Treibhauseffekt

Der Treibhauseffekt ist die Wirkung von Treibhausgasen in einer Atmosphäre auf die Temperatur der Planetenoberfläche wie die der Erde. Er bewirkt dort eine Temperaturerhöhung. Der Effekt entsteht dadurch, dass die Atmosphäre weitgehend transparent für die von der Sonne ankommende kurzwellige Strahlung ist, jedoch wenig transparent für die langwellige Infrarotstrahlung, die von der warmen Erdoberfläche und von der erwärmten Luft emittiert wird.

Die Analogie zwischen dem atmosphärischen Treibhauseffekt und einem Gewächshaus (oder Treibhaus) besteht in der Gemeinsamkeit, dass Licht nahezu ungehindert in das System eindringt, während die daraus entstehende Wärme das System weniger leicht verlassen kann. Je stärker der Wärmetransport nach draußen durch eine Barriere behindert wird, desto höher steigt die innere Temperatur (Wärmestau), bis die eingestrahlte Wärme durch den Wärmeverlust nach außen kompensiert wird.

Während ein Gewächshaus die überschüssige Wärme durch die warmen Glaswände an die Umgebungsluft ableitet, kann ein Planet im Vakuum des Weltalls die empfangene Heizleistung nur durch Abgabe von Wärmestrahlung kompensieren. Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Methan stellen dabei ein Hindernis für die Wärmestrahlung dar und streuen einen Teil davon zurück zur Oberfläche, welche dadurch weiter erwärmt wird bis zu einer Gleichgewichtstemperatur, die empfindlich von der Treibhausgaskonzentration abhängt.

Der Treibhauseffekt kann von anderen Effekten der Atmosphäre beeinflusst werden. Verstärkend wirken dabei das Schmelzen von Schnee (Eis-Albedo-Rückkopplung), die Verdunstung von Wasser sowie sich bildende Eiswolken, abschwächend wirken die Abschattung durch Wasserdampf-Wolken und die Konvektion aufsteigender Warmluft (Thermik).

Geschichtliches

Entdeckung 

Der Treibhauseffekt wurde 1824 von dem französischen Mathematiker und Physiker Joseph Fourier entdeckt, verbunden mit der Annahme, dass die Erdatmosphäre isolierende Eigenschaften besitzt, die einen Teil der einfallenden Wärmestrahlung daran hindert, in den Weltraum reflektiert zu werden. Im Jahr 1856 untersuchte Eunice Foote die Treibhauswirkung verschiedener Gase. Foote durfte – als Frau – ihre Ergebnisse nicht selbst bei der American Association for the Advancement of Science vortragen, es gelang ihr aber die Publikation ihrer Forschung im Wissenschaftsjournal The American Journal of Science and Arts. Foote schloss aus ihren Daten: „Wenn, wie manche annehmen, irgendwann in der Geschichte der Erde der Luft ein größerer Anteil davon [von Kohlendioxid] beigemischt war als heute, dann hätte sich daraus zwangsläufig eine erhöhte Temperatur ergeben müssen.“ Im Jahr 1862 konnte der britische Naturforscher John Tyndall mittels präziser Messungen einige für den Treibhauseffekt verantwortlichen Gase wie Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid identifizieren.

Dem schwedischen Physiker und Chemiker Svante Arrhenius (1859–1927) gelang es in einer 1896 veröffentlichten Publikation, den atmosphärischen Treibhauseffekt unter Berücksichtigung der Eis-Albedo-Rückkopplung erstmals quantitativ genauer zu beschreiben. Der erste Nachweis des Anstiegs der atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-Konzentration und damit des anthropogenen Treibhauseffekts gelang 1958 Charles D. Keeling. Auf Keelings Initiative wurde eine Vielzahl von Messstationen für Kohlenstoffdioxid aufgebaut; die bekannteste befindet sich auf dem Mauna Loa auf Hawaii. Neben einem weltweiten Stationsnetz sind mehrere Erdbeobachtungssatelliten in Betrieb oder in Planung, deren Aufgabe unter anderem darin besteht, Daten zu Treibhausgas-Konzentrationen, Strahlungshaushalt oder Wolkenbildung beziehungsweise Aerosolverteilung zu sammeln.

Historischer Verlauf 
Seit Beginn des Industriezeitalters wurden durch menschliche Aktivitäten zusätzliche Treibhausgas-Anteile in der Atmosphäre aus Verbrennungsprozessen und der Landwirtschaft freigesetzt: Kohlenstoffdioxid, Methan, Lachgas sowie die indirekt bewirkte Entstehung von troposphärischem Ozon. Dieser Anstieg wird anthropogener Treibhauseffekt genannt und ist der Grund für die seit Beginn des Industriezeitalters auftretende und im bisherigen 21. Jahrhundert weiter zunehmende globale Erwärmung. Mehrere Komponenten des Treibhauseffekts sind inzwischen messtechnisch belegt, wie zum Beispiel die Zunahme des Strahlungsantriebs aufgrund anthropogener Treibhausgas-Emissionen, ebenso wie die bereits 1908 publizierte Annahme, dass sich die Tropopause bei zunehmender CO2-Konzentration nach oben verschiebt. Das gegenwärtige Kohlenstoffdioxid-Level ist das höchste seit mindestens 800.000 Jahren. Paläoklimatologischen Analysen zufolge traten auch während der letzten 14 Millionen Jahre (seit dem Klimaoptimum des Mittleren Miozäns) keine signifikant höheren CO2-Werte auf.

Mögliche Entwicklungen 
Die wichtigsten auf der Erde heute für den Treibhauseffekt verantwortlichen Treibhausgase sind Wasserdampf (Anteil 62 %), gefolgt von Kohlenstoffdioxid (Anteil 22 %). Durch die Erderwärmung erhöht sich zudem, z. B. durch die Wasserdampf-Rückkopplung oder die Abnahme der CO2-Speicherung im wärmeren Ozean, die Konzentration dieser Treibhausgase weiter. Immer wieder wird diskutiert, ob durch diese positiven Rückkopplungen im Klimasystem prinzipiell ein galoppierender Treibhauseffekt in Gang gesetzt werden kann, der in der Vergangenheit beispielsweise auch auf dem Planeten Venus stattgefunden haben muss. Selbst ohne eine vollständig destabilisierende Rückkopplung können als Folge der Erwärmung leicht ein oder mehrere Kipppunkte im Erdklimasystem überschritten werden, ab denen sich das Klima auf einen neuen Gleichgewichtszustand einpendelt, mit höherem Meeresspiegel und einer deutlichen Abnahme der Biodiversität. Eine derartige Entwicklung würde das Bild der Erde gravierend verändern, vor allem durch die damit gekoppelte Verlagerung der Klima- und Vegetationszonen und das weitgehende Abschmelzen des westantarktischen und des grönländischen Eisschilds.

Physikalische Wirkungsweise

Strahlungsbilanz 

Grundlegend für das physikalische Verständnis der Temperatur der Erde ist deren Strahlungsbilanz. Von der Sonne strahlt Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung in Richtung Erde. Davon empfängt die Erde auf der kreisförmigen Querschnittsfläche pro Quadratmeter eine Leistung von 1367 Watt – etwa die einer Kochplatte. In Bezug auf die gesamte Kugeloberfläche mit Tag- und Nachtseite sind das im Mittel 341 W/m². Die Materie der Erde, auf die die Strahlung trifft, reflektiert rund 30 % davon direkt zurück. Der restliche absorbierte Teil erwärmt die Materie so weit, bis sie ihrerseits die gleiche Menge an Wärmeleistung abgibt. Global strahlt die Erde etwa die gleiche Leistung elektromagnetischer Energie zurück ins Weltall, die sie auch von der Sonne im Mittel empfängt.

Mittlere Gleichgewichtstemperatur 
Die mittlere Gleichgewichtstemperatur der Erde kann man zunächst für den hypothetischen Fall einer nicht vorhandenen Atmosphäre berechnen, bei jedoch gleichen Reflexionseigenschaften (Albedo). Die Oberfläche hätte dann im globalen sowie tages- und jahreszeitlichen Mittel eine Temperatur von −18 °C. Nur bei diesem Wert ergibt sich mit dem Strahlungsgesetz rechnerisch ein Gleichgewicht, bei dem im Mittel genauso viel Wärmestrahlung an das −270 °C kalte Weltall abgegeben wird, wie auch Strahlungsenergie der Sonne aufgenommen wird.

Ist eine Atmosphäre vorhanden, muss wegen der Universalität des Strahlungsgesetzes an ihrer Außenseite ebenfalls die gleiche effektive Temperatur von −18 °C herrschen, damit das Strahlungsgleichgewicht bestehen kann. Vom All aus würden Wärmebilder der Erde diese mittlere Temperatur von −18 °C auch bestätigen. Unterhalb der Atmosphäre auf der Erdoberfläche misst man jedoch eine deutlich höhere mittlere Temperatur von +14 °C. Die Differenz von 32 °C wird dem Treibhauseffekt zugeschrieben.

Vergleich mit anderen Planeten 
Vergleiche mit anderen Planeten oder Rechnungen zu idealisierten Planetenmodellen verdeutlichen die Auswirkungen des Treibhauseffekts.

Ein Beispiel ganz ohne Atmosphäre findet man beim Mond. Er bekommt pro Fläche die gleiche Strahlungsleistung wie die Erde ab und hat eine mittlere Oberflächentemperatur von −55 °C. Dass der Mond noch kälter als die −18 °C kalte Außentemperatur der Erde ist, liegt nicht an seiner Größe, sondern allein an der Rotationsgeschwindigkeit. Er kann auf der Schattenseite einen halben Monat lang Wärme abstrahlen, während die Temperatur auf der Sonnenseite in Sättigung geht. Bei nur 24 Stunden pro Umdrehung hätte der Mond aufgrund seiner dunkleren Farbe eine mittlere Temperatur von etwa −3 °C.

Ein gewaltiger Unterschied findet sich bei unserem Nachbarplaneten Venus: Statt der berechneten −46 °C des Strahlungsgleichgewichts (Solarkonstante: 2.601,3 W/m², Albedo: 0,77) wurden tatsächlich im Mittel 464 °C unter der dichten und fast reinen CO2-Atmosphäre auf der Planetenoberfläche gemessen, welche eine Emission von 16.578 W/m² verursacht. Die Ursache ist hier sehr deutlich: Der Treibhauseffekt.

Spektren emittierter Strahlung 
Die häufigsten Wellenlängen der Photonen des Sonnenlichtes liegen um 500 nm. Das entspricht grünem Licht, wobei die Summe aller sichtbaren Sonnenstrahlen als weißes Licht empfunden wird. Aus diesem Strahlungsmaximum kann man auf die Oberflächentemperatur der Sonne rückschließen: etwa 5600 °C oder 5900 K. Ähnliches gilt für Wärmestrahlung, die bei irdischen Temperaturen von etwa 20 °C in Form von elektromagnetischen Wellen von erwärmten Gegenständen abgestrahlt wird und deren häufigste Wellenlänge bei etwa 10.000 nm liegt (Infrarotstrahlung). Den entscheidenden Zusammenhang beschreibt das Wiensche Verschiebungsgesetz: Je geringer die Temperatur eines Strahlers, desto größer ist die Wellenlänge der von ihm emittierten Strahlung. Unterhalb des Maximums ist das Strahlungsspektrum eines Körpers zu langen Wellen hin flach auslaufend, so dass auch Sonnenlicht zur Hälfte aus Infrarotstrahlung besteht.

Mechanismus des Treibhauseffekts 

Im Spektralbereich des sichtbaren Sonnenlichts absorbiert die Lufthülle der Erde nur wenig Strahlung – man spricht von hoher Transparenz. Die Strahlung kann also fast ungehindert in das Treibhaus eindringen. Nur der Infrarotanteil kann Teile der Atmosphäre direkt erwärmen. Die Materie innerhalb des Treibhauses, also im Wesentlichen die Erdoberfläche, absorbiert einen Großteil der Photonen und erwärmt sich dadurch. Die Wärme wird von dort direkt oder durch die erwärmte Luft indirekt wieder nach oben elektromagnetisch abgestrahlt.

Nachdem die vom Erdboden zurück gestrahlte Energie zum größten Teil nur noch aus Infrarotstrahlung besteht, macht sich der Treibhauseffekt bemerkbar: Für die Infrarotstrahlung ist die Atmosphäre weniger durchlässig, wenn Treibhausgase vorhanden sind. Diese Moleküle haben die besondere Eigenschaft, aufgrund einer Asymmetrie oder Polarisierbarkeit der elektrischen Ladungsverteilung sehr effizient im elektromagnetischen Wechselfeld der Wärmestrahlung in Rotation oder in Vibration versetzt zu werden und dadurch Energie aufzunehmen. In diesem Zustand schwingen negative und positive Ladungen gegeneinander bzw. rotieren umeinander. Dabei kann das Molekül, ähnlich wie eine Antenne, die Energie auf die gleiche Weise wieder in eine zufällige Richtung als Infrarotstrahlung abstrahlen. Der Anteil, der in Richtung Erde emittiert wird, bewirkt auf der Oberfläche zunächst einen Überschuss an empfangener Wärmeleistung. Dadurch steigt die Temperatur, was zu einer Erhöhung der abgegebenen Infrarotstrahlung führt. Von dieser Strahlung wird wiederum ein kleiner Teil am Treibhausgas rückgestreut und erwärmt die Oberfläche erneut usw. Der Temperaturanstieg endet schließlich, nachdem sich ein Gleichgewicht einstellt hat, bei dem die eingestrahlte Leistung genau mit der abgegebenen Wärme kompensiert wird. Die Gleichgewichtstemperatur liegt entsprechend höher, je mehr Treibhausgase vorhanden sind. Der Anteil der rückgestreuten Gegenstrahlung liegt derzeit bei etwa 84 % der infraroten Strahlungsleistung, die die Erdoberfläche im Mittel emittiert.

Treibhausgase 

In der Erdatmosphäre bewirken Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon seit Bestehen der Erde einen Treibhauseffekt, der entscheidenden Einfluss auf die Klimageschichte der Vergangenheit und das heutige Klima hat. Die Treibhausgase sind durchgängig für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung, langwellige Wärmestrahlung wird hingegen je nach Treibhausgas in unterschiedlichen Wellenlängen absorbiert und emittiert.

Moleküle eines Treibhausgases zeichnen sich physikalisch durch eine bestimmte Asymmetrie oder Polarisierbarkeit der Ladungsverteilung aus. Liegt der Schwerpunkt der positiven Ladungen von dem der negativen Ladungen etwas entfernt, dann hat das Molekül ein sogenanntes Dipolmoment. Ein äußeres elektrisches Feld kann dann an unterschiedlichen Stellen Kräfte in unterschiedliche Richtungen bewirken. Das versetzet ein solches Molekül entweder in Rotation oder es wird elastisch verformt und so zum Schwingen bzw. Vibrieren angeregt. Die Amplitude dieser Schwingung ist besonders stark, wenn die Eigenschwingung des Moleküls mit der äußeren Anregungsfrequenz des Wechselfeldes in Resonanz ist. Die aufgenommene Rotations- oder Vibrationsenergie kann das Molekül entweder über Stöße mit anderen Molekülen austauschen oder durch die Antennenwirkung des schwingenden Dipolmoments wieder elektromagnetisch abstrahlen. Die Abstrahlung erfolgt dabei in eine zufällige Richtung und zum Teil zurück zur Erde. Kleine symmetrische Moleküle wie O2 und N2 besitzen kein solches Dipolmoment und sind für die Wärmestrahlung nahezu vollständig transparent.

Der größte Teil des Treibhauseffekts wird mit einem Anteil von ca. 36–70 % (ohne Berücksichtigung der Effekte der Wolken) durch Wasserdampf in der Atmosphäre verursacht. Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre trägt ca. 9–26 % zum Treibhauseffekt bei, Methan ca. 4–9 % und troposphärisches Ozon ca. 3–7 %. Die Klimawirkung von Ozon unterscheidet sich stark zwischen stratosphärischem Ozon und troposphärischem Ozon. Stratosphärisches Ozon absorbiert den kurzwelligen UV-Anteil im einfallenden Sonnenlicht und hat so einen kühlenden Effekt (bezogen auf die Erdoberfläche). Troposphärisches Ozon entsteht aus den Produkten anthropogener Verbrennungsprozesse und hat, ähnlich wie andere Treibhausgase, aufgrund seiner IR-Absorption einen erwärmenden Effekt.

Ein exakter prozentualer Wirkungsanteil der einzelnen Treibhausgase auf den Treibhauseffekt kann nicht angegeben werden, da der Einfluss der einzelnen Gase je nach Breitengrad und Vermischung variiert (die jeweils höheren Prozentwerte geben den ungefähren Anteil des Gases selbst an, die niedrigeren Werte ergeben sich aus den Mischungen der Gase).

Bei der großen Masse der Erde spielt die Wärmespeicherung eine erhebliche Rolle, was daran zu erkennen ist, dass auf der Erde die wärmste Zeit im Sommer erst nach dem Sonnenhöchststand (der "Sonnenwende") eintritt. Der Sonnenhöchststand ist auf der Nordhalbkugel am 21. Juni, auf der Südhalbkugel am 21. Dezember. Wegen dieser großen Speicherwirkung wird bei den Energiebilanzen in der Atmosphäre immer mit dem Mittelwert über die ganze Erdoberfläche gerechnet.

Energiebilanz 
Angetrieben werden die Wärmevorgänge an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre von der Sonne. Die Stärke der Solarstrahlung in der Erdbahn wird als Solarkonstante bezeichnet und hat etwa einen Wert von 1367 W/m². Je nach Erdentfernung und Sonnenaktivität schwankt dieser zwischen 1325 W/m² und 1420 W/m²; in der Grafik rechts wurde mit einer Solarkonstanten von 1365,2 W/m² gerechnet.

Sogenannte Energiebilanzen werden mit einem Mittelwert der Einstrahlung auf die Erdoberfläche gerechnet: Die Erde erhält Solarstrahlung auf der Fläche des Erdquerschnitts  und hat eine Oberfläche von . Diese beiden Flächen haben ein Verhältnis von 1:4, d. h. gemittelt über die ganze Erdkugel erreicht eine Strahlung von 341,3 W/m² die Oberfläche. Durch Wolken, Luft und Boden (vor allem Eis und Schnee, siehe Albedo) wird ein Anteil von etwa 30 % der eingestrahlten Sonnenenergie wieder in den Weltraum reflektiert – das sind etwa 102 W/m². Die restlichen 70 % werden absorbiert (78 W/m² von der Atmosphäre, 161 W/m² vom Boden) – das sind zusammen 239 W/m². Würde der Erdboden nur von einer Strahlung in Höhe von 239 W/m² bestrahlt, so würde die Erdoberfläche im Mittel eine Temperatur von etwa −18 °C annehmen, wenn sich die Wärme gleichmäßig über die Erde verteilen würde.

Denn nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz gilt:

,
mit  Leistung,  Fläche,  Stefan-Boltzmann-Konstante. Die Erde hat eine sphärische Albedo von 0,306, d. h. 30,6 % der einfallenden Strahlung wird reflektiert. Die wirksame Strahlung  ist also  und die Gleichung für das Strahlungsgleichgewicht der Erde ohne Atmosphäre wird zu:

.
Umgestellt nach  ergibt sich

und mit den Parametern des Planeten Erde:
.

Aber es gibt eine weitere Bestrahlung durch die aufgeheizten Treibhausgase mit 333 W/m², die so genannte atmosphärische Gegenstrahlung. Damit absorbiert die Erdoberfläche insgesamt 161 W/m²+333 W/m²=494 W/m² – und die werden bei der tatsächlichen mittleren Erdoberflächentemperatur von +14 °C auf mehreren Wegen abgegeben. Ein Teil davon wird durch Strahlung abgegeben, das wird wieder durch das plancksche Strahlungsgesetz beschrieben.

Die von der Erdoberfläche abgestrahlte Energie hat eine andere Spektral-(Farb)verteilung als das einfallende Sonnenlicht, das eine Spektralverteilung entsprechend einer Farbtemperatur von etwa 6000 K hat und von den atmosphärischen Gasen kaum absorbiert wird. Die Spektralverteilung der von der Erdoberfläche abgestrahlten Energie wird durch die +14 °C der Erdoberfläche bestimmt, so dass nur etwa 40 W/m² direkt von der Erdoberfläche in den Weltraum gestrahlt werden. Die restlichen 199 W/m² werden teilweise durch Strahlung an die für diesen Wellenlängenanteil undurchsichtige Atmosphäre (verursacht durch die Treibhausgase) durch Emission abgegeben; durch Konvektion werden 17 W/m² in obere Luftschichten verbracht, wo diese Energie dann abgestrahlt wird; durch Evapotranspiration werden 80 W/m² abgegeben. Die Atmosphäre hat zwei Oberflächen: eine zum Weltraum hin und eine zur Erde hin. Die Abstrahlung aus der Atmosphäre ist auf jeder Seite gleich groß, wenn die Temperatur der Erde konstant ist. Eine Energie von 338 W/m² wird also auf jeder Seite der Atmosphäre zur Hälfte – also jeweils 169 W/m² abgestrahlt. Zum Vergleich: Ein schwarzer Körper mit einer Abstrahlung von 150 W/m² hat etwa eine Temperatur von −40 °C. Ist die Abstrahlung in eine Richtung größer als in der anderen, kommt es zur Erwärmung bzw. Abkühlung der Erde. Der Unterschied ist der Strahlungsantrieb. Mit dieser Größe kann einfach die aus der geänderten Bilanz resultierende, neue Gleichgewichtstemperatur der Erde errechnet werden.

Durch die Abstrahlung in den Weltraum von der Atmosphäre mit 169 W/m², die Abstrahlung der Wolken mit 30 W/m², den 40 W/m² von der Erdoberfläche und dem Albedo-Anteil von 102 W/m² ist das etwa gleich der mittleren Einstrahlung von 342 W/m², d. h., Einstrahlung ist etwa gleich Ausstrahlung. Das zeigt sich auch in der Tatsache, dass sich die Temperatur der Erde nur langsam ändert – woraus zwingend folgt, dass die Erde die absorbierte Sonnenenergie wieder abgibt – aber wegen der niedrigen Erdtemperatur wird die Energie hauptsächlich als langwellige Infrarotstrahlung emittiert (wiensches Verschiebungsgesetz).

Der Wärmestrom aus dem Erdmantel spielt praktisch keine Rolle. Er beträgt etwa 0,06 W/m².

Der Wärmestrom (Leistung) aus vom Menschen verfeuerten Brennstoffen ist noch geringer und liegt bei 0,026 Watt pro Quadratmeter. Er errechnet sich aus dem Weltenergieverbrauch (im Jahr 2004) in Höhe von 432 Exajoule und der Größe der Erdoberfläche von rund 510 Millionen km².

Zusammengefasst ergibt sich für diesen natürlichen Treibhauseffekt: Die Rückstrahlung aus der Atmosphäre zur Erde führt zur zusätzlichen Erwärmung der Erdoberfläche. Dies erklärt die durchschnittlich gemessene globale Temperatur von 14 °C statt der theoretisch berechneten Gleichgewichtstemperatur ohne Atmosphäre von −18 °C.

Wichtig ist auch die Höhenverteilung, von wo die Wärmestrahlung die Erdoberfläche erreicht. Für den Treibhauseffekt direkt bedeutsam ist nur der Anteil der Abstrahlung aus niedrigen Höhen, weil nur diese Abstrahlung den Erdboden erreicht, ohne vorher von den Treibhausgasen wieder absorbiert zu werden (siehe nächster Absatz). Dabei ist das „niedrig“ sehr wellenlängenabhängig, denn die Länge, nach der die Strahlung wieder absorbiert wird (Absorptionslänge) ist wellenlängen- und konzentrationsabhängig. Ist die Absorptionslänge größer als die Atmosphärendicke, so ist die Atmosphäre bei diesen Wellenlängen fast durchsichtig. Da die Stärke einer Strahlung von der Temperatur der Quelle abhängig ist, steigt die Strahlstärke, wenn die Absorptionslänge kürzer wird: wegen der Temperaturabnahme mit der Höhe steigt die mittlere Temperatur über der kürzeren Absorptionslänge. Damit kann die atmosphärische Gegenstrahlung in einem Wellenlängenbereich bei zunehmenden Treibhausgasmengen auch dann noch stärker werden, wenn die Atmosphäre in diesem Wellenlängenbereich bereits so gut wie undurchsichtig ist.

Der Temperaturverlauf bis zu einer Höhe von ca. 11 km ist dabei praktisch nur adiabatisch bedingt, die durch die Abstrahlung der Treibhausgase verlorengehende Energie wird durch Konvektion und Strahlungsabsorption ersetzt. Dabei kommt die absorbierte Strahlung von verschiedenen Quellen:
 Solarstrahlung (sehr geringer Anteil)
 Abstrahlung von der Erdoberfläche
 Abstrahlung aus tieferliegenden Schichten
 Abstrahlung aus höherliegenden Schichten

Der Anteil an dem Aussenden von langwelliger Wärmestrahlung durch Treibhausgase wie
 Kohlenstoffdioxid (CO2),
 Methan (CH4),
 Lachgas (N2O)
und anderen Gasen wird trockener Treibhauseffekt genannt. Die Einbeziehung von Wasserdampf führt zum feuchten Treibhauseffekt. Etwa 62 % des Treibhauseffekts werden durch Wasserdampf verursacht, etwa 22 % durch Kohlenstoffdioxid.

Bei der vollständigen Verbrennung von (anthropogenen) Kohlenwasserstoffen der Summenformel CxHy entstehen x Moleküle CO2 und y/2 Moleküle H2O, wobei beiderlei Moleküle zum globalen Treibhauseffekt beitragen.

Interessant ist der Temperaturverlauf als Funktion der Druckhöhe (an der Erdoberfläche ist der höchste Druck 1,013 bar). Nach oben nimmt der Druck ab, weil die Gasmasse geringer wird. Gleichen Druckänderungen entsprechen gleiche Anzahl von Gasteilchen. In der Troposphäre wird der Temperaturverlauf am besten durch eine Adiabate mit dem Exponenten 0,19 beschrieben. Oberhalb der Troposphäre ist die Gasmasse gering und es liegt kein adiabatischer Verlauf mehr vor. Die Spitze der Realatmosphäre bei niedrigen Drücken wird durch die UV-Absorption des Sauerstoffs (Ozon-Bildung und -Zerfall) verursacht. Durch die Krümmung der Kurve in der Troposphäre ist auch die Existenz der Troposphäre erklärlich: Wäre die Kurve eine Gerade, so wäre im Mittel die von den Treibhausgasen absorbierte Energie gleich der emittierten Energie – wegen der Krümmung und ihrer Art ist aber die emittierte Energie größer als die absorbierte Energie, die Luft wird also gekühlt und sinkt nach unten. Dadurch wird eine Vertikalzirkulation in Gang gesetzt, die nach den Gasgesetzen mit konstantem Wärmeinhalt (der Strahlungsverlust ist klein zum Wärmeinhalt) zum adiabatischen Verlauf führt.

Die Bedeutung des globalen Treibhauseffektes kann man somit auch an den extrem unterschiedlichen Oberflächentemperaturen der Planeten Venus, Erde und Mars erkennen. Diese Temperaturunterschiede hängen nicht nur von der Entfernung zur Sonne ab, sondern vor allem von den (aufgrund verschiedener Ursachen) unterschiedlichen Atmosphären.

Anthropogener Treibhauseffekt 

Als anthropogener Treibhauseffekt wird die Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts durch menschliche Aktivitäten bezeichnet. Dieser resultiert vor allem aus der Freisetzung verschiedener Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), Lachgas (N2O) und troposphärischem Ozon (O3). Seine Folge ist die Globale Erwärmung, d. h. ein Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur der Erde im Vergleich zu vorindustriellen Zeiten. Er ist besonders stark mit ca. 0,2 Grad Celsius pro Dekade in den letzten 50 Jahren zu beobachten gewesen. Dieser Effekt ist nicht nur theoretisch verstanden, sondern kann z. B. mit Satelliten gemessen werden, die die Energieeinstrahlung auf die Erde und die Energieabstrahlung der Erde aufzeichnen. Dabei zeigen Satellitendaten, dass die Wärmeabstrahlung von der Erdeoberfläche in das Weltall mit steigender Konzentration von Treibhausgasen zurückgeht, so wie es bei einer erhöhten Treibhausgas-Konzentration erwartet wird. Der Rückgang findet dabei im Wellenlängenbereich von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon statt, deren atmosphärischer Anteil durch anthropogene Emissionen zunimmt. Anhand der spektralen Signatur der Strahlung können Satelliten zwischen der gesamten Energie-Abstrahlung der Erde und der spezifischen Abstrahlung der Erdoberfläche unterscheiden.

Geschwindigkeit 
Im Gegensatz zu den auf geologischen Zeitskalen stattfindenden natürlichen Klimaveränderungen läuft der anthropogene Klimawandel in extrem kurzer Zeit ab. Neueren Studien zufolge vollzieht sich die gegenwärtig zu beobachtende Freisetzung von Kohlendioxid rascher als in allen bekannten Erwärmungsphasen der letzten 66 Millionen Jahre. Das Gleiche gilt für die gegenwärtig beobachtete Rate der Temperaturveränderung. Die globale Erwärmung von der letzten Eiszeit zur heutigen Warmzeit war eine Erwärmung um etwa ein Grad pro 1000 Jahre. Die Erhöhung der Treibhausgaskonzentration seit der Industrialisierung führte zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um ca. 1,1 Grad (Referenzzeitraum 1850–1900). Die bei einem „business as usual“-Szenario (repräsentativer Konzentrationspfad RCP 8.5) wahrscheinlichste zukünftige Temperaturerhöhung von ca. 5 °C bis 2100 würde sogar mit einer Geschwindigkeit von 5 °C/100 Jahre ablaufen. Das RCP 8.5-Szenario rechnet dabei mit einer unveränderten Klimapolitik und einer konstant bleibenden wirtschaftlichen Attraktivität für die Förderung der immer seltener werdenden fossilen Energieträger.

Mechanismus 
Netto-Wärmeabstrahlung von der Erde ins All erfolgt nur zu einem kleineren Teil aus bodennahen Atmosphärenschichten, denn in unteren Luftschichten wird Infrarotstrahlung meist von darüber liegenden Luftschichten wieder absorbiert. Sie erfolgt auch nicht in einem eng umgrenzten Gebiet, sondern in einem Bereich, der von bodennahen Gebieten bis in eine Höhe von ca. 15 km reicht und im Mittel aus einer Höhe von 5,5 km. Die Strahlungsgleichgewichtstemperatur der Erdoberfläche läge ohne Atmosphäre bei −18 °C. Aus Gründen der Thermodynamik sinkt die Temperatur in der Atmosphäre um 6,5 K/km, wenn man sich nach oben bewegt. Eine Vergrößerung der Treibhausgaskonzentration bewirkt, dass die Schicht, in der die −18 °C Strahlungsgleichgewichtstemperatur herrscht, nach oben wandert. Pro Kilometer Anstieg der Schicht, in der Strahlungsgleichgewicht herrscht, erhöht sich die Temperatur an der Erdoberfläche ebenfalls um 6,5 °C. Bereits 1901 postulierte Nils Ekholm den Anstieg der Tropopause: „Strahlung von der Erde ins All geht nicht direkt vom Boden dorthin, sondern von einer Schicht, die sich in beträchtlicher Höhe über dem Boden befindet. Diese Schicht liegt umso höher, je stärker die Kraft ist, mit der Luft die vom Boden emittierte Strahlung absorbieren kann. Mit steigender Höhe sinkt jedoch die Temperatur dieser Schicht. Da kältere Luft weniger Wärme abstrahlen kann, erwärmt sich der Boden umso mehr, je höher sich diese abstrahlende Schicht befindet.“ Der britische Meteorologe Ernest Gold publizierte im Jahr 1908, dass zu erwarten sei, dass die Tropopause mit wachsender CO2-Konzentration durch den dadurch verstärkten Treibhauseffekt höher steigt. Dies konnte Anfang des 21. Jahrhunderts messtechnisch bestätigt werden. Entgegen mancher Darstellung in den Medien lässt sich der Treibhauseffekt nicht sättigen, weil die Wärmestrahlung beliebig oft absorbiert und re-emittiert werden kann; jede zusätzliche Absorption erhöht den Wärmedurchgangswiderstand. Wie bereits beschrieben, erfolgt die Abstrahlung zu großen Teilen nicht bodennah, sondern in mehreren tausend Metern Höhe. Dort ist es erheblich kälter als in Bodennähe. Der Wasserdampfgehalt von Luft ist stark temperaturabhängig, so dass kalte Luft erheblich weniger von diesem Treibhausgas enthalten kann als warme Luft. Eine Erhöhung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid wirkt sich stärker aus, als es Messungen auf Meereshöhe vermuten lassen, denn dort, wo die Energieabstrahlung der Erde ins All hauptsächlich stattfindet, befindet sich kaum Wasserdampf. Die Wirkung des Treibhauseffektes durch Änderung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid würde daher selbst dann zunehmen, wenn auf Meereshöhe keinerlei Absorptionsänderung messbar wäre.

Die Beziehung zwischen der CO2-Konzentration und dem instantanen Strahlungsantrieb verläuft logarithmisch. In dem für die aktuelle Klimaentwicklung relevanten Bereich von 280 ppm bis 560 ppm, d. h. dem vorindustriellen Gehalt bis zur Verdopplung, weist die logarithmische Kurve nur eine sehr schwache Krümmung auf, die durch das derzeitige exponentielle Wachstum sogar überkompensiert wird zu einem beschleunigten Effekt. Die Klimasensitivität im Gleichgewichtszustand, d. h. die sich ergebende globale Temperaturänderung bei Verdoppelung der Konzentration des atmosphärischen CO2-Gehalts, beträgt gemäß Weltklimarat 3 °C, mit einem Konfidenzintervall von 2,5 °C bis 4 °C.

Kritik und Missverständnisse

Verdünnung der Treibhausgase 
Manche Laien schließen aus der sehr niedrigen Konzentration des CO2 in der Atmosphäre (0,04 %) irrtümlich auf eine schwache Wirkung. Dabei ist vielmehr die Gesamtmenge der in der Atmosphäre vorhandenen CO2-Moleküle für die Rückstreuung entscheidend, während neutrale Gase von der Strahlung nahezu ungehindert wie Vakuum durchdrungen werden. Ohne die anderen Gase entspräche das reine CO2 der Atmosphäre unter Normaldruck einer mehr als 3 Meter dicken Schicht. Vor Beginn der Industrialisierung entsprach sie noch etwa 2 Meter. An diesem Hindernis muss die Wärmestrahlung vorbei. Die Verdünnung mit neutralen Gasen spielt dabei keine Rolle für den Wirkungsquerschnitt. In einigen Wellenlängenbereichen, die in Zukunft noch breiter werden, lässt das vorhandene CO2 bereits gar keine Wärmestrahlung mehr durch.

Zweiter Hauptsatz 
Einige Skeptiker des Treibhauseffekts argumentieren, dass Treibhausgase, die in Richtung der Erdoberfläche Wärme abstrahlen (169 W/m²), Energie von einem kühleren Körper (etwa −40 °C) zu einem wärmeren Körper (Erdoberfläche etwa +14 °C) leiten würden, was angeblich dem II. Hauptsatz der Thermodynamik widerspräche. Tatsächlich fließt aber insgesamt mehr Energie von der erwärmten Erdoberfläche zum kühleren Treibhausgas. Der thermische Strahlungsaustausch mittels Infrarot-Photonen erfolgt jedoch grundsätzlich in beide Richtungen. Das wird aus der physikalischen Deutung der Temperatur ersichtlich, die in einem System beschreibt, welche Energie seine Freiheitsgrade im Mittel aufnehmen. Diese sind beim Molekül die Vibrations- und Rotationsanregungen sowie die Geschwindigkeitskomponenten. Die Energie ist jedoch selbst bei einer ausgeglichenen Temperatur mikroskopisch gesehen nicht gleichverteilt, sondern überlagert sich ständig zu zufälligen Fluktuationen gemäß der Boltzmann-Statistik. Wendet man den Temperaturbegriff auf einzelne Moleküle an, so findet man eine ganz bestimmte Menge Moleküle, die selbst im kalten Treibhausgas wärmer gegenüber der Erdoberfläche sind und ihre Energie dorthin abstrahlen können. Im ständigen Wechselspiel der thermischen Fluktuationen geben auch kältere Moleküle Energie an wärmere Materie weiter. Dabei kommt entgegen dem Temperaturgradienten ein Energiestrom von 169 W/m² von der Atmosphäre zur Erdoberfläche zustande. Der II. Hauptsatz der Thermodynamik verlangt dabei lediglich, dass der umgekehrte Fall überwiegen muss, so dass insgesamt mehr Energie von der warmen Erdoberfläche zu den kälteren Treibhausgasen transportiert wird. Gegenüber dem vollen Temperaturgefälle zum −270 °C kalten Weltall ist durch die Gegenstrahlung der Treibhausgase die effektive Kühlleistung deutlich reduziert, so dass sich im Gleichgewicht eine erhöhte Temperatur im Treibhaus Erde einstellt.

Geringe globale Erwärmung 
Die in der Öffentlichkeit diskutierte globale Klimaerwärmung von 1,5 °C oder 2 °C wirkt scheinbar harmlos gegenüber Wetterschwankungen. Entscheidend ist hier jedoch, ob sich negative und positive Schwankungen präzise die Waage halten. Bei einem andauernden positiven Ungleichgewicht werden große Mengen zusätzlicher Wärmeenergie dauerhaft in der Atmosphäre, in Ozeanen und bisher vereisten Regionen angesammelt, was folgenreiche Veränderungen mit sich bringt. Veranschaulicht werden kann das damit, dass bei einem globalen Temperaturunterschied von Minus 5 Grad Celsius die Stadt New York unter Eis begraben wäre und bei Plus 5 Grad unter Wasser läge, obwohl das einem Unterschied von gerade mal 2 % auf der absoluten Temperaturskala entspräche. Die erwartete mittlere globale Erwärmung ist dabei auch nicht gleichmäßig verteilt, sondern konzentriert sich zunächst auf Landmassen (in Europa etwa um den Faktor 2) und hohe Breitengrade und dort auch auf kalte Nächte (z. B. 6 °C bis 10 °C mittlerer Anstieg bei global nur 1,5 °C). Der abgemilderte Temperaturunterschied zwischen hohen und mittleren Breitengraden kann dabei die Antriebskraft bzw. die Stabilisierung der globalen Luftzirkulationen schwächen. Dadurch können Hoch- und Tiefdruckgebiete in Zukunft häufiger und länger an einem Ort verharren, was mehr extreme Wettersituationen und damit verbundene Naturkatastrophen verursacht. Außerdem wird die tropische Luftfeuchte weniger gut in höhere Breiten transportiert, wodurch sich die Wüstenzonen weiter ausdehnen können, etwa die Sahara in Richtung der Mittelmeerregion. → Siehe auch: Folgen der globalen Erwärmung.

Treibhauseffekt im Glashaus

Prinzip der Erwärmung 

Bei der Erwärmung eines Gewächshauses bzw. Treibhauses aus Glas spielen zum Teil andere physikalische Effekte eine Rolle wie beim atmosphärischen Treibhauseffekt, während einige grundlegenden Mechanismen identisch sind. In beiden Fällen kann Sonnenstrahlung in das System eindringen und Materie im Inneren erwärmen. Die umgesetzte Wärme verteilt sich jeweils im System durch Infrarotstrahlung und durch Konvektion der erwärmten Luft. Die Systemgrenze wird im einen Fall durch eine Glasscheibe klar definiert, welche aufsteigende Warmluft im Inneren gefangen hält. Im anderen Fall stellt das Gravitationsfeld der Erde für die Atmosphäre eine ähnliche Grenze zum äußeren Weltall dar, die nicht von Luftströmungen überwunden werden kann. Aufsteigende Thermik kann jedoch an einem Teil der Treibhausgase vorbei strömen und etwas Wärme in höhere Luftschichten mitnehmen, von wo die Barriere ins Weltall kleiner ist.

Wärmeverlust und Regulierung 
Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Systemen zeigt sich beim Wärmeverlust, der für die Regulierung und Begrenzung der Temperatur entscheidend ist. Im Glashaus sorgen Wärmestrahlung, Wärmekonvektion und Wärmediffusion nach einer gewissen Zeit auch für eine Erwärmung der Glaswände. Diese leiten die innen erzeugte Wärme an die äußere Umgebungsluft weiter. Die Wärmeleitfähigkeit durch Glas oder eine Folie ist jedoch sehr klein, so dass sich ein Temperaturgefälle nach außen aufbauen kann. Die innere Temperatur und das Gefälle wachsen dabei so weit an, bis sich ein Gleichgewicht einstellt, bei dem genauso viel Wärme durch die Wand diffundiert, wie im Inneren durch das Sonnenlicht permanent neu hinzukommt.

Ganz anders sieht es beim atmosphärischen Treibhauseffekt aus. Durch das Vakuum des Weltalls ist die Atmosphäre gegen Diffusion vollständig isoliert wie bei einer Thermoskanne. Die Temperatur reguliert sich dort ausschließlich über den Wärmeverlust durch abgegebene Wärmestrahlung. Treibhausgase behindern diese Abstrahlung und sorgen so für ein höheres Temperaturgleichgewicht. Im Glashaus wird der Wärmeverlust durch Wärmestrahlung weitgehend unterbunden wenn normales Fensterglas verwendet wird, das im mittleren und fernen Infrarotbereich größtenteils undurchlässig ist. Bei anderen Materialien, wie beispielsweise Polyethylen, kann Wärmestrahlung auch direkt nach außen gelangen.

Anwendungen 
Neben der Nutzung des Effekts in Unterglaskulturen und Treibhäusern wird über die passive Sonnennutzung auch in der Architektur Heizenergie eingespart. Durch eine Südausrichtung großer Glasfronten und Wintergärten wird die Baumasse des Gebäudes durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Insbesondere bei gut gedämmten Niedrigenergie- und Passivhäusern ist mittags sogar eine Verschattung der Glasflächen nötig, damit die Gebäude nicht überhitzen. Auch in einem in der Sonne geparkten Auto tritt diese Wirkung auf.

Umgekehrter Treibhauseffekt 
Es gibt auch einen umgekehrten Treibhauseffekt, der zur passiven Kühlung genutzt werden kann. Zur Demonstration haben Forscher ein geschlossenes System mit einem speziell beschaffenen Fenster hergestellt. Dieses ist vor direkter Sonnenstrahlung geschützt und undurchlässig für den Großteil des Spektrums, während es in einem speziellen Infrarot-Wellenlängenbereich (8–13 μm) für Strahlung transparent ist. Dieser Bereich ist auf eine Lücke im Absorptionsspektrum der Atmosphäre abgestimmt, wodurch Materie im Inneren ihre Wärme direkt ins Weltall abstrahlen kann. Die Forscher erreichten damit eine Temperatur, die im Tagesdurchschnitt 37 °C unter der Temperatur der Umgebungsluft lag, allein durch passive Kühlung aufgrund der Wärmeabstrahlung. Voraussetzung für den Effekt ist ein weitgehend wolkenloser Himmel und keine zu hohe Luftfeuchte.

Literatur 
 Raymond Pierrehumbert (2010). Principles of Planetary Climate. Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/CBO9780511780783
 Christian-Dietrich Schönwiese: Klimatologie. 4., überarbeitete und aktualisierte Auflage. UTB, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8252-3900-8.

Weblinks 

 Website des IPCC und dessen Publikationen und Daten u. a. der Vierte Sachstandsbericht (IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007 (AR4)) (englisch)
 Wie funktioniert der Treibhauseffekt? in Rubrik "Kommunikation" des Max-Planck-Instituts für Meteorologie
 Modellversuch zur Demonstration des Treibhauseffekts
 Bad Meteorology: The Greenhouse Effect, räumt mit populären Vorstellungen des „Treibhauses“ auf (englisch)
 Stellungnahme der Deutschen Meteorologischen Gesellschaft zu den Grundlagen des Treibhauseffektes; PDF-Datei; 1999 (43 kB) (Übersicht der DMG-Stellungnahmen)
 Webseite klimafakten.de liefert Basiswissen und kontert falsche Behauptungen über den anthropogenen Treibhauseffekt

Vorträge (Youtube, englisch)

 University of Queensland (UQx), Denial101x Making Sense of Climate Science Denial: Vortrag 3.3.1.1: The greenhouse effect
 University of Queensland (UQx), Denial101x Making Sense of Climate Science Denial: Vortrag 3.3.2.1: Increasing greenhouse effect
 David Archer: Lecture 5: The greenhouse effect

Einzelnachweise 

Klimawandel (globale Erwärmung)
Atmosphäre
Thermodynamik
Physikalischer Effekt
Wikipedia:Artikel mit Video