Untere Atmosphäre

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Die Strahlungsbilanz der Erde und der Treibhauseffekt

Die Energie der Sonnenstrahlung ist der Motor unseres Klimasystems. Nur ein gewisser Anteil dieser Energie erreicht aber die Erdoberfläche und erwärmt diese auch. Die anderen Anteile werden entweder von Wolken oder an der Erdoberfläche zurückgeworfen oder von der Atmosphäre vorher absorbiert. Wie genau funktioniert dieses Strahlungssystem?

a) Im Hinblick auf die Strahlung können wir das System Erde in drei Abschnitte unterteilen:
1) den Raum jenseits der Atmosphäre
2) die Atmosphäre
3) die Erdoberfläche
In jedem dieser Abschnitte ist die Menge der hereinkommenden Energie gleich der Menge der hinausgehenden Energie. Wäre dies nicht so, so würde ein Abschnitt kontinuierlich Energie verlieren oder gewinnen, er würde entweder wärmer und wärmer oder kälter und kälter werden. Über lange Zeiträume gesehen ist dies jedoch nicht der Fall. Wir haben überall ein Gleichgewicht.
b) Treibhausgase produzieren also in diesem Sinne keine Energie. Sie helfen vielmehr, ein Gleichgewicht auf einem Niveau zu erzeugen, bei dem die bodennahe Schicht der Atmosphäre, in der wir leben, ungewöhnlich warm ist.

Die Realität ist deshalb ein wenig komplizierter, weil die Ozeane nur sehr langsam auf Temperaturveränderungen reagieren. Sie sind träge. Während die Atmosphäre sich sehr rasch erwärmt, nehmen die Weltmeere die Wärme nur langsam auf und ein Gleichgewicht stellt sich nicht sofort ein. Daher kann die Erde für eine gewisse Zeit (ein Austausch des Ozeanwassers dauert etwa 1000 Jahre) in einem thermischen Ungleichgewicht sein, bevor sich die Ozeane auf die neuen Bedingungen eingestellt haben. Die Strahlungsbilanz in dem oben dargestellten Bild ist aus diesem Grund und auf Grund anderer Unbekannter nicht ganz exakt, sondern hat eine Unsicherheit von 10-20%. In den folgenden Abschnitten gehen wir jedoch von einem Gleichgewichtszustand aus.

Die Rolle der Treibhausgase

Die Rolle der Treibhausgase gleicht der eines Pullovers an kalten Wintertagen. Trügen wir im Winter keine Kleidung, so würde unser Körper auskühlen und frieren. Ein Pullover jedoch heizt weder unsere Umgebung noch sorgt er dafür, dass unser Körper mehr Energie produziert. Er hält schlicht die Energie unseres Körpers in dessen Nähe fest und verhindert die Abstrahlung. Dadurch bildet sich eine warme Schicht zwischen Pullover und Haut. Genau dies tun auch Treibhausgase. Ein steigender Treibhauseffekt bedeutet somit nicht, dass mehr Energie die Erdoberfläche erreicht, aber die Rückstrahlung und die thermische Isolation der Erde gegen den Weltraum werden verstärkt. Mehr Wärme sammelt sich nahe der Erdoberfläche, bevor sie freigegeben wird.

Die Energiebilanz verstehen

Wir messen die Strahlung, die transportiert oder von einem Teil des Systems ausgestrahlt wird, in W/m² (Watt pro Quadratmeter). Z.B. könnten die 100 W einer Glühbirne auf 100 m² Boden, Wand- und Deckenfläche eines Raumes einstrahlen und wir hätten 1 W/m².

Zunächst wollen wir zeigen, dass in jedem Teil des Systems die gleiche Menge an Energie hereinkommt und wieder hinausgeht. 342 W/m² kommen von der Sonne und treffen auf die äußere Hülle unserer Atmosphäre. 107 W/m² werden direkt wieder zurückgeworfen (reflektiert), entweder von den Wolken oder von der Oberfläche der Erde. Den Anteil der Energie, der direkt wieder in den Weltraum zurückgeworfen wird, ohne dass weiteres mit ihm geschieht, bezeichnen wir als die Albedo der Erde.

Definition der Albedo: Die Albedo ist der Anteil des von einem Körper reflektierten Lichtes im Verhältnis zu dem auf ihn auftreffenden Lichtes. Die Albedo kann zwischen 0 (pechschwarz) und 1 (perfekter Reflektor) variieren.

Die Albedo der Erde ist ungefähr 0,3. Die besten Reflektoren sind Wolken und die polaren Eiskappen. Diejenigen 235 W/m², die nicht zurückgeworfen werden, treten in Wechselwirkung mit der Atmosphäre oder mit der Erdoberfläche. Sie erfahren eine Umwandlung und verlassen das System wieder als langwellige Strahlung (Wärmestrahlung).

Wenn wir die Strahlungsbilanz der Atmosphäre betrachten, so müssen wir berücksichtigen, dass die Luftteilchen in alle Richtungen Energie abgeben. Die Energie kann somit in Richtung des Weltraumes oder zurück zur Erdoberfläche fließen. Die Rückstrahlung der Treibhausgase ist somit eine Art Energierecycling, das dazu führt, dass die Erdoberfläche mehr Energie aufnimmt (492 W/m²), als die Sonne eigentlich hergibt.

Das Atmosphärische Fenster

Nur 40 W/m² werden von der Atmosphäre direkt als langwellige Strahlung in den Weltraum abgestrahlt.

Diese können passieren, da Treibhausgase nicht auf allen Wellenlängen des Lichtes absorbieren. Es gibt einige Lücken in den Absorptionsspektren des Wassers, welches ca. 60% der zurückgehaltenen Infrarotstrahlung absorbiert, des Kohlendioxids, Methans, Distickstoffmonoxids, des Ozons sowie weiterer Treibhausgase. Besonders wichtig sind diese Lücken bei Wasser und Kohlendioxid. Sie öffnen das natürliche 'atmosphärische Fenster'. Durch dieses kann die angestaute Wärmestrahlung entweichen wie durch ein Fenster im Dach eines Treibhauses.

Natürlich ist der Vergleich von Treibhausgasen mit dem Glasdach eines Treibhauses nicht perfekt. Während die Gase nur mit Licht wechselwirken, ist Glas ein festes Material, das auch den Austausch von Luft durch Konvektion verhindert, sodass sich die Hitze staut.

6. Wo absorbiert was?
Nur ein Teil der theoretisch berechneten Strahlung der Erde kann wirklich in den Weltraum emittiert werden. Den Rest nehmen die Treibhausgase auf. Jedes dieser Gase deckt dabei mit seiner Absorption verschiedene Wellenlängen und Energiebereiche im elektromagnetischen Spektrum des sichtbaren und nicht sichtbaren (UV, Infrarot) Lichtes ab.
Animation: Anja Kaiser © ESPERE

7. Wieviel Strahlung tritt bei welchen Wellenlängen durch die Atmosphäre?
Die Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit der Atmosphäre zeigt, dass sie in bestimmten Bereichen undurchlässig ist. Das Bild oben zeigt diese Bereiche in braun. Von besonderem Interesse ist hierbei das nahe Ultraviolettlicht (1), das sichtbare Licht (2) und das nahe Infrarotlicht (3).
Ozon absorbiert im Bereich (1) und macht die Atmosphäre weitgehend undurchlässig für das gefährliche UV-B Licht von der Sonne. Sichtbares Licht (2) kann relativ ungehindert bis zur Erdoberfläche durchdringen. Es erhellt unsere Tage und erwärmt die Erdoberfläche. Im Bereich (3) kann Infrarotlicht aus der Abstrahlung der Erdoberfläche (siehe Bild oben) in den Weltraum entweichen, jedoch nur in bestimmten Wellenlängenbereichen. Vor allem Wasser und Kohlendioxid machen Teile des Infrarotbereiches undurchlässig (Treibhauseffekt). Wenn andere Gase (O₃, CH₄, N₂O) in dem verbleibenden atmosphärischen Fenster absorbieren (siehe Spektren oben), so sind sie besonders wirkungsvolle Treibhausgase.

About this page:

author: Dr. Elmar Uherek - MPI for chemistry, Mainz
scientific reviewing: Dr. Benedikt Steil - MPI for chemistry, Mainz 2004-05-16
educational proofreading: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
last published: 2008-06-23

Die Animation Bild Nr. 6 auf dieser Seite entstand durch Unterstützung der Chemieverbände Rheinland-Pfalz.