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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)
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
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)
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
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.
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