{"id":102148,"date":"2024-09-28T02:50:00","date_gmt":"2024-09-28T00:50:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=102148"},"modified":"2024-11-30T10:35:38","modified_gmt":"2024-11-30T09:35:38","slug":"die-molekuele-des-treibhauseffekts-klimafakten-teil-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/umwelt\/die-molekuele-des-treibhauseffekts-klimafakten-teil-2\/","title":{"rendered":"Die Molek\u00fcle des Treibhauseffekts: Klimafakten – Teil 2"},"content":{"rendered":"\n

Ein Erkl\u00e4rungsversuch von Matthias H\u00fcttmann
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Der menschengemachte, beschleunigte Klimawandel, besser als Klimakatastrophe benannt, wird immer mehr zur Ursache von Extremwettersituationen, ist mitverantwortlich f\u00fcr das rasante Artensterben, f\u00fchrt zu Landflucht und Migration, sozialen Verwerfungen und vielem mehr. Aber auch wenn das alles wissenschaftlich unumstritten ist, so ist unser Hintergrundwissen oft nur rudiment\u00e4r, sind Zusammenh\u00e4nge nur bedingt bekannt. In einer losen Reihe wollen wir deshalb dar\u00fcber informieren.<\/p>\n\n\n\n

In diesem zweiten Teil besch\u00e4ftigen wir uns mit etwas vermeidlich Banalem: dem Treibhauseffekt. Dieser ist urs\u00e4chlich verantwortlich f\u00fcr die Erderw\u00e4rmung. Aber wie genau funktioniert er eigentlich, und vor allem: welche Molek\u00fcle sind verantwortlich und wie unterscheiden sie sich in ihrer Wirksamkeit? In der \u00f6ffentlichen Diskussion steht bekanntlich vordringlich Kohlenstoffdioxid (CO2<\/sub>) im Fokus. Das Verst\u00e4ndnis f\u00fcr seine Klimawirksamkeit im Vergleich zu anderen klimarelevanten Gasen fehlt jedoch bisweilen und f\u00fchrt gar zu Fehleinsch\u00e4tzungen und Missverst\u00e4ndnissen.

Allgegenw\u00e4rtige technische Anwendung<\/strong>
Der Treibhauseffekt, auch \u201egreenhouse effect\u201c, ist in der Solartechnik schon sehr lange bekannt. Bereits die Sonnenkollektoren von Horace B\u00e9n\u00e9dict De Saussure<\/a> (1767) oder Auguste Mouchot<\/a> (1865) nutzen das einfache Prinzip der \u201eStrahlenfalle\u201c. Dabei treffen die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen auf einen Solarabsorber. Beim Auftreffen wird nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes absorbiert und in W\u00e4rme umgewandelt.<\/p>\n\n\n\n

Rein physikalisch betrachtet ist es so, dass sich elektromagnetische Energie in Form von elektromagnetischen Wellen ausbreitet. Die Wellenl\u00e4ngen sind dabei sehr unterschiedlich. Jeder \u201ewarme\u201c K\u00f6rper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts gibt Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) ab. Die abgestrahlte Energiemenge und die Wellenl\u00e4ngenverteilung der Strahlung h\u00e4ngen von der Temperatur des K\u00f6rpers ab. Je w\u00e4rmer ein K\u00f6rper ist, umso mehr Energie in Form von IR-Strahlung gibt er ab, und umso k\u00fcrzer ist die Wellenl\u00e4nge der Strahlung.<\/p>\n\n\n\n

Im Inneren des Kollektors, einer Art Mini-Gew\u00e4chshaus, wird die abgestrahlte W\u00e4rme nun dadurch festgehalten, da die Glasscheibe f\u00fcr die Wellenl\u00e4nge der W\u00e4rmestrahlung nur zu einem kleinen Teil durchg\u00e4ngig ist. Man spricht hier auch von einer wellenl\u00e4ngenselektiven Transparenz, einem Mini-Treibhauseffekt. Lichtstrahlen, hochfrequente elektromagnetische Wellen, werden durch das Auftreten auf die dunkle Absorberfl\u00e4che in langwelligere (W\u00e4rme-)Strahlen umgewandelt, die im Kollektor \u201egefangen\u201c werden, daher auch der Begriff Strahlenfalle. Das gleiche Prinzip nutzen wir bei unseren Fr\u00fchbeeten und auch im Gew\u00e4chshaus. Nicht zuletzt ist unser Planet dank des Treibhauseffekts angenehm temperiert, \u00fcberhitzt nicht und k\u00fchlt ebenso wenig aus.

Molek\u00fcle anstelle von Solarglas
<\/strong>Wie beim Kollektor oder dem Gew\u00e4chshaus besitzt auch unser Planet eine Barriere, die von W\u00e4rmestrahlen nicht so einfach durchdrungen werden kann: Die Erdatmosph\u00e4re, die d\u00fcnne Gas-H\u00fclle der Erdkugel, besteht neben CO2<\/sub> aus allen m\u00f6glichen Gasen wie Wasserdampf (H2<\/sub>O), Ozon (O3<\/sub>), Lachgas (N2<\/sub>O) oder auch Methan (CH4<\/sub>). Die Luft unserer Atmosph\u00e4re besteht dabei mit rund 99 % haupts\u00e4chlich aus Stickstoff und Sauerstoff. Die Konzentration der nat\u00fcrlichen Treibhausgase ist hingegen verschwindend gering. CO2<\/sub>, O3<\/sub>, N2<\/sub>O und CH4<\/sub> machen insgesamt gerade mal etwa 0,004 % aus, H2<\/sub>O hat einen Anteil von 0,25 %. Die Schichtdicke der Atmosph\u00e4re bis zur Obergrenze der Stratosph\u00e4re (50 km) betr\u00e4gt weniger als 1 % des Erdradius (6.378 km).<\/p>\n\n\n\n

Die Gesamt-Luftmasse der Erdatmosph\u00e4re wiegt 5,13 \u00d7 1015<\/sup> t, was etwa einem 300stel der Wassermasse der Ozeane bzw. ca. ein Millionstel der Erdmasse entspricht. W\u00e4re sie nicht da, w\u00fcrde sich die mittlere Temperatur der Erde schnell um mehr als 30 Grad (von 15 \u00b0C auf -18 \u00b0C) abk\u00fchlen. Durch die R\u00fcckstrahlung der W\u00e4rmestrahlung erw\u00e4rmen sich die Luftschichten unterhalb der Erdatmosph\u00e4re, was als nat\u00fcrlicher Treibhauseffekt bezeichnet wird. Die geringen Mengen an Klimagasen in der Atmosph\u00e4re ist auch der Grund, weshalb Emissionen von Treibhausgasen eine solch gro\u00dfe Wirkung haben. Wenn ihr nat\u00fcrlicher Anteil von wenigen Tausenden Prozenten erh\u00f6ht wird, erh\u00f6ht sich auch ihre Wirksamkeit.<\/p>\n\n\n

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Entwicklung des Anteils von Treibhausgasen in der Erdatmosph\u00e4re seit 1978 bzw. 1979 (Quelle: Wikipedia Commons, US-Regierung)<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Die Bezeichnung Treibhauseffekt ist allerdings ein bisschen ungl\u00fccklich gew\u00e4hlt, denn der Effekt entspricht nicht vollst\u00e4ndig demjenigen in einem Wintergarten oder Gew\u00e4chshaus. Die Glasscheiben des Wintergartens lassen das Sonnenlicht durch, halten aber die langwellige W\u00e4rmestrahlung vollst\u00e4ndig zur\u00fcck. Soweit stimmt die Analogie mit der Atmosph\u00e4re noch. Au\u00dferdem aber verhindern die Glasscheiben als Trennw\u00e4nde die turbulente Vermischung der w\u00e4rmeren Innen- mit der k\u00e4lteren Au\u00dfenluft. Deswegen wird es im Wintergarten sehr warm.

Um etwas genauer zu verstehen, was hier passiert, kann man sich mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz<\/a> der Physik, auch als Gesetz der Schwarzk\u00f6rperstrahlung bezeichnet, befassen. Es beschreibt unter anderem, dass alle Objekte Energie im Verh\u00e4ltnis zur vierten Potenz ihrer Temperatur abstrahlen. F\u00fcr Objekte bei typischer Raumtemperatur ist diese W\u00e4rmestrahlung unsichtbar \u2013 sie liegt im IR-Bereich. Aber sie ist da, und zwar in Form von abgestrahlter W\u00e4rmeenergie. Besagtes Gesetz gilt nat\u00fcrlich auch f\u00fcr die Erde, mit weitreichenden Folgen. Je mehr die Oberfl\u00e4che des Planeten erw\u00e4rmt wird, desto mehr W\u00e4rme verliert der Planet an den Weltraum. Es handelt sich um eine stabilisierende R\u00fcckkopplung, das Planck-Feedback, benannt nach dem gro\u00dfen Physiker Max Planck, der die zugrundeliegende Physik als erster mathematisch beschrieben hat. Die Planck-R\u00fcckkopplung<\/a> ist das bedeutendste Stabilisierungsmerkmal des Klimasystems.

Wie schon in Teil 1<\/a> geschrieben hat die Erde einen quasi geschlossenen Energiekreislauf. Dieser wird von der Energie der Sonne gespeist. Das funktioniert grunds\u00e4tzlich sehr gut, so lange das Ganze dank des nat\u00fcrlichen Treibhauseffekts mit einer fein abgestimmten W\u00e4rmebalance von Energieeinstrahlung und gleichzeitiger R\u00fcckstrahlung in den Weltraum geregelt wird. Durch die von uns freigesetzten klimasch\u00e4dlichen Gase wird dieses Gleichgewicht jedoch ausgehebelt. Und auch wenn es nur wenige Molek\u00fcle sind, die in unserer Erdatmosph\u00e4re schweben, so ist es genau die richtige Menge, die unser stabiles Klima hervorruft. Jeder zus\u00e4tzliche Eintrag ist somit von erheblicher Bedeutung.

Treibhausgase (Klimagase)
<\/strong>Die gemachten Vorbemerkungen sind durchaus hilfreich, um ein Verst\u00e4ndnis f\u00fcr das zentrale Thema dieses Beitrags zu erlangen: Was sind eigentlich Klimagase und was nicht?<\/strong>
Entscheidend f\u00fcr den globalen Treibhauseffekt ist die Durchl\u00e4ssigkeit der Erdatmosph\u00e4re f\u00fcr W\u00e4rmestrahlung. Diese elektromagnetische Energie in Form von Strahlung im IR-Bereich, welche von der Erde in Richtung Atmosph\u00e4re abgestrahlt und dort nicht durchgelassen wird, ist ma\u00dfgeblich f\u00fcr die Erderw\u00e4rmung. Hier kommen nun bestimmte Gase ins Spiel. Abh\u00e4ngig von ihrer Konzentration in der Atmosph\u00e4re wird eine gewisse Menge dieser W\u00e4rmestrahlung absorbiert oder reflektiert. Die Klimagase bestimmen, wie viel Energie ins Weltall entweichen kann. So ist das \u201eKlimagas\u201c Wasserdampf in Wolken beispielsweise daf\u00fcr verantwortlich, wie viel Energie nachts abgestrahlt wird. Je wolkenloser eine Nacht ist, desto k\u00fchler wird diese.

Was nun ein Gas zu einem Treibhausgas, sprich einem treibhauswirksamen Gas, macht, ist seine F\u00e4higkeit die Energie der IR-Strahlung aufzunehmen. Zum Verst\u00e4ndnis: Ein Gas besteht aus Atomen, die durch Bindungsenergie zusammengehalten werden. Chemisch betrachtet wird das Gas auch allgemein als Molek\u00fcl bezeichnet. Um Energie aufnehmen zu k\u00f6nnen, m\u00fcssen sich Molek\u00fcle konkret von der IR-Strahlung energetisch anregen lassen. Dabei erh\u00f6ht sich ihre Schwingung und Rotation. Dadurch entzieht das Molek\u00fcl der eintreffenden Strahlung Energie und speichert diese. Das funktioniert aber nur bei sogenannten Dipolmolek\u00fclen. Ein solches Molek\u00fcl ist ein elektrisch neutrales Molek\u00fcl mit einer gewissen Asymmetrie, weil die Schwerpunkte seiner positiven und negativen Ladungen \u00f6rtlich nicht zusammenfallen – die positiven Ladungen sind dann von den negativen Ladungen ein wenig entfernt. Ein solches Molek\u00fcl besitzt dadurch ein sogenanntes elektrisches Dipolmoment. Kleine symmetrische Molek\u00fcle wie O2<\/sub> und N2<\/sub> besitzen kein solches Dipolmoment und sind f\u00fcr die W\u00e4rmestrahlung nahezu vollst\u00e4ndig transparent.

Die physikalische Gr\u00f6\u00dfe \u201eMoment\u201c kommt im \u00dcbrigen aus der Mechanik und beschreibt die Drehwirkung einer Kraft, eines Kr\u00e4ftepaars oder eines sonstigen Kr\u00e4ftesystems auf einen K\u00f6rper. Kr\u00e4fte, die auf K\u00f6rper einwirken, k\u00f6nnen diesen beschleunigen, bremsen oder auch verbiegen (Biegemoment) oder verwinden (Torsionsmoment).<\/p>\n\n\n

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Das Dipolmoment besteht entlang einer gemeinsamen Achse der Ladungsschwerpunkte, hier in Wasser. (Quelle: Wikimedia Commons, Xzapro4)<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Das klingt jetzt vielleicht ein wenig kompliziert, ist es aber eigentlich nicht. Man muss nur verstehen, dass ein solches Dipolmolek\u00fcl an seinen \u201eEnden\u201c einen negativen Ladungs\u00fcberschuss aufweist. Im Ruhezustand ist die Ladung symmetrisch verteilt. Wird ein solches Molek\u00fcl nun von der IR-Strahlung getroffen, beginnt es zu schwingen. Ein solches Molek\u00fcl bezeichnet man auch als IR-aktiv. Besonders IR-aktiv sind Molek\u00fcle, bei denen die Eigenschwingung mit der entsprechenden Anregungsfrequenz, sprich der IR-Strahlung, sehr gut harmoniert und so eine gewisse Resonanz entsteht. Folglich werden manche Molek\u00fcle gut, manche so gut wie gar nicht angeregt.

Manche, z.B. N2<\/sub> oder O2<\/sub>, etwa sind nicht flexibel genug, um die niederfrequente IR-Strahlung aufzunehmen. Diese zweiatomigen Gase, die Hauptbestandteile der Atmosph\u00e4re, k\u00f6nnen ihr Dipolmoment nicht ver\u00e4ndern, die W\u00e4rmestrahlung von der Erde wird von ihnen nicht aufgenommen. Umgekehrt k\u00f6nnen CO2<\/sub> oder CH4<\/sub> das hochfrequente Licht nicht \u201everdauen\u201c, es wird weitgehend unbehelligt durchgelassen. Treibhausgase, oder auch Klimagase wirken wie ein thermisches R\u00fcckschlagventil; Energie wird vor allem in eine Richtung durchgelassen.

Treibhauspotential (THP, auch Global\/Greenhouse Warming Potential, GWP)
<\/strong>Treibhausgase wirken ganz unterschiedlich. Sie sind mehr oder weniger IR-aktiv und lassen daher mehr oder weniger W\u00e4rmestrahlung passieren. Beschrieben wird ihr unterschiedlicher Charakter im Treibhauspotential (THP). Das THP ist ein Ma\u00df, das beschreibt, wie hoch die mittlere Erw\u00e4rmungswirkung der Erdatmosph\u00e4re \u00fcber einen bestimmten Zeitraum ist. Es wird mit einem tiefgestellten e oder auch eq gekennzeichnet (CO2<\/sub>-\u00c4quivalent: CO2<\/sub>e, CO2<\/sub>eq), da CO2<\/sub> als Referenz f\u00fcr die Gef\u00e4hrlichkeit eines Klimagases herangezogen wird. Neben seinem Potential, sprich seiner Wirksamkeit, ist aber auch seine Verweildauer in der Atmosph\u00e4re entscheidend. So sind Gase mit hohem THP sehr schnell wirksam, Gase mit hoher Verweildauer dagegen haben eine lang anhaltende Wirkung. Um eine hohe Erderw\u00e4rmung zu vermeiden, sind daher vor allem Gase mit hoher Verweildauer sehr kritisch, da ein R\u00fcckgang bei den Emissionen dieser Gase nur sehr langsam zu klimasensitiven Ver\u00e4nderungen f\u00fchren. So wird sich das seit Beginn des kohlenstoffbasierten Industriezeitalters angereicherte CO2<\/sub> nur sehr langsam wieder abbauen, es wird seine Wirkung wohl auch noch hundert Jahre entfalten. Gro\u00dfe Molek\u00fcle mit vielen Schwingungsebenen haben zwar ein viel gr\u00f6\u00dferes Potenzial als CO2<\/sub>, spielen durch ihr wesentlich geringeres Gesamtvorkommen eine untergeordnete Rolle. Zum Gl\u00fcck, denn Methan ist beispielsweise 23-mal so klimawirksam wie CO2<\/sub>, FCKW-II sogar 3.400-mal!

Wie schon in Teil 1<\/a> beschrieben, ist Wasserdampf zu einem gro\u00dfen Teil verantwortlich f\u00fcr unser Klima und Wetter. In seiner Wirkung ist er das st\u00e4rkste Treibhausgas, schon alleine, weil er in hohen Mengen vorkommt. Wasserdampf ist jedoch vor allem f\u00fcr den nat\u00fcrlichen Treibhauseffekt verantwortlich, da er nur in sehr geringem Umfang ein Emissionsgas ist. Seine Konzentration und Wirksamkeit in der Atmosph\u00e4re steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Lufttemperatur.<\/p>\n\n\n

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Treibhausgase, Anteil, Potential und Verweildauer. Das CO2-\u00c4quivalent f\u00fcr Methan betr\u00e4gt bei einem Zeithorizont von 100 Jahren 28. Das bedeutet, dass ein Kilogramm Methan innerhalb der ersten 100 Jahre nach der Freisetzung 28-mal so stark zum Treibhauseffekt beitr\u00e4gt wie ein Kilogramm CO2. (Quelle: Wikipedia und Handbuch globale Klimapolitik (\u200eUTB))<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Klimarelevante Abgase
<\/strong>Dem Treibhauseffekt ist es egal, wie die Treibhausgase entstehen, so dass es genau genommen keine klimaneutralen Treibhausgase gibt. Werden etwa E-Fuels in hohen atmosph\u00e4rischen Zonen verbrannt, sind sie auch genau dort klimawirksam. Ein Problem des Fliegens ist beispielsweise, dass die Abgase in der Reiseflugh\u00f6he Ozon aufbauen, was die Sonneneinstrahlung zus\u00e4tzlich beeinflusst. Sie werden sozusagen in der falschen Etage der Atmosph\u00e4re ausgesto\u00dfen und wirken dort besonders klimasch\u00e4dlich. Auch die produzierten Wolken, die man als Kondensstreifen am Himmel sieht, stellen ein Problem dar, weil sie wie eine Art Treibhausdach funktionieren. Durch die Wassertr\u00f6pfchen kommt die Strahlung der Sonne hindurch, aber die Abk\u00fchlungsstrahlung der Erde wird aufgefangen. Deshalb ist es auch eine fast naive Annahme, dass ein Ausgleich emittierter Treibhausgasemissionen durch das Pflanzen von B\u00e4umen kompensiert werden kann.

Ein Sprichwort macht das deutlich: B\u00e4ume wachsen nicht in den Himmel!<\/p>\n\n\n\n

Weiterf\u00fchrende Infos<\/strong><\/p>\n\n\n\n