Natürlicher Treibhauseffekt einfach erklärt

Strahlung überträgt Energie. Sie kann sich auch durch den leeren Weltraum ausbreiten. Die Sonne liefert der Erde Energie durch Sonnenstrahlung. Die erwärmte Erdoberfläche gibt selbst Energie als Wärmestrahlung ab.

In einer Zeichnung einer Welle heißen die höchsten Punkte Wellenberge. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen heißt Wellenlänge. Kurzwellige Strahlung hat eine kleinere Wellenlänge als langwellige Strahlung. Im vereinfachten Unterrichtsmodell ordnen wir Sonnenstrahlung als kurzwellig und die Wärmestrahlung der Erde als langwellig ein.

Die eigene Wärmestrahlung einer warmen Oberfläche unterscheidet sich von zurückgeworfener Sonnenstrahlung. Beim Zurückwerfen bleibt die Strahlung Sonnenstrahlung. Diesen Vorgang nennt man Reflexion.

Treibhausgase sind Gase in der Lufthülle, die einen Teil der Wärmestrahlung aufnehmen und selbst Wärmestrahlung abgeben. Dazu gehören besonders Wasserdampf, also Wasser als Gas, und Kohlendioxid. Kohlendioxid entsteht zum Beispiel beim Verbrennen von Kohle. Treibhausgase lassen einen großen Teil der kurzwelligen Sonnenstrahlung hindurch.

Die erwärmte Erdoberfläche gibt langwellige Wärmestrahlung ab. Treibhausgase nehmen einen Teil davon auf. Aufnehmen heißt auch absorbieren. Die Gase geben Wärmestrahlung in alle Richtungen ab: nach oben, zur Seite und nach unten. Aufnahme und neue Abgabe sind andere Vorgänge als das Zurückwerfen an einem Spiegel. Dabei wird Wärmestrahlung auch nicht in kurzwellige Sonnenstrahlung umgewandelt.

Ein Teil der nach unten gerichteten Wärmestrahlung wird von der Erdoberfläche aufgenommen. Dadurch ist sie wärmer, als sie bei gleicher Sonnenenergie ohne diese zusätzliche Strahlung wäre. Das ist der natürliche Treibhauseffekt. Die Lufthülle erzeugt dabei keine neue Energie. Wärmestrahlung kann weiterhin ins All gelangen.

Der Strahlungshaushalt beschreibt, welche Strahlungsenergie ein System erreicht und welche es verlässt. Wir betrachten Erde und Lufthülle gemeinsam. Die Bilanz ist der Vergleich der ein- und ausgehenden Energiemengen. Alle verglichenen Werte müssen sich auf dasselbe System und denselben Zeitraum beziehen.

Ein Beitrag der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA von 2009 nennt gerundete Schätzwerte für weltweite mittlere Energieflüsse. Die Werte sind mit Unsicherheit verbunden. Für das folgende vereinfachte Schema setzen wir die einfallende Sonnenenergie auf 100 gleich große Energieeinheiten. Eine Energieeinheit steht dabei für einen frei gewählten gleichen Energiebetrag. Ungefähr 29 Einheiten werden als Sonnenstrahlung zurückgeworfen. Ungefähr 71 Einheiten nehmen Erdoberfläche und Lufthülle zusammen auf.

Strahlungsgleichgewicht bedeutet: Insgesamt verlässt genauso viel Strahlungsenergie das System, wie hineinkommt. Im vereinfachten Schema müssen deshalb 71 Einheiten als Wärmestrahlung ins All gelangen. Zusammen mit 29 Einheiten zurückgeworfener Sonnenstrahlung ergibt das 100 = 29 + 71. Die aufgenommene Sonnenenergie wird durch die Wärmeabgabe ausgeglichen. Die zurückgeworfene Sonnenenergie zählt gesondert zur ausgehenden Energie. Dieses Gleichgewicht ist eine Modellbedingung und keine Aussage über eine heute ausgeglichene Erdbilanz.

Für weitere erfundene Rechenmodelle gilt derselbe Rechenweg: Ziehe zuerst die zurückgeworfene Sonnenenergie von der einfallenden Sonnenenergie ab. So erhältst du die aufgenommene Sonnenenergie. Ziehe davon die abgegebene Wärmestrahlung ab. Bleibt ein positiver Betrag, wächst der Energievorrat, also die im System gespeicherte Energie. Bei einem negativen Ergebnis sinkt er. Bei null bleibt er gleich.

Natürlich vorhandene Treibhausgase bewirken den natürlichen Treibhauseffekt. Diese Wirkung besteht auch ohne eine durch Menschen verursachte Zunahme der Gase. Der natürliche Treibhauseffekt ist also die Grundwirkung der vorhandenen Treibhausgase.

Anthropogen bedeutet durch Menschen verursacht. Seit der Industrialisierung haben Menschen den Anteil von Treibhausgasen in der Lufthülle erhöht. Die Industrialisierung war die Entwicklung hin zu einer Produktion mit vielen Maschinen und Fabriken. Unter anderem setzt das Verbrennen von Kohle, Erdöl und Erdgas zusätzliches Kohlendioxid frei. Diese menschliche Zunahme verstärkt den vorhandenen Treibhauseffekt. Diese durch Menschen verursachte Verstärkung heißt anthropogener Treibhauseffekt. Beide beruhen auf demselben Vorgang: Gase nehmen Wärmestrahlung auf und geben selbst Wärmestrahlung ab.

Mehr Kohlendioxid bedeutet hier nicht, dass die Sonne stärker strahlt. Es verändert, wie die Lufthülle Wärmestrahlung aufnimmt und abgibt. Im vereinfachten Vergleich bleibt die aufgenommene Sonnenenergie gleich. Bei zunächst gleicher Temperatur gelangt nach einer Zunahme der Treibhausgase weniger Wärmestrahlung ins All. Dadurch bleibt mehr Energie im System, und es erwärmt sich.

Mit steigender Temperatur nimmt die Wärmeabgabe ins All wieder zu. Wenn die Bedingungen danach unverändert bleiben, kann sich ein neues Strahlungsgleichgewicht bei höherer Temperatur einstellen. Dann sind Wärmeabgabe und aufgenommene Sonnenenergie wieder gleich groß. Zurückgeworfene Sonnenstrahlung gehört nicht zur aufgenommenen Sonnenenergie. Ein neues Gleichgewicht bei höherer Temperatur bedeutet daher nicht, dass die zusätzliche Erwärmung verschwunden ist.