SG_LogoDas ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video.

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Sternengeschichten Folge 241: Der Treibhauseffekt

Den Treibhauseffekt kennen wir heute vor allem aus der Berichterstattung über den menschengemachten Klimawandel. Es handelt sich dabei aber ganz allgemein um ein wichtiges Phänomen wenn man verstehen will, wie ein Planet funktioniert. Wenn die Astronomen zum Beispiel irgendwo bei einem anderen Stern einen Planeten entdeckt der sich in der sogenannten “habitablen Zone” befindet, dann wird in den Medien oft behauptet es handle sich dabei auch um einen Planeten auf dem lebensfreundliche Bedingungen herrschen. Aber das ist eine Aussage die man nicht treffen kann. Zumindest nicht, ohne sich mit dem Treibhauseffekt zu beschäftigen.

In manchen Treibhäusern ist es schöner als in anderen (Bild: gemeinfrei)

In manchen Treibhäusern ist es schöner als in anderen (Bild: gemeinfrei)

Die grundlegenden Prinzipien kennen wir schon lange. 1824 hat der französische Mathematiker Joseph Fourier die entsprechenden Mechanismen das erste Mal wissenschaftlich beschrieben. 1896 hat der schwedische Chemiker und Nobelpreisträger Svante Arrhenius das ganze auch quantitativ beschrieben und die Rolle von Kohlendioxid als Treibhausgas entdeckt. Und seit den 1960er Jahren wird der Treibhauseffekt überall auf der Erde systematisch gemessen und erforscht. Bevor ich jetzt aber erkläre um was es sich dabei handelt noch eine kleine Anmerkung: Der Treibhauseffekt um den es hier geht hat nur bedingt mit dem zu tun was in einem Treibhaus stattfindet das manche im Garten stehen haben. Das, was die Tomaten und Pflanzen im Gewächshaus warm hält nennt man “Glashauseffekt” und liegt vor allem daran dass da tatsächlich ein Dach aus Glas ist durch das Licht einfallen und die Luft darunter erwärmen kann, die aber dank des Daches dann nicht mehr mit der kalten Luft draußen in Kontakt treten und abkühlen kann. Unsere Erde hat aber kein Dach aus Glas. Der Treibhauseffekt funktioniert anders – und zwar so:

Die Erde liegt in der habitablen Zone des Sonnensystems; das bedeutet das sie genau den richtigen Abstand zur Sonne hat so dass es bei uns nicht zu kalt und nicht zu warm ist so dass im Prinzip flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche existieren könnte. Aber “könnte” heißt eben nicht dass es auch zwingend vorhanden ist. Wir können recht gut messen, wie viel Energie der Sonne bei uns in etwa 150 Millionen Kilometer Entfernung ankommt. Der offizielle Wert dieser “Solarkonstante” beträgt 1367 Watt pro Quadratmeter, obwohl er natürlich nicht wirklich konstant ist sondern immer ein klein wenig schwankt.

Diese Energie trifft auf die Erde und erwärmt sie. Ein erwärmter Körper gibt seine Wärme aber auch wieder ab und das gilt auch für die Erde. Auch diese Menge an abgegebener Wärme kann man leicht berechnen. Setzt man die Menge der von der Sonne empfangenen Energie mit der Menge der von der Erde abgestrahlten Energie gleich, dann erhält man die sogenannte , also die Temperatur die sich nach einiger Zeit von selbst einstellt. Bei der Erde kommen wir dabei auf einen Wert von 5 Grad Celsius. Berücksichtigt man in der Berechnung dass ein Teil der Sonnenenergie von der Erdoberfläche direkt reflektiert wird ohne zu ihrer Aufwärmung beizutragen, dann beträgt die Gleichgewichtstemperatur der Erde sogar nur -18 Grad Celsius. Mit so einer niedrigen Durchschnittstemperatur wäre die Erde alles andere als lebensfreundlich. Sie wäre komplett gefroren und Leben wie wir es kennen gäbe es nicht.

Und tatsächlich ist es ja auch deutlich wärmer bei uns – was daran liegt das wir in der Berechnung die Atmosphäre der Erde nicht berücksichtigt haben. Und den Treibhauseffekt! Kurz und knapp erklärt funktioniert der so: Die Sonne strahlt Energie auf die Erde. Die meiste Energie erreicht uns dabei bei einer Wellenlänge von um die 500 Nanometer, also eigentlich grünem Licht (aber weil die anderen Anteile dazu gemischt werden erscheint das Sonnenlicht uns trotzdem nicht grün sondern weiß). Die Lufthülle der Erde ist durchlässig für dieses Licht weswegen es auch bis zu uns auf den Erdboden gelangen kann. Dort wird es von all dem absorbiert was da so rumliegt, rumsteht, rumwächst oder rumläuft. Dadurch erwärmt sich auch alles und alles gibt diese Wärme wieder ab. So weit ist alles noch recht simpel – aber jetzt kommt der wichtige Teil!

Die Strahlung die die erwärmte Erde wieder abgibt ist nicht die gleiche Strahlung die sie aufgenommen hat. Bei welcher Wellenlänge ein Objekt seine meiste Energie abstrahlt hängt von seiner Temperatur ab. Das nennt sich das “Wiensche Verschiebungsgesetz” und es sagt uns, dass die knapp 6000 Grad heiße Sonnenoberfläche ihr Maximum eben im grünen Licht hat. Die Erdoberfläche wird aber – zum Glück! – nicht bis auf 6000 Grad aufgewärmt; die Temperaturen liegen deutlich tiefer. Und deswegen gibt sie die Energie auch vorrangig im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums ab.

Und jetzt kommt wieder die Atmosphäre der Erde ins Spiel. Für das Licht der Sonne ist sie durchlässig. Für die langwelligere Infrarotstrahlung aber nicht mehr so gut! Das ist der Treibhauseffekt: Die Erde kann nicht die gesamte Energie die sie von der Sonne erhält wieder abgeben; die Lufthülle hält einen Teil zurück und der sorgt dafür, dass die Erde wärmer ist als sie es laut der Berechnung der Gleichgewichtstemperatur sein sollte.

Verteilung des Wasserdampfs in der Erdatmosphäre (Bild: NASA, Public Domain)

Verteilung des Wasserdampfs in der Erdatmosphäre (Bild: NASA, Public Domain)

Aber warum macht sie das? Wie kriegt die Atmosphäre das hin? Warum geht normales Sonnenlicht durch; Infrarotstrahlung aber nicht? Dazu müssen wir einen Blick auf die Bestandteile der Atmosphäre und die Eigenschaften dieser chemischen Stoffe werfen. Die Atmosphäre besteht zu knapp 78 Prozent aus Stickstoff und zu etwa 21 Prozent aus Sauerstoff. Dann gibt es aber auch noch jede Menge Gase in sehr geringen Mengen: Wasserdampf zum Beispiel, und auch Kohlendioxid, Methan und Ozon. Die machen insgesamt nicht mal 1 Prozent der Erdatmosphäre aus, spielen aber trotzdem eine enorm wichtige Rolle. Denn es handelt sich um Treibhausgase, also genau die Stoffe die für den Treibhauseffekt verantwortlich sind.

Die Kohlendioxid-Moleküle, die Methan-Moleküle und all die anderen Moleküle der Treibhausgase absorbieren die Energie die von der aufgewärmten Erde abgegeben wird. Und auch die Moleküle geben die aufgenommene Energie wieder ab. Und zwar in alle Richtungen – ein Teil geht hinaus ins All, ein Teil aber eben auch wieder zurück zur Erde wo er zum Treibhauseffekt beiträgt. Welche Art von Strahlung ein Molekül absorbieren kann hängt von seiner Struktur ab. Je nachdem wie komplex diese Struktur ist kann ein Molekül auf unterschiedliche Arten schwingen. Jeder Schwingungszustand entspricht einer anderen Energie und ein Molekül kann Energie nur aufnehmen oder abgeben, wenn die Energie genau zu seinen Schwingungszuständen passt. Es passen quasi nur Energiepakete einer gewissen Größe ins Molekül hinein; es kann nicht einfach irgendwelche beliebige Mengen aufnehmen.

Die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle nehmen die von der Erde abgegebene Infrarotstrahlung nicht auf, die Moleküle der Treibhausgase allerdings schon! Der Wasserdampf ist dabei das stärkste Treibhausgas und für 40 bis 70 Prozent des Treibhauseffekts verantwortlich (genau kann man es nicht sagen, da die Menge an Treibhausgasen je nach Region, Tageszeit und Jahreszeit schwankt). Dann folgt schon das Kohlendioxid mit einem Beitrag von 10 bis 30 Prozent und Methan und Ozon, die jeweils zwischen 4 und 10 Prozent beitragen können. Es gibt noch einen Schwung anderer Treibhausgase, die aber nur eine sehr geringe Rolle spielen.

Der Wasserdampf in der Atmosphäre ist übrigens auch ein Grund warum Astronomen ihre Teleskope nach Möglichkeit möglichst hoch oben und möglichst in Wüstengebieten aufstellen. Je weniger Wasserdampf zwischen ihnen und dem Weltall ist, desto mehr Infrarotstrahlung aus dem All kann das Teleskop erreichen. Für umfassende Infrarotastronomie muss man zwar immer noch ins Weltall ausweichen und Weltraumteleskope benutzen, aber bestimmte Bereiche kann man unter den richtigen Bedingungen auch von der Erde aus sehen.

Durchlässigkeit der Erdatmosphäre (Bild: Public Domain

Durchlässigkeit der Erdatmosphäre (Bild: Public Domain

Der natürliche Treibhauseffekt hat dafür gesorgt dass die Erde die lebensfreundlichen Temperaturen hat, die sie hat. Es gibt immer eine kleine Menge an natürlich entstandenen Kohlendioxid. Das auf der Erde vorhandene Wasser kann sich teilweise als Wasserdampf in der Atmosphäre aufhalten und alles zusammen macht die Erde warm genug. Damit haben wir großes Glück gehabt und wie groß es ist zeigt ein Blick auf unsere Nachbarn. Auch Mars und Venus befinden sich theoretisch in der habitablen Zone der Sonne. Der Mars ist aber eine eiskalte Wüste und bei ihm stimmt die Gleichgewichtstemperatur fast exakt mit der tatsächlichen Temperatur überein. Denn er hat so gut wie keine Atmosphäre und damit auch keinen Treibhauseffekt.

Bei der Venus ist es anders. Dort sehen wir, wohin ein außer Kontrolle geratener Treibhauseffekt führen kann. Auch dort gab es früher flüssiges Wasser aber weil die Venus der Sonne näher ist als die Erde und es deswegen dort wärmer ist, ist es ziemlich schnell fast komplett als Wasserdampf in ihrer Atmosphäre verschwunden. Laut Gleichgewichtstemperatur sollte es auf der Venus im Durchschnitt 50 Grad haben. Ziemlich heiß also aber noch nicht komplett lebensfeindlich. Tatsächlich liegt die Temperatur auf der Venus aber bei 470 Grad Celsius! Und das liegt allein an der gewaltigen Menge an Treibhausgasen in ihrer Atmosphäre.

Der natürliche Treibhauseffekt hat die Erde bewohnbar gemacht. Der menschengemachte Treibhauseffekt den wir mit unseren Kohlendioxid-Emissionen in den letzten 150 Jahren verursacht haben und immer noch in großem Maßstab verursachen ist aber auf gutem Weg das natürliche Gleichgewicht komplett durcheinander zu bringen.

Kommentare (22)

  1. #1 Limpi
    7. Juli 2017

    Ich glaub da fehlt ein Wort?

    “Setzt man die Menge der von der Sonne empfangenen Energie mit der Menge der von der Erde abgestrahlten Energie gleich, dann erhält man die sogenannte , also die Temperatur die sich nach einiger Zeit von selbst einstellt.”

  2. #2 Alderamin
    7. Juli 2017

    @Limpi

    Gleichgewichtstemperatur?

  3. #3 Wizzy
    7. Juli 2017

    Schöner Artikel. Allerdings sollte die Venus-Gleichgewichtstemperatur (unter Berücksichtigung ihrer empirisch gemessenen Albedo*) eher -50°C betragen:
    https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/venusfact.html
    Black-body temperature (K) Venus 226.6 Earth 254.0

    *Diese Berechnung ist natürlich artifiziell, aber eine Albedo von 0 anzunehmen wäre eher noch willkürlicher; man findet in der Fachliteratur daher überwiegend Berechnungen mit Albedo.

  4. #4 Alderamin
    7. Juli 2017

    @Florian

    Auch dort gab es früher flüssiges Wasser aber weil die Venus der Sonne näher ist als die Erde und es deswegen dort wärmer ist, ist es ziemlich schnell fast komplett als Wasserdampf in ihrer Atmosphäre verschwunden.

    Möglicherweise hat dies recht lange gedauert.

    Two recent results illustrate this ambiguity. Some colleagues and I have modeled the history of Venus with an eye toward understanding the inner edge of habitability. We used a 3D climate model to simulate billions of years of evolution under the warming Sun and, when we included the complex interplay of clouds, topography, planetary rotation, and atmospheric motions, we learned something unexpected: As the Sun warms and the oceans evaporate, the clouds arrange themselves to keep the planet cool and slow down the loss of oceans. Thus, although the oceans of Venus became unstable early in its history, the process of actually losing them to space likely took billions of years. Venus, while outside the habitable zone, might have been habitable for much of its lifetime.

  5. #5 Limpi
    7. Juli 2017

    Diese gesamte Klima-Serie ist eine sehr gute Idee! Danke schon mal für die ganze Mühe. Wird in Zukunft definitiv eine Linksammlung sein die ich an diverse Leute herum schicken werde die Aufklärungsbedarf haben!

    Wenn man auf youtube nach “What Would have Happened to the Ozone Layer” sucht, findet man ein Video von EarthDirect welches die Ozonschicht simuliert und die weitere Entwicklung “mit” und “ohne” Montreal Protocol vergleicht.

    Mich würde interessieren ob es eine solche Visualisierung auch für CO2 gibt, beginnend vor 150 Jahren: ein Vergleich zwischen natürlichen CO2 Ausstoß (quasi “was wäre wenn Menschen niemals fossile Resourcen entdeckt hätten und eine Industrialisierung nie stattgefunden hätte) und dem Verlauf so wie wir ihn seit dem beobachten.

    Generell habe ich den Eindruck dass viele Zweifler einfach mal “sehen” müssten wie Atmosphärenzusammensetzung, globale Temperatur, usw. heute aussehen würden, wenn der Mensch vor 150 Jahren einfach “stehen geblieben” wäre und alles genauso weiter verlaufen wäre.

    Die Daten gibt es ja sicher bzw. man müsste dann den menschlichen Einfluss abschätzen und entsprechende Simulationen gestalten.

    Ich glaube das würde einigen die Augen öffnen: schau her “Erde 2017 ohne menschengemachten Klimawandel”.

    Bei Rauchern hilft ja auch der optische Vergleich “gesunde Lunge” vs “Raucherlunge” – eventuell versteht dann auch der letzte Zweifler den Unterschied bzgl Klimawandel.

  6. #6 Ambi Valent
    7. Juli 2017

    @Alderamin
    Es wäre interessant zu wissen, ob und wieviel Wasser die Venusatmosphäre aus Vulkanen bezieht. Käme nämlich keins dazu, würde der Wasserdampf in der Atmosphäre im Laufe der Zeit in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten, wobei letzterer dann ins Weltall entkommt. Dann wäre im Lauf der Zeit immer weniger Wasserdampf in der Atmosphäre.

  7. #7 Wizzy
    7. Juli 2017

    @Ambi Valent
    Der Wasserverlust ist definitiv wesentlich höher als mögliche Quellen, da man ein sehr hohes Deuterium-H-Verhältnis im Wasserdampf der Venus nachgewiesen hat. Da Deuterium etwas weniger leicht in den Weltraum verdampft als Wasserstoff, muss sehr viel Wasserstoff in den Weltraum entkommen sein. Modelle weisen dabei gigantische verlorene Wassermengen aus; empirisch ist das zwar nicht so weit eingegrenzt wie im Modell, aber plausibel.
    @Limpi
    Temperatur- und Sea-Ice-Anomalien wie in NASA-GISS online einsehbar stellen ganz genau den Unterschied dar zwischen Erde ohne menschlichem Einfluss und Erde mit diesem.

  8. #8 Alderamin
    7. Juli 2017

    @Wizzy

    Danke, den erhöhten Deuteriumanteil wollte ich auch anführen. Außerdem ist bis jetzt nicht einmal sicher, ob Venus überhaupt Vulkanismus hat (es scheint allerdings nach neuesten Beobachtungen welchen zu geben). Plattentektonik hat sie definitiv nicht.

  9. #9 Wizzy
    7. Juli 2017

    @Alderamin
    Sie hat mit relativer Sicherheit seltenen Supervulkanismus, die “global resurfacing events” von denen zumindest eines vor 0,3 Mia Jahren auftrat und etwa 97% der Oberfläche mit Lava bedeckte, “followed by a dramatic reduction of volcanism and tectonism”.

  10. #10 Wizzy
    7. Juli 2017

    @Alderamin
    Wahrscheinlich nur der 3. Weltkrieg der Venusianer 😉

  11. #11 Alderamin
    7. Juli 2017

    @Wizzy

    Yep, weiß ich.

  12. #12 Stephan
    7. Juli 2017

    #5 Limpi
    suchstest Du dieses hier ?

    http://www.climate-energy-college.org/spiral/

  13. #13 Artur57
    8. Juli 2017

    Sehr gut, dass das einmal gesagt wurde. Denn tatsächlich ist der zugrunde liegende Effekt kaum bekannt und genau da setzen dann diese Klimaskeptiker an. Übrigens das Glas im Treibhaus wirkt genau wie die Klimagase: es lässt Sonnenlicht durch, das reflektierte infrarote aber nicht.

  14. […] Transkription der 10 Minuten kurzen Podcast Folge wurde in seinem Blog astrodicticum-simplex […]

  15. #15 Stephan
    8. Juli 2017

    nein !
    das Glashsus heizt sich auf, weil das Glas einen Austausch der erhitzten Luft mit der Außenwelt verhindert.

  16. #16 Bernhard Schmalhofer
    München
    8. Juli 2017

    Die Erde kann nicht die gesamte Energie die sie von der Sonne erhält wieder abgeben; die Lufthülle hält einen Teil zurück und der sorgt dafür, dass die Erde wärmer ist als sie es laut der Berechnung der Gleichgewichtstemperatur sein sollte.

    Die Erklärung des Treibhauseffektes finde ich ein bisschen kurz gegriffen. Wenn sich die Atmosphäre nicht gerade, z.B. durch Verbrennen von Kohle, ändert, dann ist das System im Gleichgewicht. Sowohl die Erdoberfläche als auch die obere Atmosphäre nehmen genau soviel Energie auf wie sie wieder abgeben. Die Erdoberfläche ist im thermischen Gleichgewicht mit der unteren Atmosphäre. Die von der Erdoberfläche abgegeben Infrarotstrahlung wird von der unteren Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Mit zunehmender Höhe sinkt die Temperatur der Luftschichten. In der Höhe in der die IR-Strahlung tatsächlich in den Weltraum entfleucht herrscht dann tatsächlich die angesprochene Gleichgewichtstemperatur.

    Was passiert wenn der Anteil der Treibhausgase steigt? Die IR-Strahlung entfleucht erst in einer größeren Höhe in den Weltraum. Dort ist es aber kälter. Also wird weniger Energie abgestrahlt als absorbiert wird. Somit wird die obere Atmosphäre wärmer. Diese Erwärmung schlägt sich dann auf die untere Atmosphäre und die Erdoberfläche durch.

  17. #17 Captain E.
    8. Juli 2017

    Ich schätze, beide Ansichten sind nicht falsch. Wenn das Glashaus im selben Maße Infrarotstrahlung abgäbe wie es die sichtbare Strahlung aufnimmt, würde es sich ja nicht aufheizen.

  18. #18 Wizzy
    9. Juli 2017

    @Bernhard Schmalhofer
    Soweit richtig, aber ebenfalls ein Teil der Wahrheit: Der erwärmte Boden/Ozean kann direkt Wärme in den Weltraum abstrahlen über die atmosphärischen Fenster. Diese werden durch mehr CO2 etwas geschlossener (an den Rändern der Absorptionsbanden), so dass die Oberflächentemperatur – für diesen Aspekt des Strahlungshaushaltes betrachtet – ebenfalls steigen muss für ein neues Gleichgewicht.

  19. #19 Bernhard Schmalhofer
    München
    9. Juli 2017

    @Wizzy
    Danke für die Info. Ich finde genau diese Feinheiten das Interessante an der Klimaforschung. Das grobe Bild ist ja ganz einfach. Im Detail gibt es dann immer Effekte und Rückkoppelung auf die man nicht auf Anhieb kommt.

  20. #20 Karl Mistelberger
    9. Juli 2017

    > Der menschengemachte Treibhauseffekt den wir mit unseren Kohlendioxid-Emissionen in den letzten 150 Jahren verursacht haben und immer noch in großem Maßstab verursachen ist aber auf gutem Weg das natürliche Gleichgewicht komplett durcheinander zu bringen.

    Die ultimative Übersicht zum Thema: The Carbon Dioxide Greenhouse Effect aus The Discovery of Global Warming

  21. #21 Ambi Valent
    9. Juli 2017

    Auch wenn ab heute keine neuen Treibhausgase in die Atmosphäre kämen, würde die Temperatur erst einmal noch etwas steigen, bis sie ein Gleichgewicht erreicht hätte, vielleicht ein halbes Grad Celsius. Das klingt nach wenig, ist aber schon 10% des Unterschieds zwischen Eiszeiten und den dazwischenliegenden Warmphasen.

    Und die Auswirkungen treten auch erst verzögert ein, so dass es noch länger dauert, bis das ganze System wieder im Gleichgewicht wäre.

    Eine Auswirkung, die sehr wahrscheinlich ist, ist das Abschmelzen des arktischen Meereises im Sommer – das Abschmelzen des Grönlandeises dagegen könnten wir noch bremsen und stoppen.

    https://sites.google.com/site/arctischepinguin/home/piomas
    https://sites.google.com/site/arcticseaicegraphs/

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