Weiter zum Inhalt
Mittwoch, 12. Mai 2021

Der Treibhauseffekt

Die Naturwissenschaften liefern Erklärungen, die Politik muss entscheiden und umsetzen

Kreis Holzminden (01.12.18). Wenn wir Gemüse und Früchte genießen, dann ist uns in der Regel nicht bewusst, dass viele aus Treibhäusern stammen und für uns nur durch den sogenannten Treibhauseffekt preiswert und auch außerhalb der Saison verfügbar sind. Unter dem Begriff „Treibhaus“ verstehen wir eine Konstruktion aus transparenter Hülle, in der Regel Glas oder Kunststoff,  in der die Wärme der Sonnenstrahlung eingefangen wird und so für besseres Wachstum der Pflanzen sorgt. Auf diese Weise können wir auch Pflanzen halten, die normalerweise nur in wärmeren Regionen zu Hause sind.

Der Treibhauseffekt ist auch im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung in unser Bewusstsein gelangt. Durch „Treibhausgase“ wird unser Planet immer wärmer. Aber warum ist dies so? Im folgenden Beitrag wird versucht, die physikalischen Grundlagen möglichst allgemeinverständlich darzustellen.

Warum ist es im Treibhaus wärmer als draußen?

Im Prinzip wirken beim Treibhaus zwei Mechanismen zusammen. Die Sonne sendet per Strahlung Licht und Wärme zur Erde. Beides gelangt durch die transparente Hülle des Treibhauses auf den Boden und die Blätter der Pflanzen. Diese „verschlucken“ die Strahlungsenergie der Sonne und nutzen sie über die Fotosynthese zum Wachstum beziehungsweise Aufbau der Blattmasse und Früchte. Durch die geschlossene Hülle des Treibhauses wird die Wärme im Inneren des Treibhauses zurückgehalten. Ohne Hülle würde die Wärme über die ungehinderte Luftströmung nach oben entweichen. Diese Luftbewegung nennt man auch „natürliche Konvektion“, und diese wird nun durch die Hülle unmöglich gemacht. Als Folge ist die Temperatur im Treibhaus deutlich höher als in der Umgebung, in der die erwärmte Luft aufsteigen kann und durch kältere, nachfließende Luft ersetzt wird.

Der zweite Mechanismus verstärkt den ersten: Trifft Sonnenstrahlung auf den Boden, so verschluckt dieser die Lichtenergie und sendet bevorzugt nur langwellige Wärmestrahlung zurück. Dieser hier sehr stark vereinfacht dargestellte Mechanismus wird in der Physik als „Wiensches Verschiebungsgesetz“ bezeichnet. Die vom Boden zurückgesendete langwellige Wärmestrahlung vermag jedoch Glas nicht zu durchdringen, verbleibt im Inneren und heizt so das Treibhaus weiter auf.

In der englischsprachigen Literatur wird der Effekt im Gewächshaus auch als Glashauseffekt beschrieben. Der Begriff Treibhauseffekt wird überwiegend auf die Erwärmung der Atmosphäre durch sogenannte Treibhausgase verwendet.

Die Atmosphäre als Treibhaus

In den letzten 20 Jahren hat sich die Diskussion um den Treibhauseffekt in der Atmosphäre wesentlich intensiviert. Der anthropogene (menschengemachte) Treibhauseffekt in der Erdatmosphäre wird für eine allgemeine Klimaerwärmung verantwortlich gemacht. Bestimmte Gase verhalten sich wie die transparente Hülle eines Gewächshauses. Sie lassen die Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche gelangen. Dort wird diese absorbiert (verschluckt) und ein Teil als Wärme zurück Richtung Weltall reflektiert. Die Treibhausgase lassen die Wärme jedoch nicht passieren, so dass sich die Lufthülle der Erde erwärmt. Dies führt zu der befürchteten Klimaänderung.

Als Treibhausgase wirken insbesondere Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan.  Ohne deren Wirkung hätte die Erde nur eine Temperatur von lebensfeindlichen minus 18 Grad Celsius. Unter der Wirkung der natürlich vorhandenen Treibhausgase, insbesondere durch Wasserdampf, stellt sich eine mittlere Temperatur von plus 15 Grad Celsius ein. Dieser prinzipielle Mechanismus wurde bereits 1824 durch Jean Baptiste Joseph Fourier  (1768 – 1830) erkannt, einem begnadeten französischen Mathematiker und Physiker, der beinahe in den Wirren der Französischen Revolution auf der Guillotine geendet hätte.

Zum natürlichen Treibhauseffekt kommt nun seit Beginn des Industriezeitalters allerdings ein zunehmender Anteil hinzu, der zu 50 Prozent durch die Emission von Kohlendioxid aus Verbrennungsprozessen und zu 20 Prozent durch Methan aus der Viehhaltung stammt. Weitere Anteile stammen aus den Restbeständen der mittlerweile verbotenen Fluor-Chlorkohlenwasserstoffen,  sowie aus Ozon und Distickstoffmonoxid (Lachgas). Ohne Zweifel hat sich der Anteil von Kohlendioxid, dem mengenmäßig stärksten Treiber, in der Atmosphäre seit Beginn des Industriezeitalters signifikant erhöht.

Es ist der Verdienst des US-amerikanischen Chemikers Charles David Keeling, die Messreihe zur Aufzeichnung des Kohlendioxidgehaltes auf dem Vulkan Mauna Loa auf Hawaii begonnen und über viele Jahre durchgehalten zu haben. Die nach ihm benannte Keeling-Kurve belegte als erste den kontinuierlichen Anstieg der Kohlendioxidkonzentration. Die überlagerten Schwankungen in einem Jahr resultieren aus dem jahreszeitlichen Einfluss der Vegetation, die im Sommer auf der Nordhalbkugel Kohlendioxid bindet.

Kohlendioxidemissionen sind der Tribut, den wir für unseren Wohlstand zahlen müssen. Wenn wir unsere Wohnung heizen, mit dem Auto fahren, Strom verbrauchen – letztlich gewinnen wir die Energie hierzu überwiegend durch Verbrennung von Erdöl, Erdgas und Kohle. Wenn auch in einigen Staaten zunehmend Energie aus regenerativen Techniken wie Windrädern, Biogasanlagen, Wasserkraft und Solaranlagen gewonnen wird, sind wir auf absehbare Zeit noch von den fossilen Energieträgern abhängig.

Die Entwicklung zu höheren Temperaturen ist mittlerweile gut nachzuvollziehen (siehe Abbildung). Dass die Anstiege in den beiden Bildern gleichzeitig verlaufen, ist kein Beweis für eine kausale Abhängigkeit. So könnten auch Vulkanausbrüche und Schwankungen in der Intensität der Sonnenstrahlung Ursachen für Temperatureffekte sein. Es erhärten sich allerdings die Indizien für eine menschengemachte Ursache des Temperaturanstiegs. Eine überwiegende Mehrheit der mit dem Thema befassten Wissenschaftler sieht eindeutige Beweise für die Tatsache, dass die Verbrennung der fossilen Energieträger zu einer Klimaveränderung führt.

Es wird angenommen, dass eine Erwärmung um zwei Grad Celsius noch tolerabel ist. Darüber hinaus kann es gefährlich werden, insbesondere wenn sich kein stationäres Gleichgewicht, sondern eine Kipp-Situation einstellt, bei der die Temperatur entgleist. Dann ist die Klimakatastrophe da. Die heutigen Bestrebungen der internationalen Politik zielen daher auf eine Begrenzung auf eine maximale Erhöhung von zwei Grad ab. Allerdings zeichnet sich ab, dass die aktuellen Emissionen – auch in Deutschland – deutlich hinter den gesetzten Zielvorgaben liegen.

Da die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen zumindest kurzfristig zu höheren Kosten und/oder Verlust an Wohlstand führt und es in Entwicklungs- und Schwellenländern einen erheblichen Nachholbedarf gibt, darf man skeptisch über die weitere Entwicklung sein. Wie unterschiedlich heute die Situation in verschiedenen Ländern ist, zeigt die nebenstehende Abbildung.

China, der größte Emittent, leidet unter großen Umweltsünden der Vergangenheit. Seit kurzem findet unter erheblichem Leidensdruck ein Umdenken statt. In den USA definiert sich die Trump-Regierung gerade eigene Pseudo-Wahrheiten und Realitäten, indem sie den Klimawandel leugnet. Die US-Umweltbehörde EPA wurde gar angehalten, die Begriffe science-based und climate change nicht mehr zu verwenden.

Die Hoffnung stirbt zuletzt, dass auf lange Sicht die Vernunft siegen wird. Bis dahin wird allerdings wertvolle Zeit verloren sein.

Der Treibhauseffekt sorgt also nicht nur im Gewächshaus für ein reiches Angebot an Obst und Gemüse, sondern auch insgesamt für lebensfreundliche Bedingungen auf der Erde. Durch die Produktion von mehr Treibhausgasen sind wir allerdings dabei, diese Bedingungen zu verändern. Schon heute ist eine Temperaturerhöhung unabwendbar. Je nach Erfolg der Reduzierungsmaßnahmen wird diese mehr oder weniger hoch ausfallen.

Die Naturwissenschaften können somit Erklärungen liefern und Aussagen über die weitere Entwicklung machen. Entscheiden und umsetzen müssen Staaten und Politiker. Wir selbst können durch unser Verhalten einen bescheidenen Beitrag liefern.

Weiterführende Literatur:

• Gute Darstellung von Details in größerer Tiefe: wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Klimawandel:Portal

• Geschichte des Treibhauseffektes: scienceblogs.de/primaklima/2009/06/25/geschichte-des-treibhauseffekts-von-herschel-zu-fourier/

• Joseph Fourier: www.spektrum.de/wissen/joseph-fourier-1768-1830/1156113

• Kriener, M., Zeit Online: Die Erde im Schwitzkasten, drei Teile: https://www.zeit.de/2015/48/treibhauseffekt-klimawandel-erderwaermung-klimagipfel

von Dr. Norbert Kalkert

Kontakt

Telefon: 05531/9304-0
E-Mail: info@tah.de

 

Öffnungszeiten
Montag bis Freitag:
8.00 bis 16.00 Uhr
Samstag:
8.00 bis 11.00 Uhr