Die Klimakrise

Vorbemerkung: Es gibt mittlerweile eine hervorragende, aktualisierte und mehr technische Beschreibung des Treibhauseffektes von Martin. Teil 1 ist hier, und Teil 2 ist hier.

Für meinen ersten Post habe ich mir einen ziemlich schweren Happen ausgesucht: Den Treibhauseffekt. Natürlich gibt es ganz einfache und eingängige Erklärungsversuche dafür: Treibhausgase wie Kohlendioxid, Methan oder Wasserdampf fangen Wärme ein, deshalb erhöht sich mit steigendem Anteil dieser Stoffe die Temperatur der Erdatmosphäre. Oder: Durch den Treibhauseffekt wird Wärmestrahlung zurück zur Erde reflektiert, was sie aufheizt. Schließlich: Treibhausgase wirken wie eine Art Decke, das heißt sie isolieren die Atmosphäre, und es kann weniger Hitze entweichen. Alles schon mal gehörte Erklärungen. Das Problem ist nur: So einfach ist die ganze Sache leider nicht, und besonders der Vergleich mit der Decke ist eine so grobe Vereinfachung, dass man ihn gleich als falsch bezeichnen sollte.

Historisch gesehen werden heute vor allem die Forscher Joseph Fourier (1768-1830), John Tyndall (1820-1893) und Svante Arrhenius (1859-1927) mit der Entdeckung und Quantifizierung des Treibhauseffektes in Verbindung gebacht. 1824 entdeckte Fourier, dass das Sonnenlicht ungehindert die Atmosphäre in Richtung Erde passieren konnte. Wandelte sich dieses an der Erdoberfläche in Wärme um, schien der umgekehrte Weg zurück in den Weltraum jedoch nicht so einfach zu sein. Welche Substanz in der Luft dafür verantwortlich gemacht werden konnte, war Fourier jedoch nicht klar.

1859 dann konnte Tyndall die für diesen Effekt verantwortlichen Stoffe identifizieren. Er entdeckte, dass in der Atmosphäre in geringen Mengen vorkommende Stoffe wie Wasserdampf und Kohlendioxid (CO₂) Wärmestrahlung absorbieren und sich dadurch aufheizen können. Damit war klar, dass Stickstoff, Sauerstoff und Argon, die zusammen 99,9% der Erdatmosphäre ausmachen, keine Treibhauswirkung entfalten. Doch in welchem Ausmaß der Effekt durch die Treibhausgase global auftritt, blieb Tyndall verborgen.

Im Jahr 1895 gelang dann die erste Quantifizierung des neu entdeckten Effektes. Svante Arrhenius errechnete, dass eine Halbierung des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre in Anbetracht seines Treibhauspotenzials zu einer Abkühlung um 4-5 Grad Celsius führen sollte. Damit glaubte er, den Schlüssel für die wiederkehrenden Eiszeiten in der jüngeren Erdgeschichte gefunden zu haben. Heute werden die Eiszeiten hingegen auf Schwankungen der die Erde erreichenden Sonnenaktivität zurückgeführt, die so genannten Milanković-Zyklen.

Bei einer Verdoppelung des CO2-Gehaltes ging Arrhenius von einer Erhöhung der Temperatur um 5-6 Grad aus. Das ist, gemessen an den damaligen Methoden und an den heutigen Schätzungen, die zwischen 2 und 4,5 Grad Celsius (mit einem besten Schätzwert um 3 Grad) liegen, eine erstaunlich genaue Berechnung. Für den schwedischen Forscher konnte sich eine solche Erhöhung jedoch allenfalls im Zeitraum von mehreren tausend Jahren vollziehen. Heute wissen wir, dass dies durch den menschlichen Ausstoß des Treibhausgases auch in weniger als 100 Jahren passieren kann.

Aber wie funktioniert der Treibhauseffekt genau? Im Folgenden versuche ich eine Erklärung, die nicht zu vereinfachend und gleichzeitig noch für all die anderen NichtphysikerInnen da draußen verständlich ist. In diesem Beitrag beschränke ich mich hauptsächlich auf die Strahlungsflüsse, während ich in einem künftigen ergänzenden Beitrag vielleicht noch die knofflige Rolle der Konvektion genauer beschreiben werde.

Wie alle Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes von 0 Kelvin (ca. -273,15 Grad Celsius) strahlt die Sonne Licht mit einer gewissen Frequenz aus, die grob nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz berechnet werden kann. Der Großteil dieses Lichts fällt wegen ihrer hohen Temperatur in den Bereich des für uns Menschen sichtbaren Spektrums. Für dieses Licht ist unsere Atmosphäre weitgehend, wenn auch nicht vollständig durchlässig.

Die von der Sonne ausgehende und bei uns ankommende Energiemenge beträgt 1.367 Watt pro Quadratmeter, dieser Betrag wird auch als Solarkonstante bezeichnet. Diese 1.367 Watt/m² treffen aber nur dort zu, wo die Sonne senkrecht über der Erdoberfläche steht. Die Nachtseite trifft keine Sonnenstrahlung. Im Mittel kommen so auf jeden Quadratmeter Erdoberfläche wegen der Kugelgestalt nur 1/4, d.h. theoretisch knapp 342 Watt.

Theoretisch deshalb, weil praktisch die Wolken zusammen mit Eis- und Schneeflächen dafür sorgen, dass ein Anteil von etwas über 31% des Sonnenlichts direkt wieder in den Weltraum zurückgestrahlt wird. Diese Reflexion wird als Albedo bezeichnet, und sie verringert die ankommende Energiemenge weiter. Insgesamt werden durch die Albedo 107 W/m² gleich wieder reflektiert. Weitere 67 Watt heizen direkt die Atmosphäre auf, so dass von den ursprünglicen 1.367 Watt immerhin noch 168 Watt jeden Quadratmeter der Erdoberfläche treffen. Diese 168 Watt heizen den Erdboden und das Meerwasser unmittelbar auf. Das folgende Diagramm stellt in der linken Hälfte diese Strahlungsflüsse gut dar.

Bild: Strahlungsbilanz der Erde. Quelle: Wikimedia Commons nach Kiehl und Trenberth 1997 (PDF)

So viel zur Strahlung, welche die Erde direkt von der Sonne erreicht. Die Erde strahlt als warmer Körper ebenso wie die Sonne Licht ab, allerdings wegen der deutlich geringeren Temperatur nicht im sichtbaren Spektrum, sondern im Infrarotbereich. Wie aus dem Diagramm zu erkennen ist, emittiert die Erde 390 W/m². 40 davon verschwinden durch das atmosphärische Fenster direkt in den Weltraum, und 350 heizen die Atmosphäre, also die Treibhausgase in der Luft, auf. Wir sehen, dass die Atmosphäre von zwei Quellen erwärmt wird: Der von der Sonne und von der Erde kommenden Strahlung.

Für Treibhausgase gilt das selbe wie für die Sonne, die Erde oder auch uns Menschen: Eine gewisse Temperatur geht mit einer bestimmten Strahlung in einer bestimmten Wellenlänge einher. Die erwärmten Treibhausgase strahlen selber entsprechend ihrer Temperatur. Diese Strahlung ist keineswegs ausschließlich zur Erde gerichtet, sondern sie geschieht ungerichtet, das heißt grob die Hälfte wird in Richtung Weltraum, die andere Hälfte in Richtung Erdoberfläche gestrahlt. Die insgesamt von der Erdoberfläche und der Atmosphäre in den Weltraum emittierte Strahlung summiert sich auf 235 W/m². Den gewichtigsten Faktor für die Erderwärmung durch Treibhausgase, also den umgekehrt wieder zur Erde gerichteten Strahlungsfluss, macht die so genannte atmosphärische Gegenstrahlung aus. Sie sorgt dafür, dass die Erde weitere 324 W/m² erhält.

Wir sehen, dass die Atmosphäre von mehreren Quellen erwärmt wird. Zentral in meinem Beitrag ist die Strahlung, die von der Sonne und von der Erdoberfläche kommt. Im für uns Menschen wichtigsten Teil der Atmosphäre, der bis eine Höhe von ca. 11 km reichenden Troposphäre, gelten jedoch ganz besondere Bedingungen. Die Temperatur in der Troposphäre wird ausschließlich durch die Konvektion bestimmt, die ihren Ausgangspunkt an der Temperatur der Erdoberfläche nimmt. Und wie genau das vonstatten geht, werde ich vielleicht ein andermal beschreiben.

[Update: Vielen Dank an Physikr für hilfreiche Kommentare zum Text, die zu kleinen Änderungen geführt haben!]

Von Nils Simon