Treibhauseffekt – physikalisch gesehen

Ich schaue mir gerade das Video das AfD-Klimaquiz für Schüler | Harald Lesch an und da geht es um Suggestivfragen und der angeblichen Harmlosigkeit von Kohlendioxid, weil es ja doch so wenig ist. Es gibt ja sogar, welche die schlichtweg bestreiten, dass es Treibhausgase gibt. Zeit mal den Effekt zu erklären.

Fangen wir mit der Sonne an. Die Sonne strahlt auf die Erde, wobei unbedingt durch ihre Oberflächentemperatur von rund 5500 °C ihr Strahlungsmaximum im sichtbaren Bereich liegt. Jeder Körper, der eine Temperatur über 0 Kelvin hat, gibt Strahlung ab, und um so mehr je wärmer er ist. Das ist als Stefan-Boltzmann Gesetz ein Naturgesetz. Dabei verschiebt sich auch das Maximum, also wo am meisten Strahlung abgegeben wird, in den immer kurzwelligen Bereich. Das sieht man, wenn man noch eine alte Herdplatte aus Eisen hat. Schaltet man sie ein, so spürt man zuerst die Infrarotstrahlung als Wärme, auch wenn sie noch grau aussieht. Dann wird sie erst dunkelrot, dann hellrot und schließlich Orange, da sich das Strahlungsmaximum in den kurzwelligen Bereich verschiebt, sodass ein kleiner Anteil auch im sichtbaren Bereich ist (bei den Temperaturen die eine Eisenplatte erreichen kann wird das Maximum aber nicht im sichtbaren Bereich liegen).

Die Sonnenstrahlung wird zum Teil reflektiert, so durch Wolken aus Wasserdampf, aber auch den Boden und Eis. Je heller eine Oberfläche ist desto mehr Licht reflektiert sie. Schnee und Eis haben hohe Reflexionswerte, Meere sehr niedrige, weil der größte Teil des Lichts vom Wasser geschluckt wird. Dazu kommt noch die Streuung in der Atmosphäre durch Lichtbrechung. Die Oberfläche erwärmt sich und gibt nach obigem gesetzmäßigem Vorgang selbst Strahlung ab.

Nach dieser Tatsache kann man leicht die Temperatur von Himmelskörpern errechnen, wenn man die Strahlung der Sonne (oder eines Sterns bei anderen Sonnensystemen), sowie die Entfernung und die mittlere Albedo, also Reaktionsfähigkeit kennt. In der Praxis muss man noch die Rotation berücksichtigen, denn es dauer eine gewisse Zeit, bis sich die Oberfläche auf die Gleichgewichtstemperatur erwärmt hat. Tut man dies für unser Sonnensystem so kommt man auf folgende Tabelle:

Planet Merkur Venus Erde Mars Jupiter Saturn Uranus Neptun
Theoretische Körper 448 328 269 225 110 81 59 47
Effektive Temperatur 440 730 290 227 124 95 76 72

Zuerst einige Erklärungen. Die Gasplaneten haben keine Oberfläche, deren Temperatur man messen könnte und die Temperatur wird um so höher, je tiefer man in die Atmosphäre eintaucht. Die angegebene Temperatur ist die auf dem 1 Bar Niveau, wo die Atmosphärenschicht denselben Druck hat wie die Erdatmosphäre auf Meeresniveau.

Die Temperatur ist zudem die Temperatur gemittelt über die ganze Planetenoberfläche, das ist korrekt, wenn der Planet rasch rotiert, sodass es die Nachtseite nicht stark abkühlen kann. Bei Merkur habe ich die Mitteltemperatur genommen. In Wirklichkeit ist es so, dass die Nachtseite bis zu -173 °C kalt ist und die Tagseite bis zu +426 °C heiß. Und natürlich sind das Mitteltemperaturen über alle Breiten- und Längengrade. Auf der Erde kann es bis zu 60 Grad heiß und -50 Grad kalt sein.

Es fällt auf, das alle Planeten mit einer nennenswerten Atmosphäre (alle außer Merkur und Mars) wärmer sind als berechnet um 11 bis 17 °C. Das ist eine Folge des Treibhauseffekts. Besonders auffällig ist der Effekt bei der Venus, wo die Temperatur über 400°C höher ist als berechnet. Die Venus hat eine Atmosphäre aus 95 % Kohlendioxid und hoher Dichte.

Dieser Effekt ist auch nicht theoretisch er ist durch Experimente überprüft. Füllt man beispielsweise einen Glasbehälter mit Gasen verschiedener Art und Konzentration, leitet Licht durch so wird die Temperatur je nach Gas ansteigen. Das kann man inzwischen sogar als Experiment für den Schulversuch durchführen.

Doch worauf beruht er und warum ist das Kohlendioxid so bedeutsam, obwohl es doch nur 0,04 % der Gesamtatmosphäre ausmacht?

Der Treibhauseffekt beruht darauf, dass jede Strahlung Moleküle zum Schwingen anregen kann. Auf diesem Prinzip basiert die Mikrowelle, die mit einer Frequenz arbeitet, die Wassermoleküle besonders gut zum Schwingen anregt. Schwingen bedeutet Bewegung und Bewegung entspricht Energie, das Medium erwärmt sich. In der Mikrowelle ist es das Lebensmittel, in der Atmosphäre die Atmosphäre selbst.

Physikalisch gesehen hat jedes Molekül (also mindestens zwei Atome) drei mögliche Arten zu schwingen.

  • Eine Bindung kann rotieren (Rotationsschwingung)
  • Eine Bindung kann den Abstand zwischen den Partnern verkürzen oder verlängern (Valenzschwingung)
  • Der Bindungswinkel kann sich ändern.

Jede Bindung hat diese drei Möglichkeiten, die man nochmals unterteilen kann, ob die Schwingung symmetrisch ist oder nicht. Das bedeutet: aus je mehr Atomen ein Molekül besteht, desto mehr Möglichkeiten hat es zu schwingen. Man spricht daher von Freiheitsgraden. Die Energie ist dabei nicht gleich. Zweiatomige Moleküle wie Stickstoff und Sauerstoff, aus denen 99 % der Atmosphäre bestehen haben nur wenige Möglichkeiten zu schwingen und die Energie die nötig ist diese Schwingung anzuregen, ist so hoch, dass sie für den Treibhauseffekt keine Bedeutung hat. Einatomige Moleküle – in der Erdatmosphäre Argon – haben per Definition gar keine Möglichkeit um eine Bindung zu schwingen und tragen so auch nicht zum Treibhauseffekt bei. So sind über 99 % der Atmosphäre nicht relevant für den Treibhauseffekt. Daher ist der Treibhauseffekt auch bei den Riesenplaneten nicht so stark, wie man sich dies bei ihrer großen Atmosphäre annehmen würde, da auch hier der Großteil aus Wasserstoff (zwei Atome) und Helium (ein Atom besteht) und nur Verunreinigungen wie Methan, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Phosphin als Treibhausgase wirken.

Bei anderen Molekülen kommt es auf die Form an (Kohlendioxid ist ein lineares Molekül, Wasserdampf dagegen ein gewinkeltes) und vor allem die Zahl der Bindungen an. Tendenziell wird der Treibhauseffekt aber mit zunehmender Atomzahl immer stärker.

Der Molekülaufbau ist auch wesentlich für den Wellenlängenbereich, in dem die Moleküle Strahlung absorbieren. Ideal für den Treibhauseffekt ist, wenn das Absorptionsmaximum nahe bei dem Bereich ist, bei dem die Erde die meiste Strahlung abgibt. Das kann man mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz berechnen. Es liegt bei 269 K Oberflächentemperatur mit einem Strahlungsmaximum bei 10,36 µm. Hier mal eine Tabelle von Gasen und ihr Treibhauseffekt gemessen an der mittleren Oberflächentemperatur der Erde von 269 K.

Treibhausgas Treibhauspotenzial im Laborversuch mit CO2=1
Kohlendioxid 1
Methan 21
Lachgas 290
Ozon 2000
FCKW F11 3500
FCKW F12 7000

Für den Gesamteffekt auf das Klima betrachtet man das Kohlendioxid, weil es zwar den kleinsten Effekt pro Masseeinheit hat, aber eben auch die höchste Konzentration von rund 400 ppm. Bei den anderen Gasen liegt die Konzentration um mindestens den Faktor 1000 kleiner, was dann den Gesamteffekt reduziert. Betrachtet man das Reflexionsspektrum der Erde und die Absorptionsspektren der Gase, so sieht man deutlich die Lücken durch die Absorption von Strahlung durch die Gase. Die Energie, die in der Strahlung steckt, wird von den Gasen aufgenommen und macht die Atmosphäre wärmer. In der obigen Liste fehlt übrigens das wichtigste Treibhausgas, Wasserdampf. Der Grund ist relativ einfach: Seine Konzentration ist zu variabel und von der Temperatur abhängig. Die anderen Gase haben Verweildauern von minimal einigen Monaten (Ozon) bis 130 Jahren (FCKW F12), Wasserdampf kann innerhalb von Stunden sich durch Erhitzen von Meeren und Seen bilden, oder als Regen wieder auskondensieren.

Das es einen Treibhauseffekt gibt wird ja nicht mal von den „Experten“ bestritten, die die AFD anführt. Bei einem Video, das hier mal gepostet wurde, bin ich beim durchklicken (es ist 90 Minuten lang) just gerade an eine Stelle gelangt, wo der Mann eine Erhöhung um 1,1 Grad Celisus pro Verdoppelung des Kohlendioxidgehalts nach einem Laborexperiment vorhersagt und bemängelt das die WHO mit einem wesentlichen höheren Wert arbeitet.

Das Grundproblem ist, das das Klima nicht nur vom Kohlendioxid alleine beeinflusst wird und dieses auch in einen Kreislauf eingebunden ist. Daher sind Laborexperimente nicht sehr hilfreich. Sie zeigen nur das Potenzial auf. Derzeit läuft ein Experiment denn der Mensch emittiert ja so viele Treibhausgase, dass der Kohlendioxidgehalt um ein Drittel angestiegen ist. Das Problem sind Wechselwirkungen. Hier mal einige Faktoren:

  • Steigt die Temperatur an, so nimmt das Wasser weniger Kohlendioxid auf, leicht nachprüfbar, wenn man Sprudel erwärmt und die Menge des Kohlendioxids, die im Kohlenstoffkreislauf gebunden wird, nimmt ab.
  • Steigt die Temperatur, so gibt es mehr Wasserdampf in der Atmosphäre, das einen dreimal stärkeren Treibhauseffekt als Wasser hat.
  • Bei zu viel Wasser in der Atmosphäre entstehen aber Wolken, die das Licht reflektieren, bevor es zur Oberfläche gelangt. Sie senken also den Treibhauseffekt.
  • Bei Erwärmung schmelzen weltweit Eisflächen ab, was eine Erhöhung der weltweiten Albedo führt und damit zum Temperaturanstieg
  • Kann Methan aus Clathraten (Methan-Eis) im Ozeanboden freigesetzt werden, Methan ist ein viel potenteres Treibstoffgas als Kohlendioxid.
  • Tauen Permafrostböden aus und setzen dort gebundenes Kohlendioxid und Methan frei

Kurzum, die Vorgänge sind komplex, sie sind miteinander verzahnt und sie wechselwirken. Daher stammen die Vorhersagen aus Computermodellen. Doch diese werden ja mit der Wirklichkeit und der Vergangenheit verglichen. Zudem sind es die gleichen Modelle, mit denen die Wettervorhersage erstellt wird und diese ist durch immer mehr Computerleistung immer zuverlässiger geworden und deckt immer größere Zeiträume ab.

Völlig wirklichkeitsfremd ist die Forderung nach einem Beweis im Realexperiment. Wie soll das gehen. Man möge mir bitte die zweite Erde zeigen, wo man im Experiment mal alles ausprobieren kann, inklusive Zeitmaschine, denn wir benötigen die Resultate ja gleich und nicht erst wenn es zu spät ist. Im sonstigen Alltag akzeptiert man ja auch Resultate, die nicht aus dem Realexperiment stammen. Bei keinem Medikament wird die tonische Dosis bestimmt, indem man Menschen damit vergiftet, alle Werte stammen aus dem Tierversuch. Ebenso werden Crash-Tests mit Dummys durchgeführt und nicht mit Menschen. Ich schlage vor, das alle die beim Klimaschutz ein Realexperiment fordern einen Bogen machen um alles, was nicht mit Realexperimenten getestet wurde, also allen Geräten mit CE-Zeichen (überall nur technische Prüfungen), Medikamente oder viele Fortbewegungsmittel.

Was mich immer wider erstaunt ist der fehlende gesunde Menschenverstand der Klimaleugner. Selbst wenn man mal die nur in Deutschland spürbaren Folgen wie immer neue Rekordtemperaturen und Rekordfluten ignoriert, muss man wenn man etwas verstand hat doch auf folgende Überlegung kommen:

„Es mag sein, dass es keinen Treibhauseffekt gibt, aber wenn, dann sind die Folgen dramatisch. Also wäre es am besten, wenn wir die Umwelt wie sie jetzt ist, erhalten, indem wir kein Kohlendioxid in die Atmosphäre pusten. Wenn es einen gibt, so haben wir die Folgen verhindert, wenn nicht dann haben wir früher eine Technologie die wir sowieso entwickeln müssen, denn dass fossile Brennstoffe endlich sind, ist ja unbestritten. Wir müssen also sowieso die Emissionen irgendwann senken, und tun wir das jetzt, so erhalten wir mehr dieser Rohstoffe, die wir für zahlreiche Produkte wie Plastik, Medikamente usw. brauchen“.

Mich erinnert das irgendwie an Raucher. Die wissen eigentlich auch alle, das Rauchen schädlich ist, warten aber meist auf das Ergebnis des Realexperiments am eigenen Körper.

4 thoughts on “Treibhauseffekt – physikalisch gesehen

  1. Hallo Bernd,
    es läuft bereits ein „Realexperiment mit Kohlendioxyd“ und die Ergebnisse sind erschreckend:
    Auf der Venus wird doch bereits beweisbar gezeigt, was Kohlendioxyd anrichtet!.
    Es wäre nur (theoretisch) interessant, wenn man die Venus auf diesselbe Umlaufbahn brächte, um dann festzustellen was die ca. 50 Mio Km größere Entfernung für Auswirkungen hätte….
    Ach ja, bei Deiner Temperaturtabelle der Planeten wäre vielleicht der Hinweis nützlich das es sich um Grad Kelvin handelt.
    (Damit die Leugner nicht wieder rummeckern….)

    Bis zum nächsten Mal
    Ralf mit Z

  2. Danke Bernd,
    ein sehr schöner und wie ich finde auch verständlicher Beitrag, ohne unnötig trivial zu werden, wie dass leider allzu häufig passiert.
    Ich werde mir den Link mal Bookmarken, damit ich ihn bei der nächsten Internetdiskussion zu dem Thema parat habe.

  3. Dann lest mal die Kommentare unter dem Video-link. z.B:

    Meinen sie zufällig den Harald Lesch, der den natürlich Klimawandel leugnet?
    Meinen sie den Harald Lesch, der seine Grafiken manipuliert und fälscht?
    https://youtu.be/MyPzHeBUu6Y
    Und diesen Mann wollen sie glauben?

    Da muss der Klimaforscher Prof. Stefan Rahmstorf aber noch ein bissel weiter forschen denn das Rohöl und die Kohle waren auch nur verrottende Biomasse, welches ihr CO2 nur nicht frei setzen konnten und gehört somit auch zum sogenannten Naturkreislauf.

    1. Dumme Kommentare kann jeder verfassen.
      Das ist kein Kriterium für Glaubwürdigkeit
      Früher gab es einen Dorfdeppen der jedem im Dorf auf die Nerven fiel, heute machen die überall Kommentare im Internet und verweisen aufeinander.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.