Frage 1.3: Was ist der Treibhauseffekt?

Die Sonne treibt das Erdklima an, indem sie Energie mit sehr kurzen Wellenlängen, vornehmlich im sichtbaren oder angrenzenden (zum Beispiel ultravioletten) Teil des Spektrums ausstrahlt. Rund ein Drittel der Sonnenenergie, welche die Obergrenze der Erdatmosphäre erreicht, wird direkt zurück in den Weltraum reflektiert. Die restlichen zwei Drittel werden von der Erdoberfläche und in geringerem Maße auch von der Atmosphäre absorbiert. Um dieser absorbierten Energie die Waage zu halten, muss die Erde durchschnittlich die gleiche Energiemenge zurück in den Weltraum abstrahlen. Weil die Erde viel kälter als die Sonne ist, strahlt sie in viel größeren Wellenlängen ab, vornehmlich im infraroten Teil des Spektrums (Abbildung 1). Ein Großteil dieser vom Land und den Ozeanen emittierten Wärmestrahlung wird von der Atmosphäre einschließlich der Wolken absorbiert und zur Erdoberfläche zurückgestrahlt. Dies wird als Treibhauseffekt bezeichnet. Die Glaswände in einem Gewächshaus reduzieren den Luftaustausch und erhöhen die Lufttemperatur im Inneren. Analog dazu – allerdings über einen anderen physikalischen Prozess – erwärmt der Treibhauseffekt die Erdoberfläche. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt läge die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser. Somit ermöglicht der natürliche Treibhauseffekt der Erde Leben, wie wir es kennen. Allerdings haben menschlichen Aktivitäten, vor allem das Verbrennen fossiler Energieträger und das Roden von Wäldern, den natürlichen Treibhauseffekt sehr verstärkt und dadurch eine globale Erwärmung hervorgerufen.

Die beiden häufigsten Gase in der Atmosphäre, Stickstoff (mit 78% der trockenen Atmosphäre) und Sauerstoff (21%) üben fast keinen Treibhauseffekt aus. Stattdessen beruht der Treibhauseffekt auf Molekülen, die komplexer aufgebaut sind und viel seltener vorkommen. Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas, Kohlendioxid (CO2) das zweitwichtigste. Methan, Lachgas, Ozon und einige andere Gase, die in der Atmosphäre in geringen Mengen vorkommen, tragen ebenfalls zum Treibhauseffekt bei. In den humiden Äquatorialgebieten, in denen sich so viel Wasserdampf in der Luft befindet, dass der Treibhauseffekt sehr stark ist, hat ein kleiner zusätzlicher Anteil von CO2 oder Wasserdampf nur einen geringen direkten Einfluss auf die abwärtsgerichtete Infrarotstrahlung. In den kalten trockenen Polargebieten hingegen ist die Wirkung eines geringen Anstiegs von CO2 oder Wasserdampf viel größer. Das Gleiche gilt auch für die kalte, trockene obere Atmosphäre, in der eine geringe Zunahme an Wasserdampf einen größeren Einfluss auf den Treibhauseffekt hat, als die gleiche Änderung der Wasserdampfmenge in der Nähe der Erdoberfläche hätte.

Mehrere Komponenten des Klimasystems, insbesondere Ozeane und Lebewesen, beeinflussen die atmosphärische Konzentration von Treibhausgasen. Ein Paradebeispiel hierfür sind die Pflanzen, die CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen und es (zusammen mit Wasser) durch Fotosynthese in Kohlenhydrate umwandeln. Im Industriezeitalter haben menschliche Aktivitäten Treibhausgase zur Atmosphäre hinzugefügt, vor allem durch das Verbrennen fossiler Energieträger und Waldrodung.

Das Zufügen von mehr Treibhausgasen, wie zum Beispiel CO2, in die Atmosphäre verstärkt den Treibhauseffekt und erwärmt somit das Erdklima. Das Ausmaß der Erwärmung hängt von verschiedenen Rückkopplungsmechanismen ab. Wenn sich zum Beispiel die Atmosphäre aufgrund einer Zunahme an Treibhausgasen erwärmt, steigt ihre Wasserdampfkonzentration, was wiederum den Treibhauseffekt weiter verstärkt. Dies führt wiederum zu weiterer Erwärmung, die eine zusätzliche Erhöhung des Wasserdampfgehalts bewirkt - ein sich selbst verstärkender Kreislauf. Dieser Rückkopplungseffekt des Wasserdampfes könnte stark genug sein, um den Anstieg des Treibhauseffekts, der allein aufgrund des zusätzlichen Kohlendioxids auftreten würde, ungefähr zu verdoppeln.

Weitere wichtige Rückkopplungsmechanismen stehen in Verbindung mit Wolken. Wolken absorbieren Infrarotstrahlung sehr wirksam, wodurch sie stark zum Treibhauseffekt beitragen und somit die Erde erwärmen. Wolken sind auch effektiv in der Reflexion der einfallenden Sonnenstrahlung und kühlen so die Erde. Eine Änderung in fast jedem beliebigen Aspekt der Wolken, wie zum Beispiel ihrer Art, ihrer Position, ihres Wassergehalts, ihrer Höhe, ihrer Partikelgröße und –form oder ihrer Lebensdauer, wirkt sich auf das Ausmaß aus, mit dem Wolken die Erde erwärmen oder abkühlen. Einige Änderungen verstärken die Erwärmung, andere mindern sie. Viele Forschungsarbeiten sind im Gange, um besser zu verstehen, wie sich Wolken aufgrund der Klimaerwärmung verändern und wie diese Änderungen durch verschiedene Rückkopplungsmechanismen das Klima beeinflussen.

Frage, 1.3, Abbildung 1. Idealisiertes Modell des natürlichen Treibhauseffektes. Erklärungen, siehe Text.