Treibhauseffekt

Die Schichtung der Atmosphäre ergibt sich durch verschiedene darin ablaufende physikalische und chemische Prozesse und ist von großer Bedeutung für die Verteilung der Stoffe in der Atmosphäre.
Die bis etwa 10 km reichende unterste Schicht ist die Troposphäre, in der sich fast das gesamte Wettergeschehen abspielt. In dieser Schicht sinkt die Temperatur mit zunehmender Höhe. In der darüberliegenden Stratosphäre steigt die Temperatur wieder an.

Der natürliche Treibhauseffekt

Die Sonnenstrahlung umfasst im Wesentlichen den Wellenlängenbereich von 200 bis 3 000 nm. Kurzwelliges UV-Licht (UV-B-Strahlung, 200-300 nm) wird durch das Ozon in der Stratosphäre fast vollständig absorbiert. Langwelliges UV-Licht (UV-A-Strahlung, 300-400 nm) und sichtbares Licht können die Atmosphäre dagegen weitgehend ungehindert passieren. Diese Strahlung erwärmt die Erdoberfläche und wird dann hauptsächlich als Wärmestrahlung im Infrarotbereich wieder reflektiert.

Die einfallende und reflektierte IR-Strahlung wird in der Atmosphäre von einigen Spurengasen (z. B. CO₂, CH₄, N₂O, H₂O) teilweise absorbiert. Die Absorption erfolgt nur an Gasmolekülen mit drei und mehr Atomen und nicht an den zweiatomigen Gasen Stickstoff und Sauerstoff.
Diese Absorption der einfallenden und reflektierten IR-Strahlung führt zur Erwärmung der Erde, die als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet wird.

Die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde beträgt 15 °C. Die Temperatur der Atmosphäre ohne die Absorption der IR-Strahlung wird mit -18 °C berechnet. Die Temperaturerhöhung um 33 °C durch die Strahlungsabsorption der natürlichen Spurengase in der Atmosphäre ist für das Klima und das Leben auf der Erde von großer Bedeutung. Die Gase, die diese Erwärmung verursachen, nennt man daher Klimagase oder Treibhausgase.

Der Name Treibhauseffekt ergibt sich aus der Analogie zum Phänomen in einem Treibhaus, wo das Glas zwar durchlässig für das eingestrahlte sichtbare Licht ist, nicht aber für das reflektierte infrarote Licht. Dadurch kann die Wärme nur schwer an die Umgebung abgegeben werden und die Luft im Treibhaus erwärmt sich. Ähnliches ist bei einem Auto zu beobachten, das lange Zeit in der Sonne steht.

Der Einfluss des Menschen

Der -Gehalt der Atmosphäre betrug im Jahr 1800 ca. 280 ppm. Am Ende des ersten Jahrzehnts dieses Jahrhunderts war der Gehalt auf 390 ppm angestiegen. Als Ursache wird allgemein die Emission von Kohlenstoffdioxid durch die Verbrennung von Kohle und Öl angesehen.

Außerdem hat sich die Konzentration anderer Treibhausgase (O₃, CH₄, N₂O, FCKW) in der Troposphäre im letzten Jahrhundert durch menschliche Aktivitäten (Chemieindustrie, Landwirtschaft usw.) vergrößert und erhöht sich ständig weiter (Bild 3). Diese Gase sind zwar in viel geringerer Konzentration als in der Luft enthalten, haben aber ein erheblich größeres Treibhauspotenzial.

Methanemissionen durch menschliche Aktivitäten resultieren unter anderem aus Leckagen bei der Erdöl- und Erdgasförderung, der Rinderhaltung und dem Reisanbau. Die Darmbakterien von Rindern produzieren viel Methan und Reis wächst in der Anfangsphase auf überschwemmten Äckern. Zum anderen ist im Permafrostboden der Tundren Methan gespeichert, das in Zuge einer Erderwärmung freigesetzt werden könnte.

Der Anstieg der Emission des Klimagases Distickstoffmonooxid ist unter anderem durch den vermehrten Einsatz an Stickstoffdüngern in der Landwirtschaft bedingt, da bei der Denitrifizierung dieses Gas freigesetzt wird.

Der globale Temperaturanstieg der Jahresdurchschnittstemperatur auf der Erde um 0,7 °C in den letzten 100 Jahren wird daher allgemein als anthropogene Verstärkung des Treibhauseffekts bezeichnet. Der Name ist ist auf den griechischen Wortstamm „anthropo: den Menschen betreffend“ zurückzuführen, weil er durch menschliche Aktivitäten verursacht wird. Da die Emission der Treibhausgase weiter anhält, ist eine weitere globale Erwärmung in den nächsten Jahrzehnten anzunehmen.

Ein Blick in die Vergangenheit

Das Eis der Antarktis und Grönlands entstand durch Verfestigung von Schnee, daher sind Luftbläschen im Eis eingeschlossen. Da diese Eisschichten mehrere Kilometer dick sind , kann man durch Untersuchung von Eisbohrkernen Luft aus der Vergangenheit analysieren. In der Nähe des Südpols wurde ein mehrere Kilometer langer zusammenhängender Eiskern erbohrt und „scheibchenweise“ die darin eingeschlossene Luft analysiert.

Es gelang so, die Gehalte an und über die letzten 800 000 Jahre zurückzuverfolgen. Betrachtet man die letzten 180 000 Jahre, dann lagen die -Gehalte in dieser Zeit stets zwischen etwa 200 und 300 ppm und waren nie so hoch wie heute.

Außerdem erfolgten früher starke Veränderungen der Gehalte über einen längeren Zeitraum von einigen Tausend Jahren, während sich der jetzt beobachtete starke Anstieg der Gehalte innerhalb von etwa 100 Jahren vollzogen hat.

Vorhersagen
Die Erhöhung des -Gehalts der Luft und eine weitere Erwärmung der Erde können jedoch noch zahlreiche, teilweise gegenläufige Prozesse in der Umwelt verursachen. Das erschwert naturgemäß die Prognose bezüglich des Anstiegs der globalen Durchschnittstemperaturen.

Einige mögliche Wirkungen sind:

• Ein höherer -Gehalt in der Luft erhöht dessen Löslichkeit in Wasser, die Konzentration in der Luft erhöht sich nicht mehr so stark
   
• Höhere Temperaturen senken aber die Löslichkeit von in Wasser
   
• Höherer -Gehalt in der Luft verstärkt das Pflanzenwachstum, dadurch wird aber mehr durch Fotosynthese gebunden
   
• Höhere Temperaturen führen zu mehr Wasserdampf und damit Wolken in der Atmosphäre
   
• Mehr Wolken reduzieren einerseits die Sonneneinstrahlung auf die Erde (kälter), vermindern andererseits die Reflektion der Wärmestrahlung von der Erde in den Weltraum (wärmer)

Weitere mögliche Wechselbeziehungen lassen sich aufzählen, ihr Zusammenspiel ist aber sehr komplex. Daher können die gegenwärtigen Klimamodelle die weitere Entwicklung nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorhersagen. Realistische Klimamodelle, die mit einer annähernd konstanten Emission von Treibhausgasen rechnen, prognostizieren bis zum Jahre 2100 eine weitere mittlere Erwärmung der Atmosphäre von 1,5 bis 3 Kelvin. Pessimistische Modelle rechnen mit einem weiteren Anstieg der Emission von Treibhausgasen und kommen auf eine noch höhere Zunahme der mittleren Temperatur der Atmosphäre.

Das kann weit reichende Folgen für das Klima und die Lebensbedingungen auf der Erde haben. Deshalb ist es wichtig, Energie so effektiv wie möglich zu nutzen und nach alternativen Energiequellen zu suchen, die die Umwelt weniger belasten.