Der natürliche Treibhauseffekt erklärt

Wenn die CO₂-Konzentration weiter steigt, würde sich die zurücklegbare Strecke für die Infrarotstrahlung zwar noch weiter verringern. Aber welchen Unterschied würde das hinsichtlich des Klimawandels machen, wenn die Infrarotstrahlung die Atmosphäre ohnehin noch nie verlassen konnte?

Ist der Klimawandel also doch ein einziger großer Schwindel? Können wir bedenkenlos fossile Energieträger verbrennen und CO₂ in die Atmosphäre blasen, ohne Konsequenzen für das Klima befürchten zu müssen? Nein, natürlich nicht. Denn wie so häufig ist die Physik letztlich doch komplizierter, als sie im ersten Moment erscheint. Versuchen wir es also noch einmal und lassen dieses Mal etwas Physik aus der weiterführenden Schule in unsere Überlegungen einfließen.

Wie das Beispiel eines Regenbogens sehr schön zeigt, besteht das weiße Licht der Sonne eigentlich aus einer Fülle verschiedener Farben. Physikalisch gesehen handelt es sich bei all diesen Farben jeweils um Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge. Die Wellenlänge gibt an, wie schnell die Lichtwellen „auf und ab“ schwingen, und sie ist umgekehrt proportional zur Energie des Lichts. Das klingt kompliziert, bedeutet aber letztlich nur: Lichtstrahlen mit einer kurzen Wellenlänge (z. B. grünes Licht) haben mehr Energie als Lichtstrahlen mit einer langen Wellenlänge (z. B. rotes Licht).

Das Sonnenspektrum

Im Licht der Sonne sind jedoch nicht alle Wellenlängen in gleicher Menge vorhanden. Wenn man grafisch darstellt, wie groß die Anteile der verschiedenen Wellenlängen an der Gesamtmenge des Lichts sind, erhält man daher eine Art Kurve: ein sogenanntes Spektrum.

Für uns ist das Spannende daran nun Folgendes: Nicht nur die Sonne besitzt ein solches Lichtspektrum, sondern letztlich jeder beliebige Gegenstand. Dabei ist es egal, ob es sich in unseren Augen um eine Lichtquelle wie eine Glühbirne handelt, oder um ein Objekt, das selbst kein eigenes Licht aussendet – wie eine Tomate. Der grundsätzliche Verlauf der Lichtspektren ist immer gleich. Was das Lichtspektrum der Sonne von dem der Tomate unterscheidet, ist lediglich die Verteilung der Wellenlängen: Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto mehr verschiebt sich das Spektrum in Richtung kurzer Wellenlängen und desto mehr Energie emittiert der Körper. Die Sonnenoberfläche zum Beispiel hat eine Temperatur von etwa 5.000 Grad Celsius. Daher hat ihr Spektrum große Anteile im kurzwelligen Bereich des Lichts, der für uns sichtbar ist: Wir sehen ihr Leuchten.

Umgekehrt gilt: Je niedriger die Temperatur eines Körpers, desto langwelliger ist das Licht im Durchschnitt und desto weniger Energie wird ausgestrahlt. Die Tomate bei Raumtemperatur strahlt daher nur sehr wenig und zudem langwelliges Licht ab, das für unsere Augen unsichtbar ist – sodass sie aus unserer Sicht nicht leuchtet. Dieser Zusammenhang wird in der Physik als „Planck‘sches Strahlungsgesetz“ bezeichnet. Wenn man also die Temperatur eines Gegenstandes kennt, weiß man anhand des Planck’schen Gesetzes, welches Licht abgestrahlt und wie viel Energie insgesamt abgegeben wird.

Die Temperatur der Erde

Wenn Sonnenlicht auf die Tomaten im Gewächshaus oder auf die Erdoberfläche trifft, wird es absorbiert und wieder ausgestrahlt. Und wie wir gerade festgestellt haben, hängt das Strahlungsspektrum von der Temperatur ab. Aber wie hoch ist die Temperatur der Erde? Nun, die Erde bekommt eine bestimmte Menge Sonnenlicht von der Sonne und damit eine bestimmte Energiemenge. Dadurch wird die Erde stets erwärmt, und gibt Strahlung ab – und zwar immer genau so viel, dass die von ihr insgesamt ausgesandte Energie genauso groß ist wie die, die von der Sonne hereinkommt. Es entsteht ein Gleichgewicht zwischen der aufgenommenen und der abgegebenen Energie. Das bedeutet, man kann die Temperatur der Oberfläche eines Planeten anhand der Menge an Sonnenlicht berechnen, die er erhält. Wenn die Erde keine Atmosphäre hätte, läge ihre Oberflächentemperatur bei minus 18 Grad Celsius.

Doch zum Glück hat die Erde eine Atmosphäre, die uns warmhält. Und das funktioniert so: Wenn die von der Erdoberfläche abgegebene Infrarotstrahlung auf bestimmte Gasmoleküle in der Atmosphäre trifft, beginnen diese gewissermaßen zu „wackeln“. Dabei wandelt sich die Strahlungsenergie des Lichts in Bewegungsenergie der Moleküle um, was letztlich die Atmosphäre aufheizt.

Infrarot-Wackler

Allerdings: Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle, aus denen die Atmosphäre zu 99 Prozent besteht, sind keine guten Infrarot-Wackler. Sie tragen daher nicht zur Erwärmung der Atmosphäre durch den Klimawandel bei. Andere Moleküle hingegen sind großartige Infrarot-Wackler. Dazu gehören Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan – also die allseits bekannten Treibhausgase. Sie absorbieren das Infrarotlicht und beginnen zu wackeln. Dabei kollidieren sie mit anderen Luftmolekülen und verteilen so ihre Energie in der umgebenden Luft. Hin und wieder geben die Treibhaus-Moleküle außerdem selbst Infrarotstrahlung ab, die wiederum andere Moleküle zum Wackeln anregt. Auf diese Weise verteilt sich die Wärme nach und nach in der Atmosphäre. Zunächst in den unteren Schichten, wo die Luft noch sehr dicht ist. Später dann auch zunehmend hoch oben, wo die Atmosphäre immer dünner wird.

Eine dünne Atmosphäre bedeutet dabei, dass die Luft im Verhältnis zu ihrem Volumen nur eine geringe Anzahl von Molekülen enthält. Dadurch trifft die Infrarotstrahlung in den oberen Schichten immer seltener auf Treibhausgasmoleküle und wird immer seltener absorbiert. So kann sie letztlich tatsächlich in den Weltraum entweichen.

Wichtig ist jedoch, dass diese „entflohene“ Infrarotstrahlung ursprünglich nicht von der Erdoberfläche abgegeben wurde, sondern erst beim Wackeln der Treibhausgasmoleküle entstanden ist. Der mit Abstand größte Teil der Infrarotstrahlung, die unseren Planeten verlässt, kommt also nicht von der Oberfläche, sondern er stammt aus einer Höhe von mehreren Kilometern über der Oberfläche.

Trotzdem strebt die Atmosphäre immer noch danach, das bereits erwähnte Gleichgewicht zwischen der aufgenommenen und der abgegebenen Energie aufrechtzuerhalten. Die oberen Schichten der Atmosphäre müssen daher genauso viel Strahlungsenergie in den Weltraum abgeben, wie zuvor von der Sonne zum Erdboden geschickt wurde. Und weil sich die Temperatur der Atmosphäre verringert, je weiter man sich vom Erdboden entfernt, muss die Erdoberfläche in einer Welt mit Treibhausgasen eine höhere Temperatur erreichen als in einer Welt ohne Treibhausgase.

So funktioniert der Treibhauseffekt – zumindest im Allgemeinen. Das ist der Grund, warum unser Planet eine durchschnittliche Oberflächentemperatur von 16 Grad Celsius hat und nicht von minus 18 Grad Celsius. Aber das ist nicht der Grund für den verstärkten Treibhauseffekt, der derzeit den menschengemachten Klimawandel verursacht.

Temperatur und Höhe

Um das zu verstehen, müssen wir den Temperaturverlauf in der Atmosphäre betrachten. Der zeigt nämlich, dass die Temperatur der Atmosphäre nur bis zu einer Höhe von etwa 10 Kilometern abnimmt. Oberhalb von 10 Kilometern bleibt sie zunächst eine Weile konstant, beginnt jedoch in der Stratosphäre ab etwa 20 Kilometern tatsächlich wieder zu steigen. Das liegt daran, dass die Atmosphäre dort oben einen Teil des einfallenden Sonnenlichts absorbiert.

Erinnern wir uns nun daran, dass der Treibhauseffekt funktioniert, weil sich die Emissionstemperatur verringert, indem die effektive Höhe über dem Erdboden, bei der die Infrarotstrahlung in den Weltraum entkommen kann (die Emissionshöhe), weiter nach oben in die Atmosphäre verschoben wird. Und das bringt das System aus dem Gleichgewicht.

Doch nun wird es spannend: Tatsächlich waren bereits die deutlich geringeren CO₂-Konzentrationen vor Beginn der Industrialisierung ausreichend, um diese Emissionshöhe bis hinauf in die Stratosphäre zu verschieben.

Und wie sich herausstellt, verändert sich diese Emissionshöhe auch nicht weiter, selbst wenn sich die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre weiter erhöht. Es scheint, dass der Erwärmungseffekt bereits auf dem aktuellen Niveau gesättigt ist. Kurzzeitig scheint es daher erneut, als wäre die ganze Sache mit dem Treibhauseffekt nur ein „Schwindel der Klimaaktivisten“.

Infrarotspektren

Natürlich ist das ein Trugschluss. Aber um zu verstehen, warum es ein Trugschluss ist, müssen wir jetzt noch ein Stückchen tiefer in die Physik einsteigen und eine wichtige Kleinigkeit ergänzen: Infrarotstrahlung hat nicht eine bestimmte Wellenlänge. Sondern es ist ein Spektrum von Wellenlängen. Und die Treibhausgase absorbieren nicht alle Wellenlängen innerhalb dieses Spektrums, sondern jeweils nur bestimmte Teile davon.

Betrachten wir dazu in der Grafik „Ausgehende Strahlung der Erde“ verschiedene Szenarien, wie das Spektrum der Strahlung aussieht, die von der Erde abgegeben wird – und wie die verschiedenen Treibhausgase dieses Spektrum beeinflussen: Das weiße Spektrum zeigt die Strahlung direkt an der Erdoberfläche, also ohne den Einfluss der Treibhausgase. Fügt man nun Wasserdampf und Kohlendioxid hinzu, ergibt sich das rote Spektrum: Es zeigt, dass bezogen auf einen bestimmten Zeitraum insgesamt weniger Strahlung abgegeben wird – hauptsächlich, weil Wasserdampf in der Lage ist, viele verschiedene Infrarot-Wellenlängen zu absorbieren. Zusätzlich zeigt Kohlendioxid eine sehr hohe Absorption in einem bestimmten Bereich des Spektrums.

Die Bedeutung von Kohlendioxid für unser Klima rührt daher, dass die Wellenlängen dieses absorbierten Bereichs recht nahe am Höhepunkt des weißen Spektrums liegen. Auf vorindustrieller Ebene entfernt Kohlendioxid einen großen Teil der Strahlung, die von der Erdoberfläche kommt. Die dunkelgraue Kurve zeigt die Strahlung, die zur Temperatur bei der durchschnittlichen Emissionshöhe von 12 Kilometern gehört (etwa minus 60 Grad Celsius). Das Entscheidende an ihr ist: Selbst, wenn man den Anteil an CO₂ in der Atmosphäre erhöht, kann der durch das CO₂ verursachte „Graben“ im Spektrum nicht tiefer werden, weil die Temperatur in dieser Höhe nicht weiter sinkt.

Dies veranlasst einige Klimawandelleugner zu der Annahme, dass es letztlich egal ist, wie viel CO₂ wir ausstoßen. Und es ist tatsächlich richtig, dass der „Graben“ im Grunde kaum tiefer werden kann. Breiter kann er aber sehr wohl werden. Das zeigt das gelbe Spektrum.

Durch einen weiterhin steigenden Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre würde daher ein immer größerer Bereich des Infrarotspektrums absorbiert werden. Mit anderen Worten: In dem Wellenlängenbereich, den die Erde aktuell maßgeblich nutzt, um Wärme an den Weltraum abzugeben, wäre dies immer weniger möglich. Durch die CO₂-Emissionen der Menschheit wird der „Graben“ zwar nicht viel breiter. Es ist nur ein winziges bisschen. Dennoch ist genau dieser Umstand der Hauptgrund für den verstärkten Treibhauseffekt, den wir aktuell beobachten.

Kann so ein kleiner Unterschied wirklich so große Folgen haben? Nun, wenn man darüber nachdenkt, ist die globale Erwärmung in absoluten Zahlen nur ein kleiner Effekt. Betrachtet man die Veränderung der Temperatur nicht in Grad Celsius, sondern in Grad Kelvin, wird dies deutlich: Die durchschnittliche Temperatur auf der Erde liegt bei etwa 16,5 Grad Celsius, also 290 Kelvin. Und durch den menschengemachten Treibhauseffekt kommen nur einige wenige Grad hinzu. Wir reden hier also über eine Temperaturerhöhung von nur etwa einem Prozent. Keine große Veränderung für den Planeten. Aber eine große Veränderung für uns, weil das Leben auf diesem Planeten an ein anderes Klima angepasst ist. //