt sind das im Mittel 340 W/m². An anderer Stelle wird die Solarkonstante mit E₀ = 1367 W/m² angegeben; sie schwankt je nach Erdbahn und Sonnenaktivität zwischen 1325 und 1420 W/m². Rund 30 % der einfallenden Strahlung werden reflektiert. Dieser reflektierte Anteil heißt Albedo. Die übrigen etwa 70 % werden von Atmosphäre und Oberfläche aufgenommen.

Für einen Planeten mit Radius R gilt für die absorbierte Leistung: P_Absorption = A_abs · E₀ · (1 − a), mit A_abs = πR².

Die Wärmeabstrahlung folgt dem Stefan-Boltzmann-Gesetz: P = AσT⁴. Dabei sind A die abstrahlende Fläche, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur in Kelvin. Für einen schnell rotierenden Planeten mit guter Wärmeverteilung gilt A_em = 4πR² und damit: P_Emission = A_emσT⁴.

Aus P_Absorption = P_Emission folgt: T = ⁴√[(A_abs/A_em) · ((1 − a)E₀/σ)]. Für die schnell rotierende Erde ist A_abs/A_em = 1/4. Mit E₀ = 1367 W/m² und a = 0,3 erhält man T_Erde = 254,9 K = −18 °C. Tatsächlich lag die mittlere Lufttemperatur an der Erdoberfläche von 1961 bis 1999 bei +14 °C ± 0,5 °C; inzwischen liegt sie bei etwa +15 °C. Die Differenz von ursprünglich 32 °C beziehungsweise heute ungefähr 33 °C ist Ausdruck des atmosphärischen Treibhauseffekts.

In einer dargestellten Energiebilanz absorbiert die Erdoberfläche 161 W/m² Sonnenstrahlung und zusätzlich 333 W/m² atmosphärische Gegenstrahlung, zusammen 494 W/m². Nur etwa 40 W/m² gelangen direkt von der Oberfläche ins All. Weitere Energie wird an die Atmosphäre abgegeben, darunter 17 W/m² durch Konvektion und 80 W/m² durch Evapotranspiration, also Verdunstung und Wasserabgabe von Pflanzen. Ein Modell von 2013 ergab für die Erde einen Energieüberschuss von 0,6 W/m² mit einem Unsicherheitsbereich von 0,2 bis 1,0 W/m². Der Wärmestrom aus dem Erdmantel von etwa 0,06 W/m² und die direkte Wärme aus menschlich verbrannten Brennstoffen von 0,026 W/m² sind dagegen sehr klein.

Treibhausgase und ihre physikalische Wirkung

Zu den wichtigsten Treibhausgasen gehören Wasserdampf (H₂O), Kohlenstoffdioxid (CO₂), Methan (CH₄), Lachgas (N₂O) und Ozon (O₃). Ihre Moleküle besitzen eine geeignete Asymmetrie oder Polarisierbarkeit der elektrischen Ladungsverteilung. Infrarotstrahlung kann sie deshalb in Rotation oder Schwingung versetzen. Die aufgenommene Energie wird durch Zusammenstöße übertragen oder erneut als Infrarotstrahlung in eine zufällige Richtung ausgesendet.

Stickstoff (N₂) und Sauerstoff (O₂) sind als symmetrische Moleküle normalerweise fast vollständig infrarot-transparent. Bei Zusammenstößen kann ihre Symmetrie kurzzeitig gestört werden. Ihr gemeinsamer Strahlungsantrieb von 0,28 W/m² ist gering, in trockener Polarluft entspricht ihre Wirkung jedoch bis zu 80 % derjenigen von Methan.

Je nach Bewölkung verursacht Wasserdampf etwa 39–72 % des Treibhauseffekts, CO₂ etwa 19–24 % und alle weiteren Gase zusammen 7–9 %. Wolken können mit ungefähr 25 % beitragen. Die Absorptionsbereiche verschiedener Stoffe überlappen sich, weshalb ihre Anteile nicht immer eindeutig getrennt werden können. Ohne Wasserdampf verblieben nach einer Modellrechnung 61,0 % des gegenwärtigen Treibhauseffekts, ohne CO₂ 86,0 %, ohne Wolken 85,5 % und ohne Wasserdampf und Wolken 33,1 %. Ohne alle infrarotaktiven Bestandteile bliebe ungefähr kein Treibhauseffekt.

Stratosphärisches Ozon nimmt kurzwellige UV-Strahlung auf und wirkt bezogen auf die Erdoberfläche kühlend. Troposphärisches Ozon entsteht unter anderem aus Produkten menschlicher Verbrennungsprozesse und erwärmt durch Infrarotabsorption. Als trockener Treibhauseffekt wird der Anteil von Gasen wie CO₂, CH₄ und N₂O bezeichnet; unter Einbeziehung von Wasserdampf spricht man vom feuchten Treibhauseffekt.

Anthropogene Verstärkung und zukünftige Entwicklung

Der anthropogene Treibhauseffekt ist die durch menschliche Aktivitäten verursachte Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts. Seit Beginn des Industriezeitalters gelangen vor allem durch Kohle, Erdöl und Erdgas, aber auch durch Industrie und Landwirtschaft, zusätzliche Treibhausgase in die Atmosphäre. Die wichtigsten Strahlungsantriebe stammen der Größe nach von CO₂, Methan, Lachgas und der indirekten Bildung troposphärischen Ozons. Das heutige CO₂-Niveau ist das höchste seit mindestens 800.000 Jahren; paläoklimatische Untersuchungen finden auch in den vergangenen 14 Millionen Jahren keine signifikant höheren Werte.

Satelliten messen, dass mit steigenden Treibhausgaskonzentrationen weniger Wärme in den charakteristischen Wellenlängenbereichen von CO₂, Methan und Ozon ins Weltall entweicht. Die globale Durchschnittstemperatur stieg im Mittel 2011–2020 gegenüber 1850–1900 um etwa 1,1 °C. In den vergangenen 50 Jahren betrug die Erwärmung ungefähr 0,2 °C pro Jahrzehnt. Zum Vergleich: Der Übergang von der letzten Eiszeit zur heutigen Warmzeit verlief mit etwa 1 °C pro 1000 Jahre. Die gegenwärtige CO₂-Freisetzung und Temperaturänderung erfolgen schneller als in allen bekannten Erwärmungsphasen der vergangenen 66 Millionen Jahre.

Die Nettoabstrahlung ins All stammt im Mittel aus etwa 5,5 km Höhe, insgesamt aber aus einem Bereich von bodennahen Schichten bis ungefähr 15 km. In der Troposphäre nimmt die Temperatur nach oben um etwa 6,5 K/km ab. Mehr Treibhausgase verschieben die Höhe, aus der wirksam ins All abgestrahlt wird, nach oben in kältere Luft. Pro Kilometer Anstieg dieser Schicht erhöht sich die Oberflächentemperatur entsprechend um etwa 6,5 °C. Die Gleichgewichts-Klimasensitivität bei einer Verdopplung des atmosphärischen CO₂-Gehalts beträgt laut Weltklimarat 3 °C; das Konfidenzintervall reicht von 2,5 bis 4 °C. Der instantane Strahlungsantrieb von CO₂ wächst logarithmisch mit seiner Konzentration.

Das emissionsintensive Szenario RCP 8.5 ergab als wahrscheinlichste Erwärmung bis 2100 ungefähr 5 °C, gilt wegen der Entwicklung der Kosten erneuerbarer Energien aber als zunehmend unplausibel. Bei der weltweit 2024 rechtlich und politisch verankerten Klimapolitik wurde eine Erwärmung von 2,1 bis 3,3 °C bis 2100 als wahrscheinlichster Bereich angesehen. Positive Rückkopplungen wie zusätzlicher Wasserdampf und eine geringere CO₂-Speicherung warmer Ozeane können die Erwärmung verstärken. Das Überschreiten von Kipppunkten könnte zu einem neuen Gleichgewicht mit höherem Meeresspiegel, geringerer Biodiversität, verlagerten Klima- und Vegetationszonen sowie weitgehendem Abschmelzen des westantarktischen und grönländischen Eisschilds führen.

Häufige Missverständnisse

Die geringe CO₂-Konzentration von etwa 0,04 % bedeutet nicht, dass seine Wirkung schwach ist. Entscheidend ist die Gesamtzahl der CO₂-Moleküle auf dem Strahlungsweg; die Verdünnung durch weitgehend infrarot-transparente Gase vermindert den CO₂-Wirkungsquerschnitt nicht. Unter Normaldruck entspräche das gesamte atmosphärische CO₂ einer 3,3 m dicken reinen CO₂-Schicht, vor der Industrialisierung einer 2,2 m dicken Schicht.

Auch eine bereits vollständige Absorption in Teilen des Spektrums bedeutet keine Sättigung der gesamten CO₂-Wirkung. Sie besagt nur, dass Strahlung auf dem Weg ins All mindestens einmal absorbiert und neu ausgesendet wird. Bei höherer Konzentration treten weitere Absorptions- und Emissionsvorgänge auf; außerdem bleiben nicht gesättigte Spektralbereiche. Der Wirkungsanstieg wird erst bei sehr hohen Konzentrationen allmählich langsamer, erreicht aber kein Maximum.

Die Gegenstrahlung der kühleren Atmosphäre zur wärmeren Oberfläche widerspricht nicht dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Wärmestrahlung wird grundsätzlich in beide Richtungen ausgetauscht. Insgesamt fließt jedoch mehr Energie von der warmen Erdoberfläche zur kälteren Atmosphäre, als umgekehrt. Die Gegenstrahlung vermindert lediglich die effektive Abkühlung gegenüber dem etwa −270 °C kalten Weltall.

Eine globale Erwärmung um 1,5 oder 2 °C ist nicht mit einer kurzfristigen lokalen Wetterschwankung gleichzusetzen. Bei einem dauerhaften positiven Energieungleichgewicht sammeln Atmosphäre, Ozeane und Eisregionen große zusätzliche Wärmemengen. Zudem verteilt sich die Erwärmung ungleichmäßig: Sie ist über Land, in hohen Breiten und während kalter Nächte stärker. Veränderungen der Temperaturunterschiede zwischen den Breiten können Luftzirkulationen beeinflussen, länger anhaltende Wetterlagen begünstigen und zur Ausdehnung von Wüstenzonen beitragen.

Entdeckung, Planetenvergleich und Gewächshaus

Joseph Fourier beschrieb 1824 isolierende Eigenschaften der Erdatmosphäre. Eunice Foote untersuchte 1856 die Wirkung verschiedener Gase und schloss, dass mehr CO₂ zu einer höheren Temperatur führen müsse. John Tyndall identifizierte 1862 unter anderem Wasserdampf und CO₂ als wirksame Gase. Svante Arrhenius beschrieb den Effekt 1896 unter Einbeziehung der Eis-Albedo-Rückkopplung quantitativ. Charles D. Keeling wies 1958 den Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration nach; die bekannteste der daraufhin eingerichteten Messstationen liegt auf dem Mauna Loa auf Hawaii.

Der Mond zeigt die Verhältnisse ohne Atmosphäre: Seine mittlere Oberflächentemperatur beträgt −20 °C. Seine Albedo ist mit 0,11 kleiner als diejenige der Erde mit 0,294; wegen seiner langsamen Rotation und der großen Temperaturunterschiede kann er insgesamt dennoch mehr Wärme abstrahlen. Bei der Venus ergibt die reine Strahlungsgleichgewichtsrechnung −46 °C. Unter ihrer dichten, fast reinen CO₂-Atmosphäre werden tatsächlich durchschnittlich 464 °C gemessen. Diese große Differenz ist dem Treibhauseffekt zuzuschreiben.

Ein Gewächshaus und eine Planetenatmosphäre werden beide durch einfallendes Sonnenlicht erwärmt, verlieren Wärme aber unterschiedlich. Beim Gewächshaus behindert die Wand vor allem den Austausch erwärmter Luft und leitet Wärme nach außen. Im Vakuum des Weltalls kann ein Planet Wärme ausschließlich durch Strahlung abgeben; Treibhausgase erschweren diese Abgabe. Ein speziell gebautes umgekehrtes Treibhaus kann dagegen passiv kühlen: Sein Fenster lässt Wärmestrahlung im atmosphärischen Fenster von 8–13 μm direkt ins All entweichen. Bei weitgehend wolkenlosem Himmel und nicht zu hoher Luftfeuchtigkeit erreichten Forschende damit im Tagesmittel 37 °C unter der Umgebungstemperatur.