Der Treibhauseffekt hat viel mit Strahlung zu tun. Strahlung im Allgemeinen - und wenn es um Klimawandel geht wird hierunter fast ausschließlich elektromagnetische Strahlung verstanden (also z.B. keine radioaktive Strahlung) – spielt eine sehr wichtige Rolle für uns.
Die Erde erhält Energie von der Sonne in Form von Sonnenstrahlen und sie strahlt Energie als Wärmestrahlung wieder ins Weltall ab (Abbildung 19). All dies ist elektromagnetische Strahlung genauso wie sichtbares Licht. Mittels Licht sehen wir unsere Umgebung "aus der Ferne" und betreiben damit "Fernerkundung" genau wie Satelliten, die uns klimarelevante Informationen liefern. Auch deren Messprinzip beruht meist auf der Detektion von Strahlung ähnlich dem menschlichen Auge.
Abbildung 19 zeigt im oberen Bereich zwei sogenannte Strahlungs-Spektren, d.h. die Stärke elektromagnetischer Strahlung aufgetragen in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Sonnenstrahlung ist links in Rot dargestellt. Die mit "5525 K" bezeichnete Kurve zeigt die Strahlung eines sogenannten schwarzen Körpers (https://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzer_Körper) bei einer Temperatur von 5525 Kelvin, also bei einer Temperatur, welche in etwa der Temperatur der äußeren Schicht der Sonne entspricht.
Spektren schwarzer Körper bezeichnet man auch als Planck-Spektren, nach dem deutschen P hysiker Max Planck (https://de.wikipedia.org/wiki/Max_Planck), welcher sich intensiv mit der Strahlung schwarzer Körper beschäftigt hat. Die rote Kurve soll hier näherungsweise die bei der Erde angekommene Sonnenstrahlung darstellen. Teile dieser Strahlung werden von den Bestandteilen der Erdatmosphäre absorbiert (verschluckt) und gelangen daher nicht bis zum Erdboden. Wieviel absorbiert wird hängt von der Wellenlänge ab. Fast vollständig absorbiert werden die sehr kurzen Wellenlängen, also das ultraviolette (UV) Licht, nämlich durch das sich in der Atmosphäre befindliche Ozon. Aber auch bei längeren Wellenlängen wird Sonnenlicht absorbiert, und zwar hauptsächlich durch Wasserdampf. Wo genau welches Gas wieviel absorbiert ist im unteren Teil des Bildes gezeigt.
Rechts in Blau ist die Wärmestrahlung der Erde dargestellt zusammen mit einigen Planck-Spektren, diesmal aber für die viel niedrigeren Temperaturen, welche für die Erdatmosphäre typisch sind. Wie man sieht, weicht die ins Weltall abgestrahlte Wärmestrahlung in ihrem Spektralverlauf (also in ihrer Wellenlängenabhängigkeit) stark von den "glatten" Planck-Kurven ab. Dies liegt daran, dass die Atmosphäre Gase enthält, welche diese Wärmestrahlung stark absorbieren, nämlich insbesondere Wasserdampf (H2O), Kohlenstoffdioxid (CO2), Ozon (O3), Methan (CH4) und Distickstoffmonoxid (N2O).
Diese Gase sind Treibhausgase, da sie die Abstrahlung der Wärmestrahlung der Erde vom Erdboden in den Weltraum blockieren (genauer gesagt absorbieren, also "verschlucken"). Dadurch wird die Erde Teile der Energie, welche sie von der Sonne bekommen hat, nicht mehr so ohne weiteres wieder los. Die resultierende Nettozufuhr von Energie resultiert in einer Erwärmung, also in einer Zunahme der Temperatur. Und zwar nimmt die Temperatur so lange zu, bis die Nettozufuhr Null ist, die Erde also genau so viel Energie wieder abstrahlt wie sie vorher absorbiert hat.
Abbildung 19: Von der Atmosphäre übertragene Strahlung als Funktion der Wellenlänge. Oben: Kurzwellige Sonnenstrahlung in Rot und langwellige Wärmestrahlung in Blau. Mitte: Anteil absorbierter Strahlung. Unten: Komponenten der absorbierten Strahlung (siehe z.B. (https://de.wikipedia.org/wiki/Rayleigh-Streuung). Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Idealisiertes_Treibhausmodell#/media/Datei:Atmospheric_Transmission_de.png.
Treibhausgase absorbieren also die vom Erdboden kommende Wärmestrahlung. Wärmestrahlung wird auch Infrarotstrahlung genannt und alle Gase, die Strahlung im infraroten Spektralbereich absorbieren sind Treibhausgase.
Was machen diese Gase mit der absorbierten vom Erdboden kommenden Wärmestrahlung? Sie erwärmen sich und strahlen die absorbierte Energie in Form von Wärmestrahlung wieder ab, und zwar in alle Richtungen und zwar auch nach unten Richtung Erdboden (Abbildung 20).
Dadurch wird es in Bodennähe wärmer als es ohne diese Strahlung wäre. Treibhausgase wirken quasi wie eine zweite zusätzliche Wärmequelle (zusätzlich zur Sonne), welche oberhalb von uns in der Atmosphäre liegt und uns mit Wärmestrahlung bescheint. ähnlich können Wolken wirken und man kann deren wärmende Wirkung unter bestimmten Umständen insbesondere in einer kalten Winternacht spüren (insbesondere durch den Vergleich der Temperaturen bei klarem und bei bewölktem Himmel).
Abbildung 20: Schematische Darstellung des Treibhauseffekts. Die Erde bekommt ihre Energie durch die Sonnenstrahlung (stark vereinfacht links dargestellt), wodurch Atmosphäre, Land und Ozeane erwärmt werden. Mittels Wärmestrahlung (rechts dargestellt), wird im Gleichgewicht die gleiche Energiemenge im Mittel wieder ins Weltall abgestrahlt. Die Treibhausgase blockieren (absorbieren) die vom Erdboden abgestrahlte Wärmestrahlung und geben Wärmestrahlung in alle Richtungen wieder ab (Emission). Die nach unten gerichtete Strahlung wird als Gegenstrahlung (oder Rückstrahlung) bezeichnet. Hierdurch wirken Treibhausgase wie eine zusätzliche Wärmequelle.
Welche Temperatur sich auf der Erde im Mittel einstellt hängt eng mit der Energiebilanz der Erde zusammen. Einen stabilen Gleichgewichtszustand gibt es z.B. nur, wenn die zugeführte Sonne-Energie ("Energie rein") gleich der abgeführten Wärmestrahlung ("Energie raus") ist. Wenn dies nicht der Fall ist, dann wird es wärmer (wenn z.B. "Energie rein" größer ist als "Energie raus") oder kälter (wenn das Gegenteil der Fall ist). Der Ausgleich findet dadurch statt, dass die Erde ihre Temperatur verändert. Wenn "Energie rein" größer ist als "Energie raus", dann wird es wärmer und damit steigt "Energie raus" (analog dem im nachfolgenden Abschnitt erläuterten Stefan-Boltzmann-Gesetz), und zwar so lange, bis "Energie raus = Energie rein" ist. Wenn dies der Fall ist, dann ist ein Gleichgewichtszustand mit einer entsprechenden (neuen) Gleichgewichtstemperatur erreicht.
Zugegeben, der Treibhauseffekt ist recht kompliziert. Daher ist es vielleicht hilfreich eine Analogie aus unserer Alltagswelt zu verwenden. Man kann sich die Wirkung der Treibhausgase, also den Treibhauseffekt, analog der Wirkung eines verstopften Abflusses, zum Beispiel in einer Badewanne, vorstellen (diese Analogie basiert auf der in Archer, 2007, geschilderten sink analogy):
Man dreht den Wasserhahn der Badewanne auf und dadurch füllt sich die Badewanne mit Wasser. Das einströmende Wasser entspricht hier dem Sonnenlicht. Der Abfluss sein offen, so dass Wasser auch abfließen kann. Die Menge des abfließenden Wassers (angegeben in z.B. Liter pro Sekunde) sei proportional zur Wasserhöhe. Einem bestimmten Wasserstand (z.B. 10 cm) entspricht also eine bestimmte Abflussmenge (z.B. 1 Liter pro Sekunde) und wenn der Wasserstand in der Badewanne doppelt so hoch ist (z.B. 20 cm), dann wird doppelt so viel Wasser durch den Abfluss nach draußen gedrückt (in diesem Fall 2 Liter pro Sekunde). Bei der Wärmestrahlung gibt es auch eine solche Proportionalität: Die abgestrahlte Energie (angegeben in z.B. Watt pro Quadratmeter) ist proportional der 4ten Potenz der Temperatur, d.h. je höher die Temperatur, desto höher die Abstrahlung (dies ist ein physikalisches Gesetz - genannt Stefan-Boltzmann-Gesetz - und wir werden dies im nachfolgenden Abschnitt 6.2 näher erläutern und für Berechnungen verwenden). Das Wasser wird nun so lange ansteigen, bis genauso viel Wasser die Badewanne verlässt wie ihr zugeführt wird. Wenn dies der Fall ist, also die Bedingung "Zufluss gleich Abfluss" gilt, dann bleibt die Wasserhöhe konstant, d.h. sie ändert sich nicht mehr. Es gibt also einen "Gleichgewichtswasserstand" welcher unserer "Gleichgewichtstemperatur" entspricht. Wenn nun der Abfluss teilweise verstopf wird, dann steigt als Folge der Wasserstand, da nun mehr Druck erforderlich ist, um das Wasser durch den engeren Abfluss zu pressen. Es stellt sich eine neuer – höherer – Gleichgewichtswasserstand ein. Etwas Analoges passiert in der Atmosphäre, wenn die Konzentration der Treibhausgase steigt: Der Abfluss der Wärmestrahlung vom Erdboden in den Weltraum wird behindert und man benötigt eine höhere Gleichgewichtstemperatur, um die vom Erdboden abgestrahlte Wärmeenergie bildlich gesprochen "durch die verstopfte Atmosphäre zu pressen".
Sind Treibhausgase nun gut oder schlecht?
Zunächst einmal: Treibhausgase sind sehr wichtig für uns. Ohne Treibhausgase wäre es auf der Erde bitterkalt: etwa -18 Grad. Die Erde wäre dann ein lebensfeindlicher mit Eis und Schnee bedeckter Ort. Dank der Treibhausgase und des damit verbundenen "natürlichen Treibhauseffektes" ist es auf der Erde im Mittel etwa 33 Grad wärmer, also etwa +15 Grad Celsius.
Weltraum aus mittels Satelliten beobachten, allerdings erst seit dem Jahre 2002 dank des im Jahre 2002 gestarteten europäischen Umweltsatelliten ENVISAT (https://de.wikipedia.org/wiki/Envisat) und dessen SCIAMACHY Instruments (https://de.wikipedia.org/wiki/SCIAMACHY). Es ist jedoch schon länger bekannt, dass CO2 ansteigt, nämlich seit den Messungen von Charles Keeling (https://de.wikipedia.org/wiki/Charles_David_Keeling) auf dem Berg Mauna Loa auf Hawaii, welche 1958 begannen (siehe Abbildung 21).
Diese Messreihe wird bis heute fortgesetzt und aktuelle Bilder dieser CO2-Zeitreihe sind auf der entsprechenden NOAA Webseite zu sehen (https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/mlo.html). Die atmosphärische Konzentration ist hier (z.B. Abbildung 21) in "Teilchen pro Millionen" (parts per million, ppm) angegeben. 400 ppm bedeutet, dass 400 von einer Millionen Luftmolekülen CO2-Moleküle sind. Ein ppm bedeutet 10-6 (= 0,000001) genauso wie ein Prozent 10-2 (= 0,01) bedeutet. 400 ppm entspricht also hier einem Teilchen- bzw. Molekülanteil von 400x10-6 = 0,04x10-2 = 0,04%. Der Massenanteil ist etwa 0,06%, da ein CO2-Moleküle etwa 50% schwerer ist als ein mittleres Luftmolekül.
Wie man in Abbildung 21 erkennen kann: die CO2-Konzentration zeigt jahreszeitliche Schwankungen und sie steigt in Laufe der Zeit an. Und nicht nur das: Es wird scheinbar immer schlimmer, denn die Steigung nimmt nicht ab – wie man es vielleicht als Folge der Maßnahmen zum Schutze des Klimas erwarten würde – sondern sie nimmt sogar zu. Dies wird noch deutlicher, wenn man sich die jährliche Wachtrumrate (growth rate) ansieht, hier gezeigt als Abbildung 22 (Quelle und weitere Informationen: https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/gr.html).
Mehr hierzu siehe spätere Abschnitte, insbesondere Abschnitt 7.4, wo der Kohlenstoffkreislauf erläutert wird, Abschnitt 8.4, wenn die CO2-Satellitenmessungen vorgestellt werden und Anhang 2 (Kapitel 19), wo weitere Informationen zum Kohlenstoffkreislauf zusammengestellt sind.
Abbildung 21: Zeitserie der atmosphärischen CO2-Konzentration (in Teilchen pro Millionen (parts per million) ppm) gemessen auf Mauna Loa, Hawaii (Quelle (bitte anklicken, um die neueste Version dieser Grafik zu erhalten): https://gml.noaa.gov/webdata/ccgg/trends/co2_data_mlo.png).
Abbildung 22: Jährliche Änderungs- bzw. Wachstumsrate ("annual mean growt rate") der atmosphärischen CO2-Konzentration in ppm/Jahr (Quelle (bitte anklicken, um die neueste Version dieser Grafik zu erhalten): https://gml.noaa.gov/webdata/ccgg/trends/co2_data_mlo_anngr.png).