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Treibhauseffekt und Treibhausgase

Einleitung

Alle reden von treibhausgase, Treibhauseffekt und klimagasen. Leider geht dabei sehr oft der Physikalische Zusammenhang verloren. Zeit diesen mit diesem kleinen Zusammenhang nachzuholen.

Die Erde ohne Atmosphäre

Um den Treibhauseffekt messen zu können, braucht man erst einmal Daten wie hoch die Temperatur der Erde ohne diesen wäre. Als mathematisches Modell wird dazu der schwarze Strahler genutzt. Das ist ein idealisierter Körper, der die gesamte einfallende Strahlung (die im Wesentlichen nur von der Sonne stammt) absorbiert. Er erhitzt sich dadurch und gibt selbst Strahlung ab, deren Menge ist so, das ein Gleichgewicht zwischen absorbierter und emittierter Strahlung herrscht und das Strahlungsmaximum hängt von der Temperatur ab.

Der schwarze Strahler, oder schwarze Körper ist ein idealisiertes Modell, denn in Wirklichkeit haben selbst atmosphärenlose Himmelskörper einige Abweichungen von diesem Modell:

Wir sehen den Unterschied auch am Mond. An seiner Oberfläche Herzchen Temperaturen von +100 °C tagsüber im Mittel und -150°C in der Nacht. Das resultiert weil der Mond sehr langsam rotiert und auch das Gestein sehr viel Licht absorbiert, er ist also fast ein idealer schwarzer Körper. Bildet man den Mittelwert beider Temperaturextreme so kommt man auf -25 Grad Celsius, das ist fast die Temperatur die man erwarten würde, wenn die Erde ein einen schwarzen Strahler wäre: -18 °C.

Bei der praktischen Berechnung berücksichtigt man noch die Albedo, das ist der Anteil des reflektierten Lichtes. Ein schwarzer Strahler hat eine Albedo von 0. Die dunkelsten Materialen die wir auf der Erde kennen haben eine Albedo von 0,03. Frischer Neuschnee hat die höchste Albedo von 0,9. Dazwischen liegen alle Himmelskörper des Sonnensystems. Die Erde hat eine mittlere Albedo von 0,306. Sie setzt sich aus der der Meere zusammen (0,06), des Landes (Gestein 0.07-0.45 je nach Zusammensetzung, der Vegetation (0.1 bis 0,27) und der Wolken (bis zu 0.81) zusammen. Es gibt starke jahreszeitliche und regionale Schwankungen.

Das Emissionsspektrum der Erde

Die folgende Abbildung zeigt das mittlere Emissionsspektrum der Erde. Überlagert ist der theoretische Kurvenverlauf bei der zu erwartenden Temperatur. Zu dem Begriff "mittleres Emissionsspektrum" später mehr. Sehr deutlich wird, dass es zahlreiche Einbrüche gibt. Weiterhin ist es eine Kurve mit einem Maximum, jenseits dessen die Strahlung abfällt. Das hängt am Planckschen Strahlungsgesetzt. Das Maximum ist temperaturabhängig und kann nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz berechnet werden.

Die zweite Abbildung zeigt die theoretische Strahlung eines schwarzen Strahlers nach dem Planckschen Strahlungsgesetz für -20 °C (253 K), 0 Grad, 20 Grad und 40 Grad Celsius, also Temperaturen die auf der Erde vorkommen. Deutlich wird, das zum einen das Maximum immer höher wird, zum anderen es sich zu immer kürzeren Wellenlängen verschiebt.

Nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz gilt:

Strahlungsmaximum = 2897,8 Mikrometer / T

wobei T in Kelvin angegeben wird (Umrechnung aus Celsius: K = 273,15 + °C). Für 273 Kelvin erhält man so ein Strahlungsmaximum bei 10,6 Mikrometer. Über einer Wüste (40°C) sind es dann 9,3 Mikrometer und bei -20°C kaltem Eis liegt es bei 11,5 Mikrometern.

Emissionsspektrum ErdeZu dem Emissionsspektrum ist noch etwas zu erklären. Zum einen die Skala in dem für Spektren verwendeten Maßstab für die X-Achse. Es sind inverse Zentimeter. Im Wellenlängenbereich geht es von 400 cm-1 (25 µm) bis 1600 cm-1 (6 µm]. Das macht es aber einfacher es mit anderen gemessenen Spektren zu vergleichen welche dieselbe Skala haben.(Umrechnung: 0,01/ Zentimeterzahl = Wellenlänge(. Das zweite ist das es nicht das Emissionspektrum gibt sondern es täumlich variiert und man noch unterschiedliche Spektren erhält je nachdem ob man vom Erdboden ins All schaut oder vom Satelliten zum Erdboden (der blick von 20 km Höhe nach unten ist dazwischen). Dieses ist eines vom Satelliten aufgenommene vom Pazifik über dem Äquator. Man sieht einen starken Einbruch bei 600 bis 700 cm-1. Dieser wird vom Kohlendioxyd verursacht. Die darüber gezogenen Linien zeigen den theoretischen Verlauf bei verschiedenen Temperaturen an (vergleicht man das Spektrum mit dem für 300 K (+27 °C), so fällt auf das ab 700 cm-1 Wellenlänge die Abweichung sehr hoch, daneben noch einmal bei 1100 bis 1000 cm-1 und jenseits 1300 cm-1.

Das letzte Spektrum zeigt das vom Boden gemessene Emissionsspektrum wenn man nach oben ins All schaut. Auch wenn es ähnlich aussieht so gibt es doch Unterschiede und zwar auch zwischen zwei Meßstellen im Pazifik und Alaska. Die Abweichungen zum Spektrum aus dem All liegen daran, dass auch die Atmosphäre Strahlung abgibt, vom Boden aus sind die Einbrüche daher höher.  Der Kohlendioxideinbruch ist in Alaska viel größer als in den Tropen: Die Vegetation braucht Kohlendioxyd zum Wachsen und produziert Biomasse. Dafür gibt es weitere Einbrüche bei höheren Wellenzahlen, die unter anderem an dem Ozon in der höheren Atmosphäre liegen.

Die Einbrüche

Die Einbrüche  im Spektrum sind nun ein messbares Indiz für den Treibhauseffekt. Wo es einen Einbruch gibt die Strahlung geringer als man sie erwarten würde. Sie wird also von irgendetwas absorbiert. Wenn nun etwas Strahlung absorbiert, so erwärmt es sich und das ist der erwähnte Treibhauseffekt. Wie inzwischen allgemein bekannt ist sind dafür Treibhausgase verantwortlich. Die meisten kennen Kohlendioxid als einen der Verursacher, es gibt aber noch andere Gase die diesen Effekt haben. Doch die erste Frage die sich stellt, ist warum nur bestimmte Gase einen Treibhauseffekt haben und der zweite wie er entsteht.

Warum absorbieren Gase Energie?

Nun dazu muss man einen Ausflug in die kinetische Gastheorie machen. Ein Molekül, das aus mindestens zwei Atomen besteht, hat eine Bindung zwischen den beiden Atomen. Diese Bindung kann schwingen und zwar kann sich die Bindung verkürzen und verlängern, sie kann in jede der drei Raumrichtungen schwingen und rotieren in X und Y- Richtung. Allgemein hat ein n-atomiges Molekül 3N Freiheitsgrade also Möglichkeiten zu schwingen. Ist es linear aufgebaut so fällt eine Schwingung weg.

Diese Schwingungen werden durch Energie angeregt und eine Möglichkeit dem Molekül Energie zuzuführen ist Wärmestrahlung. Relevant für den Treibhauseffekt ist das nur polare und nicht lineare Moleküle durch die Strahlung die die Erde emittiert zur Vibration und Rotation gebracht werden können. Damit scheiden die drei Hauptbestandteile der Atmosphäre nämlich Stickstoff, Sauerstoff und Argon aus. Für den Treibhauseffekt sind Moleküle verantwortlich die mindestens drei Atome haben, wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan. Damit tragen die drei wichtigsten Moleküle nicht zum Treibhauseffekt bei. Stickstoff und Sauerstoff sind zweiatomige Moleküle, Argon ist ein einatomiges Molekül. Doch diese machen 99,96% der Atmosphäre aus. Der gesamte Treibhauseffekt wird nur von 0,04% der Gase verursacht!

Die Treibhausgase

H2ODas wichtigste Treibhausgas ist Wasserdampf. Seine Menge in der Atmosphäre ist allerdings stark abhängig von anderen Faktoren wie der Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Jahreszeit. Wasserdampf verursacht 40-80% (im Mittel 62%) des Treibhauseffektes. Der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre schwankt zwischen 0 und 4% des Gewichts der Atmosphäre. Wasser hat einen so hohen Treibhauseffekt weil es sehr häufig ist, es wird aber wegen der Variation der Konzentration nicht als Treibhausgas im eigentlichen Sinne geführt.

Wasser absorbiert die meiste Energie in einem Bereich in dem die Erde kaum Strahlung abgibt, es gibt zwei Absorptionsmaxima zwischen 2,5 und 5 µm Wellenlänge.

Als zweites Treibhausgas ist Kohlendioxid zu nennen, das zu 22% am Treibhauseffekt verantwortlich ist. Kohlendioxid ist anders als Wasser ein recht konstanter Faktor. Die Verweilzeit ist zwar auch schenkend zwischen 5 und 200 Jahren, aber dagegen kann der Wasserdampfgehalt innerhalb von Tagen schwanken. Kohlendioxid entsteht sowohl natürlich durch die Atmung aller Organismen (auch Pflanzen), zum andern durch Verbrennungen. Dadurch steigt der Kohlendioxidgehalt seit dem industriellen Zeitalter stetig an. Er lag damals im vorindustriellen Zeitalter bei 0,27 %, heute liegt er bei 0,39%. Wie man am Spektrum sieht, absorbiert Kohlendioxid an zwei Stellen sehr stark bei 2300 bis 2400 cm und bei 700 cm-1, das sind 4,2 und 14 µm.

CO2 SpektrumDer dritte Faktor, im Mittel für 9% des Treibhauseffektes verantwortlich, ist Methan. Methan ist noch mehr ein Spurengas als Kohlendioxid. Seine Konzentration ist stark variabel, weil es bei Gärungen in großer Menge entsteht. Dies ist der Fall bei Wiederkäuern (Rinder), aber auch Sumpfgebieten (Naßanbau von Reis). Methan wird durch UV-Strahlung schnell gespalten und hat nur eine kurze Verweilzeit in der Atmosphäre von 12 Jahren.

Kombiniert man die Spektren der drei häufigsten Treibhausgase so sieht man dass sie sich sehr gut ergänzen. Kohlendioxid und Methan absorbieren jeweils in Bereich in denen das Wasser noch viel Strahlung durchlässt.

Für die verbleibenden 7% des beobachteten Treibhauseffektes tragen alle anderen Gase bei, das sind z.B. Lachgas (N2O) das auch bei Gärungen entsteht oder die vom Menschen freigesetzten Fluorkohlenwasserstoffe. Dazu kommt bodennahes Ozon. Es entsteht durch UV-Strahlung aus Sauerstoff. In der höheren Atmosphäre emittiert es dagegen Strahlung uns sorgt so auch mit für den Unterschied zwischen Bodensicht und Satellitensicht.

Sieht man sich die Tabelle der Konzentrationen und des Treibhauseffektes an, so sieht man das die Gase nicht gleichwertig sind:

Treibhausgas Konzentration
(ppb)
anthropogene Emission
pro Jahr (Mt)
Anstieg pro Jahr Verweildauer Molekulare Treibhauspotenzial
Kohlendioxid 390.000 (278.000) 7000 0,5% 50-200 Jahre 1
Methan 1.800 (800) 300 (200-500) 0,9% 10 Jahre 21
FCKW 0,3 (0) 1 4% 65 Jahre 3500
F12 (CF2Cl2) 0,5 (0)     130 Jahre 7300
Lachgas 310 (290) 1-7 0,25% 100 Jahre 290
Bodennahes Ozon 30 1000 1% 1-3 Monate 2000

Der Wasserdampf ist hier weggelassen worden, weil er natürlich als Folge der Erwärmung vermehrt freigesetzt wird, das Wasser hat aber noch ein andere Sonderrolle inne, es ist das einzige dieser Gase das bei irdischen Temperaturen auskondensieren kann. Wolken beeinflussen das Klima auf vielfältige Weise, sie reflektieren an der Oberseite Strahlung und senken so die von der Erde aufgenommene Strahlung ab, andererseits reflektieren sie auch IR-Strahlung vom Boden - im Winter ist es bei klarem Himmel am kältesten.

Kombiniertes SpektrumDoch zurück zu den Treibhausgasen die der Mensch freisetzt oder zumindest verstärkt. Es gibt hier einige Parameter zu beachten. Das eine ist die Konzentration. Je höher diese ist, desto höher der Treibhauseffekt. Auf der anderen Seite wird eine menschliche Emission um so wirksamer sein, je kleiner die Konzentration ist, das sieht man bei den FCKW, die es vor dem Menschen nicht in der Atmosphäre gab. Ein zweiter Gesichtspunkt ist die Verweildauer. Der Mensch emittiert pro Jahr so viel Methan, dass sich der Gehalt um 15 bis 30% ändern sollte, doch da Methan sehr reaktiv ist, steigt er nur um 4%. Dagegen steigt er beim Kohlendioxid linear zu den Emissionen an. Besonders gravierend ist dies natürlich bei Fluorkohlenwasserstoffen, deren Konzentration rasch ansteigt und die 65 bis 130 Jahre in der Atmosphäre verbleiben. Sie sind auch besorgniserregend, weil das Treibhauspotenzial nicht bei allen Verbindungen gleich ist. Es gibt einige fluorierte Verbindungen die einen 17.000-mal höheren Treibhauseffekt als Kohlendioxid haben.

Der Verstärkungsfaktor ist schwer zu fassen. Es hängt davon ab wo die Substanz das infrarote Licht absorbiert, eine Substanz die vor allem Strahlung zwischen 9 und 11 Mikrometer Wellenlänge absorbiert (1000 cm-1), ist effektiver als eine die bei 5 (oder 15 Mikrometern (670 cm-1) absorbiert. Darüber hinaus absorbieren die Substanzen unterschiedlich viel, dies hängt vom chemischen Aufbau ab und damit wie leicht die Bindungen zum Schwingen angeregt werden. Fluorierte Verbindungen sind hier sehr potente Treibhausgase, so ist NF3, ein Gas das zur Herstellung von Flüssigkristallbildschirmen eingesetzt wir 17.000 mal potenter als Kohlendioxid.

Aus dieser Sicht entsprechen die 1 MT FCKW die der Mensch pro Jahr emittiert je nach Potenz 3500 bis 7300 MT Kohlendioxid, also fast so viel wie an Kohlendioxid emittiert wird. Es gibt jedoch einen gewissen Anhaltspunkt. Je größer ein Molekül ist, also je mehr Atome es umfasst, desto mehr Bindungen hat es und um so einfacher kann eine der der Bindungen Energie aufnehmen. Die Energie pro Bindung wird um so geringer (rückt ins länger wellige Infrarot) je geringer die Elektronegativitätsunterschiede zwischen den Atomen sind. So gesehen sind zahlreiche flüchtige Stoffe potente Treibhausgase wie Ethan, Propan und Butan oder leicht verdampfbare Flüssigkeiten wie Aceton oder Acetaldehyd. Doch spielen diese keine Rolle, weil sie sehr schnell durch die UV-Strahlung gespalten und dadurch aus der Atmosphäre entfernt werden.

Was nicht gegeben ist, ist eine 1:1 Beziehung, also das sich die globale Temperatur linear zur Konzentration eines Gases verändert. Dazu gibt es zu viele andere Einflussfaktoren wie die Absorption von Gasen in den Meeren oder der Biosphäre, Wasserströmungen, Wolkenbildung etc. Aber auch die Gase absorbieren nicht linear. Hat ein Gas in seinem Absorptionsbereich das ganze Licht absorbiert, dann steigt der Treibhauseffekt nicht an. Beispiele dafür sind auch an der Erde sichtbar. Man schätzt den Kohlendioxidgehalt der frühen Erdatmosphäre auf 1-10%, also 25 bis 250-mal mehr als heute. Die Temperaturen waren aber nicht um so viel höher.

Die Atmosphäre ändert sich

Betrachtet man das Phänomen geologisch, was nur zum Teil möglich ist, so sieht man das die Atmosphäre wie auch das Klima sich ändern. Einige sagen ja das Klima würde sich nicht durch die anthropogenen Emissionen ändern. Doch dem muss man wiedersprechen. Nicht nur in physikalischer Hinsicht, sondern auch weil wir durch Eisbohrkerne aus der Antarktis wissen wie die Kohlendioxid Konzentration in der Vergangenheit war, denn dieses Eis ist wirklich ewig. Dort eingeschlossen sind auch andere Luftmoleküle und da die Konzentration von einigen Isotopen temperaturabhängig ist konnte man so die Temperatur bestimmen. Heraus kamen diese beide Kurven:

CO2 VergangenheitTemperatur

Der Verlauf ist schon frappierend, auch wenn man keine 100% Übereinstimmung erwarten kann (sonst bräuchten wir keine Klimamodelle sondern könnten mit dem Taschenrechner den Klimaanstieg berechnen. Schaut man noch weiter zurück in die Vergangenheit so war es während der letzten 500 Millionen Jahre meistens wärmer als heute. Allerdings war auch der Kohlendioxid und Sauerstoffgehalt höher. Seit die Erde existiert sinkt der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre. Daher gab es als die Dinosaurier lebten keine vereisten Pole, im Carbonzeitalter war das Klima sogar weltweit subtropisch. Es wuchs so viel Vegetation, dass wir heute noch Hunderte von Meter dicke Flöze aus dem Kohlenstoff haben, die wir als Steinkohle heute abbauen.

Allerdings sind dies nicht die einzigen Einflussfaktoren. So schwankt die Erdbahn in geologischen Zeiträumen. Sie ist mal kreisförmiger, mal elliptischer. Auch dies wird als ein Faktor für die Eiszeiten, zumindest im Pleistozän, also der letzten Million Jahre angebracht. Offen ist allerdings ob die Kohlendioxidschwankungen Folge dieser Bewegung sind oder ein verstärkender Faktor.

Staub kann ebenfalls Einfluss auf das Klima haben. Wir kennen dies in der Neuzeit durch einige Vulkanausbrüche, der wohl letzte war der des Pinatubo 1992. Relativ stark erwiesen ist der Effekt durch den Ausbruch des Tambora auf Indonesien 1812. Er schleuderte rund 150 km³ Asche in die Atmosphäre und gilt als einer der stärksten bekannten Vulkanausbrüche. Der feine Staub verbleibt lange (Wochen bis monate in der Atmosphäre und er reflektiert das Sonnenlicht bevor es den Erdboden erreicht. Zum zweiten wird die Stratosphäre durch den Staub erwärmt, was Veränderungen der Luftströmungen zur folge haben kann. 1813 ging in Europa als das Jahr ohne Sommer ein, mit katastrophalen Missernten aufgrund einer Abkühlung des Klimas. Ein einzelner Vulkanausbruch kann sicher nicht eine klimawende verusachen, er kann einen Prozess der in Richtung Eiszeit geht aber beschleunigen. Wenn durch Plattenaktivität aber sehr viele Vulkane aktiv sind, so kann dies das Klima durchaus verändern. Das bisher größze Massenaussterben zum Ende des Perms wird auf eine ausgedehnte vulkanische Tätigkeit zurückgeführt.

Artikel verfasst am 29.1.2014



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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