2 COMPLEX WORLD, ENVIRONMENT

Treibhauseffekt durch Gase – anschaulich erklärt

Der Treibhauseffekt ist in aller Munde, die Bilder und Erklärungen oft so weit simplifiziert, dass beide Extreme sich an deren Fehlern laben. Um ihre Interessen zu unterstützen.

Dabei gibt es diejenigen, die die Folgen des vom Menschen verursachten Klimawandels unlauter dramatisieren, und den Gegenpol derer, die wider besseres Wissen sagen, dass der Mensch keinen Einfluss auf das Klima habe.

Die Wahrheit liegt, wie so oft, dazwischen. Die kann man aber nur dann offen nennen und akzeptieren, wenn man keine finanziellen Interessen oder Machtinteressen hat. Egal, ob es um den Verkauf von Solarpanelen oder Kohlekraftwerken geht, egal ob es um den Machtgewinn auf der „Grünen“ oder „Schwarzen“ Seite geht.

Nun zu einem möglichst knappen und klaren Erklärungsversuch:

Gase in der Erdatmosphäre und ihre Strahlungseigenschaften

Vereinfachte Darstellung der Atmosphäre mit Sauerstoff, Stickstoff (blauer Farbverlauf) und Kohlenstoffdioxid als Treibhausgas

Alle in der Atmosphäre vorhandenen Gase sind durchsichtig, das heißt, sie lassen Licht sehr gut durch. Allerdings können sie einige bestimmte Wellenlängen des Lichtes (umgangssprachlich,

vereinfacht Farben) absorbieren, aufnehmen. Dies fällt aber nicht auf, weil diese Bereiche sehr schmal sind.

Darstellung des Weges des Sonnenlichtes auf die Erde, Streuung in der Atmosphäre und Reflexion auf der Oberfläche. Hinweis: Die Sonne strahlt praktisch nur Licht ab, kaum Wärmestrahlung und UV-Strahlung!

Fazit 1: Licht gelangt (abgesehen von Wolken, Staubpartikeln) praktisch ungehindert auf die Oberfläche der Erde und von der Oberfläche auch wieder zurück in den Weltraum!

Sonnenlicht wird von der Erdoberfläche teilweise absorbiert – je dunkler das Material ist, desto stärker wird das Licht absorbiert. Dies kennen wir aus dem Alltag: Eine weiße Fläche heizt sich durch das Sonnenlicht kaum auf, schwarze Oberflächen werden hingegen unangenehm heiß.
Warme Gegenstände senden Strahlung aus: Dies kennen wir von Heizkörpern, einem Bügeleisen oder einer Herdplatte ohne Kochtopf. Diese Strahlung heißt Infrarot-Strahlung („Unter dem Rot“, also nicht mehr sichtbar und längerwellig).

Licht wird absorbiert, heizt die Oberfläche der Erde auf, wird dann als Wärmestrahlung abgestrahlt. Diese Wärmestrahlung kann von Treibhausgasmolekülen absorbiert werden. Die Pfeile enden dann an dem Molekül. Die so absorbierte Energie erwärmt die Atmosphäre.

Verschiedene Verbindungen wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid oder Methan können diese Infrarotstrahlung aufnehmen und erhalten dadurch mehr Energie, was einer Erhöhung der Temperatur der Gase entspricht. Natürlich können sie diese Energie auch wieder abgeben, und zwar in Form von Infrarotstrahlung.

In diesem letzten Schritt wird dargestellt, wie ein Treibhausgas seine Strahlungsenergie wieder los wird. Die emittierte (ausgesendete) Strahlung kann von anderen Molekülen aufgenommen, vom Erdboden absorbiert oder in den Weltraum abgestrahlt werden.

Einfache Ein- (Argon) oder Zweiatomige Gase (Sauerstoff O-O, Stickstoff N-N) sind für Infrarotstrahlung durchsichtig, aber die genannten Gase Wasserdampf H-O-H und Kohlenstoffdioxid O-C-O sind dreiatomig und können auch Infrarotstrahlung aufnehmen. Dies liegt daran, dass sie andere Schwingungsarten ausführen können: Ein Infrarot-Strahlungsquant (Quant = EnergieMENGE) regt das Molekül zu Schwingungen an, bei denen das mittlere Atom nach unten, die beiden „Anhängsel“ nach oben und umgekehrt immer hin und herschwingen.

Fazit 2: Die Wärmestrahlung der Erdoberfläche kann von bestimmten Molekülsorten (Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan, etc.) aufgenommen und abgestrahlt werden. Die Strahlungsenergie wandert langsam durch die Atmosphäre durch und erwärmt diese, wird am Ende jedoch in den Weltraum abgestrahlt.

Kursierendes Fehlkonzept: Hülle um Erde in großer Höhe

Viele Bilder des irdischen Treibhauseffektes zeigen eine Hülle um die Erde, an der Strahlung irgendwie reflektiert wird. Diese Darstellung ist irreführend, weil diese Hülle in der Realität nicht existiert. Der Treibhauseffekt ist Volumeneffekt, der sich in der gesamten Tiefe der Atmosphäre abspielt.

In einem echten Treibhaus zum Pflanzenanbau gibt es allerdings einen analogen (vergleichbaren) Effekt: Licht gelangt durch die Glasscheiben in das Innere, wo das Licht vom Boden und von Pflanzen absorbiert wird. Dadurch erwärmt sich das Innere und strahlt Infrarotstrahlung ab. Glas kann diese absorbieren und erwärmt sich dadurch. Aufgrund der hohen Glastemperatur strahlt dieses in beide Richtung Wärmestrahlung ab. Der nach innen abgestrahlte Anteil erwärmt das Innere des Glashauses, was wir ja auch gut spüren können.

Der Effekt wird auch in Solarkollektoren und in Häusern genutzt. Verstärkt wird er bei Fenstern durch sogenannte selektive Reflexionsschichten: Hierbei wird Licht gut durchgelassen, aber die Wärmestrahlung aus dem Inneren des durch Licht erwärmten Raumes wieder in diesen reflektiert. Im Sommer wird die Wärmestrahlung der Umgebung reflektiert, was den Raum vor dieser Wärmequelle schützt. Die Ausstattung solcher Fenster heißt Wärmeschutzglas (Schutz vor Wärme(strahlungs)verlust/-eintrag).

Versuch einer Analogie:
Aus stark gerichtetem Licht (z.B. Sonnenlicht) kann man diffuses Licht auf zwei Arten machen: Man verwendet einen dünnen Vorhang, der das Licht streut oder aber man hat Nebel. In dem dünnen Vorhang scheint es ein Effekt einer Fläche zu sein, Nebel ist ganz klar „voluminös“ und streut das Licht in seinem ganzen Raum.