Wie funktioniert der Treibhauseffekt?

Über den Treibhauseffekt ist schon viel geschrieben worden, und viele Vergleiche werden angestellt. Vieles davon ist jedoch irreführend oder sogar falsch.
Der Treibhauseffekt kommt dadurch zustande, dass bei zunehmendem CO₂ ein leicht wachsender Anteil der Infrarot-Strahlung aus den oberen, kalten Schichten der Erd-Atmosphäre (d.h. der Stratosphäre) in den Weltraum abgestrahlt wird.
Der Sachverhalt ist im Detail kompliziert, daher ist es auch so einfach, den Bürgern mit Übertreibungen, Verzerrungen oder Lügen Angst zu machen. Hier möchte ich ohne Formeln und anschaulich die Grundlagen des atmosphärischen Treibhauseffektes physikalisch korrekt beschreiben, bei dem das CO₂ eine wichtige Rolle spielt.

Aus dem Weltraum betrachtet, erfolgt der Temperaturhaushalt der Erdoberfläche und der Atmosphäre durch

• Einstrahlung von kurzwelligem, zum großen Teil sichtbarem Sonnenlicht und durch
• Abstrahlung von langwelliger unsichtbarer Infrarotstrahlung.

Wenn der Energieinhalt der Einstrahlung gleich ist wie der Energieinhalt der Abstrahlung, gibt es ein Gleichgewicht, und die Durchschnittstemperatur der Erde bleibt konstant. Eine Erwärmung findet immer dann statt, wenn entweder die Abstrahlung abnimmt oder die Einstrahlung zunimmt, und zwar so lange, bis das Gleichgewicht wiederhergestellt ist.

Die Infrarotabstrahlung ist der einzige Weg, wie die Erde Energie (Wärme) in den Weltraum abgeben kann. Deshalb ist es notwendig zu verstehen, wie die Mechanismen der Infrarot-Abstrahlung funktionieren.

Die Mechanismen der Infrarot-Abstrahlung in den Weltraum

Es gibt nur 2 Möglichkeiten, wie die Erde Energie in den Weltraum abgeben kann:

• Die Moleküle der Erdoberfläche oder der Meeresoberfläche strahlen Infrarotwellen bei der Bodentemperatur ab (durchschnittlich 15°C = 288 K).
• Die Moleküle der sogenannten Treibhausgase, vorwiegend Wasserdampf und CO₂ (in sehr viel geringerem Umfang Methan und einige andere Gase), strahlen Infrarotwellen aus der Atmosphäre heraus ab, bei der jeweils in ihrer Umgebung herrschenden Temperatur. Die anderen Gase der Atmosphäre wie Sauerstoff oder Stickstoff haben keine Möglichkeit, nennenswerte Mengen an Infrarotstrahlung abzugeben.
  CO₂ unterscheidet sich von Wasserdampf darin, dass es nur in einem kleinen Wellenlängenbereich aktiv ist. Andererseits nimmt der Anteil der Wasserdampfmoleküle in der Atmosphäre ab 5 km Höhe sehr schnell ab, weil der Wasserdampf bei Abkühlung wieder zu Wolken kondensiert und dann abregnet. Das können wir daran erkennen: Im Flugzeug in 10km Höhe sind wir stets über den Wolken. Und oberhalb der Wolken gibt es so gut wie keinen Wasserdampf mehr.
  CO₂ ist jedoch bis in die höchsten Schichten der Atmosphäre gleichmäßig vermischt mit den anderen Gasen, vornehmlich Sauerstoff und Stickstoff.
  

CO₂ und Wasserdampf sind also wie zwei konkurrierende Handballmannschaften, von denen die eine (der Wasserdampf) nur bis zu Mittelline laufen darf, und die andere (CO₂) sich nur innerhalb eines schmalen Längsstreifens des Spielfeldes bewegen kann. Dieser schmale Längsstreifen wird ein klein wenig breiter, wenn die „CO₂ Mannschaft“ mehr Spieler (mehr CO₂) bekommt. Das Tor ist für beide Mannschaften das gleiche (der Weltraum) und es erstreckt sich über die ganze Breite des Spielfelds. Solange der Ball noch weit vom Tor entfernt ist, fängt ihn ein anderer Spieler eher auf, als dass er ins Tor gelangt. Dieser andere Spieler spielt den Ball in eine zufällige Richtung wieder ab. Je dichter die Spieler stehen, desto schneller werden die Bälle wieder gefangen und wieder abgespielt. Je näher der Ball zum Tor kommt, desto weiter stehen die Spieler auseinander. Das heißt, dass der Ball dann leichter zwischen den Spielern hindurch ins Tor gelangen kann.

Solange sich noch andere Treibhausgasmoleküle in der Nähe befinden, kann also die Infrarotstrahlung nicht in den Weltraum gelangen (zu dicht stehende Mitspieler), sie wird wieder von den anderen Molekülen aufgefangen und von diesen wieder abgestrahlt. Konkret hat die Infrarotstrahlung in der unteren Atmosphäre nur eine Reichweite von etwa 25m, bis sie wieder von einem anderen Treibhausgasmolekül aufgefangen wird, meist von einem Wassermolekül oder von CO₂ . Je dünner die Treibhausgase (weniger Mitspieler) in der Atmosphäre mit zunehmender Höhe werden, desto wahrscheinlicher wird es, dass die Infrarotstrahlung in den Weltraum gelangt.

Daraus kann man schließen, dass es im Prinzip 3 Schichten gibt, aus denen Infrarotstrahlung in den Weltraum gelangt:

• Wenn die Luft trocken ist und ohne Wolken, dann gibt es einen Teil des Infrarots, das sog. „atmosphärische Fenster„, das direkt vom Boden aus in den Weltraum strahlt (das ist, wenn es keine oder nur sehr wenige Wasserdampf-Spieler auf dem Feld gibt),
• zwischen 2 und 8 km Höhe, durchschnittlich in 5 km Höhe, ist der obere Rand der Wolken, von wo aus die Wasserdampfmoleküle der Wolken einen großen Anteil der Infrarotstrahlung bei durchschnittlich 255 K = -18°C in den Weltraum abgeben
• der Anteil Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich um 15 Mikrometer herum (der schmale Streifen des Spielfeldes) wird vom CO₂ bis in die hohen kalten Schichten der Stratosphäre transportiert, von wo aus sie bei etwa 220 K = -53°C in den Weltraum abgestrahlt wird.

Dadurch kommt es zu einer Konkurrenzsituation, ob ein Wassermolekül direkt abstrahlen kann oder ob seine Infrarotstrahlung noch von einem CO₂-Molekül aufgefangen und in die Höhen der Stratosphäre weitergeleitet wird.

Der Treibhauseffekt

Wie kommt es nun bei einer wachsenden CO₂-Konzentration zur verringerten Energieabstrahlung in den Weltraum und damit zu einer Erwärmung?

Dafür ist es wichtig zu wissen, dass mit abnehmender Luft-Temperatur die abgestrahlte Energie stark abnimmt und dass mit zunehmender Höhe die Temperatur abnimmt. Wenn die CO₂-Konzentration im Laufe der Zeit zunimmt, dann wird der Wellenlängenbereich, in dem das CO₂ für die Abstrahlung „zuständig“ ist, ein klein wenig breiter (der schmale Streifen des Spielfeldes). Das bedeutet, dass ein kleiner Teil der Infrarotstrahlung, die sonst bei 255 K vom Wasserdampf abgestrahlt würde, nun bei 220 K vom CO₂ abgestrahlt wird, also mit deutlich niedrigerer Energie. Das bedeutet in der Konsequenz, dass die Energie der Gesamtabstrahlung leicht vermindert wird — die als konstant angenommene Einstrahlung des Sonnenlichts also überwiegt und damit ein Erwärmungseffekt eintritt.

Der Effekt ist allerdings nicht so groß, wie er gewöhnlich in den Medien dargestellt wird:
Denn seit dem Beginn der Industrialisierung hat bei einer Steigerung der CO₂-Konzentration um 50% von 280 ppm auf 420 ppm die Infrarotabstrahlung der Erde um grade mal 2 Watt/qm abgenommen. Das sind bei einer durchschnittlichen Abstrahlung von 240 Watt/qm¹ nur knapp 1% in 170 Jahren.
Jetzt kennen wir die erste Möglichkeit, wie das eingangs erwähnte Gleichgewicht durch eine Veränderung der Abstrahlung gestört wird. Aber bisher nur in sehr geringem Umfang.

Die Auswirkungen veränderter Einstrahlung sind größer als der Treibhauseffekt

Die zweite Möglichkeit, das Gleichgewicht zu stören, sind die Änderungen der Einstrahlung.
Die Schwankungen der Einstrahlung, die durch wechselnde Wolkenbedeckung hervorgerufen werden, sind bis bis zu 100 mal größer als die genannten 2 W/qm (was Besitzer von Photovoltaikanlagen bestätigen können), die dem Treibhauseffekt zuzurechnen sind. Damit zusammenhängend nimmt in Deutschland laut Deutschem Wetterdienst die Zahl der Sonnenstunden seit 70 Jahren um 1,5% pro Jahrzehnt zu². Also in weniger als 10 Jahren ein größerer Effekt als durch den Treibhauseffekt in 170 Jahren. Für einen genaueren zahlenmäßigen Vergleich müssen beide zu vergleichenden Messdaten im betreffenden Zeitraum vorhanden sein: In dem Zeitraum der letzten 40 Jahre gab es durch die Zunahme der Sonnenstunden in Deutschland die 6-fache Erwärmung im Vergleich zum Treibhauseffekt. Die Änderungen der Sonneneinstrahlung sind also in weitaus größerem Maße für die Erwärmung der Erde verantwortlich als die Änderungen der CO₂-Konzentration.

Damit ist der allgemein bekannte positive Treibhauseffekt beschrieben und eingeordnet. Es gibt also keinen Grund, mit dem Treibhauseffekt Angst und Panik zu begründen. Und es ist dringend notwendig, dass sich die Forschung, die Medien und die Politik mit dem Einfluss und den Ursachen der zunehmenden Sonnenstunden beschäftigen. Eine erste genauere Analyse der Daten des Deutschen Wetterdienstes ergibt, dass die Änderungen der Sonnenstunden in Deutschland die monatlichen Temperaturen der letzten 70 Jahre zu 90% erklären, und dass der Treibhauseffekt in Deutschland keinen statistisch signifikanten Einfluss hat.

Es fehlt noch ein wichtiges Phänomen: In der Antarktis führt der Erhöhung der CO₂-Konzentration zur Abkühlung, das nennt man den negativen Treibhauseffekt.

Der negative Treibhauseffekt in der Antarktis

Es gibt einen eigenartigen Effekt, wenn wir die eine Gegend der Erde betrachten, wo die Erdoberfläche zeitweise noch kälter ist als die 220 K, bei der die Infrarotabstrahlung des CO₂ in den Weltraum erfolgt: In der Antarktis, wo Temperaturen unter -60°C (=213 K) keine Seltenheit sind, finden wir tatsächlich einen negativen Treibhauseffekt.
Wo also eine Abkühlung bei zunehmender CO₂-Konzentration stattfindet.
Bei zunehmender CO₂-Konzentration nimmt zwar wie sonst auch der Anteil der Infrarotabstrahlung des CO₂ zu. Jetzt ist aber die CO₂-Schicht mit 220 K wärmer als die Erdoberfläche der Antarktis. Und damit wird vom CO₂ in der Atmosphäre mehr Wärme abgeführt als von der Erdoberfläche darunter.
Mit anderen Worten: In der Antarktis gilt, dass aufgrund der Zunahme der CO₂-Konzentration die Wärmeabfuhr in den Weltraum verstärkt wird, und es demnach dort kälter wird und nicht wärmer.

1. Begründung der 240 W/qm: https://www.zamg.ac.at/cms/de/klima/informationsportal-klimawandel/klimasystem/umsetzungen/energiebilanz-der-erde ↩︎
2. Berechnung: 10*168h/72 Jahre = 23 h/Jahrzehnt => (23h/Jahrzehnt)/1544h = 1,5%/Jahrzehnt ↩︎