Der Treibhauseffekt

Der Treibhauseffekt der Erdatmosphäre funktioniert im Prinzip ähnlich wie bei einem Treibhaus aus Glas. Die Sonnenstrahlen kommen leicht hinein, die Wärme aber wesentlich schwerer hinaus.

Um das genauer zu verstehen, ist es wichtig zwei physikalische Eigenschaften zu kennen. Das eine ist, dass Lichtstrahlen, ob sichtbar oder nicht, zum Teil Wellen sind, die sich im Weltall und in der Luft mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, und sich durch ihre Wellenlänge unterscheiden lassen. Bei einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 800 nm können wir die Strahlen sehen. Sind die Wellenlänge kurzer spricht man von UV-Licht, sind die Wellenlängen länger als 800 nm sind es Infrarotstrahlen. Je nach Wellenlänge unterscheiden sich auch die physikalischen Eigenschaften, wie etwa der Brechungswinkel. Das ist der Grund warum wir einen Regenbogen sehen, wenn es regnet und gleichzeitig die Sonne scheint – das weiße Licht der Sonne wird in seine Bestandteile je nach Wellenlänge, sprich Farbe, aufgeteilt. Aber es unterscheidet sich je nach Wellenlänge auch, ob ein Molekül Lichtstrahlen durchlässt oder absorbiert.

Glas ist beispielsweise für sichtbares Licht durchsichtig, aber nicht für UV-Strahlen und Infrarotstrahlen. Ähnlich verhält es sich mit Gasen in unserer Atmosphäre, wobei jede Art von Molekülen andere Bereiche der Wellenlängen des Lichtes durchlässt oder absorbiert.

Als zweites muss man wissen, welche Eigenschaften physikalisch gesehen sogenannte schwarze Körper haben. Jeder Körper, der nicht leuchtet, ist ein schwarzer Körper. Die Erde, Glühbirnen und die Sonne sind solche schwarzen Körper, ebenso wie sie und ich. Die Sonne leuchtet nämlich nicht, das tun LED-Leuchten und Glühwürmer.

Die Sonne strahlt ebenso wie Glühbirnen, die Erde und der Mensch nur in Funktion ihrer Temperatur. Dabei sind die Wellenlängen und die jeweiligen Intensitäten der Strahlung von der Temperatur des jeweiligen Körpers abhängig. Je wärmer ein Gegenstand ist, umso intensiver strahlt er und je weiter verschiebt sich das Intensitätsmaximum von Infrarotstrahlen hin zu kurzwelligerem sichtbaren Licht bis schließlich sogar in den UV-Bereich.

In der ersten Grafik ist einmal die solare Strahlung zu erkennen, die ihr Intensitätsmaximum im Bereich von 400 nm bis 600 nm hat und unter dieser Kurve sieht man die Intensitäten der einzelnen Wellenlängen, die auf der Erdoberfläche ankommen. Die Differenz wird von den Molekülen der Atmosphäre absorbiert oder reflektiert. Dabei sind auch die Molekülarten aufgeführt, die für die Absorption einzelner Wellenlängenbereich hauptverantwortlich sind.

Interessant ist es, das Licht der Sonne außerhalb der Atmosphäre zu messen, da sich so sehr präzise die Temperatur der Sonnenoberfläche messen lässt und außerdem fehlen einzelne Wellenlängen in der hier idealisierten Kennlinie. Das liegt daran, dass auch in der Sonnenatmosphäre Moleküle sind, die einzelne Wellenlängen absorbieren. Da dies physikalische Eigenschaften einzelner Stoffarten sind, lässt sich leicht sagen, welche Stoffe und in welcher Konzentration diese in der Atmosphäre der Sonne sind, ohne dorthin zu müssen. Die Absorption von Licht ist wie ein Fingerabdruck, den die Moleküle im Licht hinterlassen.

Aber was hat das jetzt mit dem Treibhauseffekt zu tun? Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von rund 6 000 Kelvin und das Strahlungsmaximum ist für uns im sichtbaren Bereich des Lichtes, wie in der folgenden Grafik zu erkennen. Das ist kein Wunder, denn unsere Augen haben sich daraufhin optimiert. Der Draht einer Glühbirne wird etwa 3 000 Kelvin warm und strahlt auch zu einem gewissen Teil sichtbares Licht aus, vor allem aber weit weniger UV-Strahlen als die Sonne, dafür aber mehr Infrarotstrahlen, deshalb haben die Glühbirnen auch so einen geringen Wirkungsgrad. Ein Stahlträger, der eben gegossen wurde und gewalzt wird hat etwa 1 100 Kelvin und strahlt rotes Licht aus, da kaum noch Wellenlängen von 400 nm (violett) vorhanden sind. Wenn sie neben einem solchen glühenden Strahlträger stehen, werden sie vor allem die Infrarotstrahlen spüren, die er ausstrahlt.

Auch die Erde strahlt, aber auf einem Temperaturniveau von etwa 300 Kelvin. Für uns sichtbares Licht ist darin nicht zu erkennen, die Strahlung erfolgt ausschließlich im Infrarotbereich.

Wenn sie nun eine Wärmebildkamera haben und Menschen filmen, dann können sie diese als rote Fläche sehen, weil der Hintergrund kälter ist und deshalb mit einer längeren Wellenlänge strahlt. Die Wärmebildkamera macht nichts anderes, als die für uns unsichtbare Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) sichtbar. Wenn nun die gefilmte Person sich hinter eine Glasscheibe stellt, wird sie für die Wärmebildkamera unsichtbar, obwohl sie die Person noch immer mit dem bloßen Auge sehen können. Das Glas ist eben nur für die für uns sichtbaren Wellenlängen durchsichtig und für die anderen nicht.

Für Ozon, Sauerstoff, Wasser, CO₂ und Methan gilt dies in ähnlicher Weise, aber für jeweils unterschiedliche Wellenlängen.

Die eher kurzwelligen Sonnenstrahlen gelangen leicht auf die Erdoberfläche, wo sie von der Erde absorbiert, also in Wärme umgewandelt werden, und dann als langwellige Infrarotstrahlung zurück gestrahlt werden. Dabei können diese Infrarotstrahlen die Atmosphäre nicht mehr so leicht durchdringen, sondern werden immer wieder absorbiert und teilweise zurückgestrahlt.

Besonders im langwelligen Infrarotbereich sind Wasser, CO₂ und Methan für die Absorption wirksam. In welchem Maße die einzelnen Stoffe für den Treibhauseffekt verantwortlich sind, lässt sich ermitteln, wenn die Wellenlängenintensitäten der Erde oberhalb der Erdatmosphäre untersucht werden. Denn hier hinterlassen die einzelnen Stoffe ihren Fingerabdruck. Deshalb kann auch von dem natürlichen und dem menschgemachten Treibhauseffekt gesprochen werden.

Der Treibhauseffekt an sich ist für uns aber sehr wichtig, da es ohne ihn viel zu kalt hier wäre, damit wir leben könnten. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Durchschnittstemperatur auf der Erde ohne den Treibhauseffekt bei etwa -19°C liegen würde.