Untere Atmosphäre

Basis

Licht und der Treibhauseffekt

Welche Energie auch immer unseren Planeten antreibt, sie kommt von der Sonne. Aber was geschieht mit dem Licht der Sonne auf dem Weg zur Erde? Und was geschieht mit deren Energie auf dem Weg zurück ins Weltall?

Die Atmosphäre hat einen Einfluss auf das Licht

Wie wir in der ersten Einheit des Themas 'Untere Atmosphäre' gelernt haben, besteht die Luft aus verschiedenen Gasen. Außerdem treiben Partikel in der Luft, kleine Teilchen, die wir auch Aerosole nennen. Nicht zuletzt befindet sich viel Wasser in der Luft, welches manchmal kleine Tröpfchen bildet und zu Wolken wird.
Während eines Sandsturms, wenn die Sonne durch den Staub bleich wird, oder an einem regnerischen Tag, wenn Wolken den Himmel bedecken, ist es viel dunkler als bei klarem Himmel ohne Wolken und reiner Luft. Es ist also offensichtlich so, dass die Menge an Licht, die die Erde erreicht, sich ändern kann. Aber auch die unsichtbaren Gase in der Luft haben einen Einfluss auf das Licht, das von der Sonne kommt.

Energie ist im Gleichgewicht

Wenn Sonnenlicht die Erde erreicht, erwärmt sie sich. Das Wasser der Ozeane wird im Sommer wärmer. Straßen können sich sogar so stark aufheizen, dass sie zu heiß werden, um mit bloßen Füßen auf ihnen zu laufen. Die warme Erde strahlt auch wieder Energie ab, zurück in den Weltraum. Aber diese Strahlung unterscheidet sich von der, die von der Sonne kommt. Sonnenlicht ist sichtbares oder ultraviolettes Licht. Die von der Erde ausgesandte Strahlung ist nicht sichtbar. Wir nennen sie Infrarotlicht oder langwellige Strahlung, auch Wärmestrahlung. Sie hat eine geringere Energie als das Sonnenlicht.

• Wir müssen eine wichtige Regel im Kopf behalten:

Würde die Erde nicht auch Strahlung zurücksenden, so würde sich alle Energie, die von der Sonne kommt, aufstauen und die Erde würde heißer und heißer werden. Dies ist aber nicht der Fall. Energie ist im Gleichgewicht. Dies bedeutet: Die Erde gibt wieder zurück, was sie erhalten hat.
Strahlungsenergie kommt von der Sonne. Wir nennen sie Licht und zeigen sie auf dem folgenden Bild in gelb. Strahlung wird aber auch von der Erde abgesandt. Wir nennen sie Infrarotlicht, Infrarotstrahlung oder auch langwellige Strahlung und zeigen sie auf dem folgenden Bild in rot.

2. Was geschieht mit der Strahlung? Wir erklären es in zehn Punkten.
Autor: Elmar Uherek

Eine Flash-Animation zeigt den Prozess schrittweise. Entwickelt und zur Verfügung gestellt von: Florian Thierfeldt.

Was passiert, wenn Strahlung die Atmosphäre durchläuft?

Schauen wir uns zunächst an, was mit dem Sonnenlicht geschieht:

(1) Die Sonne ist Quelle aller Strahlung und Energie, die vom Weltall aus die Erde erreicht.
(2) Ein Teil des Sonnenlichtes erreicht die Erdoberfläche mit all ihren verschiedenen Landschaften: Wälder, Ozeane, Wüsten, Savanne, Städten, Eis und Schnee.
(3) Die Erde nimmt nicht die gesamte Sonnenenergie auf, sondern reflektiert einen gewissen Anteil. Reflexion bedeutet, die Strahlung wird zurückgeschickt, ohne dass sich die Erde erwärmt. Besonders sehr helle Oberflächen (z.B. Eis und Schnee) sind sehr gute Reflektoren.
(4) Reflexion erfolgt aber nicht nur an der Erdoberfläche. Das Licht wird teilweise schon an der Oberseite der Wolken reflektiert, kleinere Anteile auch von Aerosolen.
(5) Die Aufnahme von Licht (wir nennen sie Absorption) erfolgt nicht nur an der Erdoberfläche. Auch die Gasmoleküle und Partikel in der Luft absorbieren Sonnenlicht.

Der Anteil des Sonnenlichtes, der die Erde erreicht, erwärmt ihre Oberfläche. Die Erde sendet langwellige Strahlen zurück. Wir wollen nun schauen, was mit dieser Wärmestrahlung geschieht.

(6) Die von der Sonnenstrahlung erwärmte Erdoberfläche ist eine Quelle von Wärmestrahlung (langwelliger Infrarotstrahlung).
(7) Ein Teil von dieser Energie wird benötigt, um Wasser zu verdunsten. Wie wir z.B. von einem Wasserkocher wissen, benötigen wir Energie, um Wasser vom flüssigen Zustand (z.B. in den Ozeanen) in den gasförmigen Zustand zu bringen (Wasserdampf in der Luft).
(8) Ein Teil der Infrarotstrahlung geht direkt zurück ins Weltall, aber dieser Anteil ist klein.
(9) Wolken reflektieren nicht nur das Sonnenlicht. Sie absorbieren auch die Strahlung der Erde und strahlen wieder zurück. Ein wolkiger Himmel hält die Erde wärmer wie eine Decke.
(10) Schließlich befinden sich verschiedenste Gase und Partikel in der Luft, die, die Infrarot-Strahlung absorbieren. Wir nennen die Gase Treibhausgase. Sie halten die Energie der Wärmestrahlung in der Nähe der Erdoberfläche fest.

All diese Wechselwirkungen zwischen Licht und Atmosphäre finden in unserem Klimasystem statt und wir müssen sie zu seinem Verständnis berücksichtigen. Aber warum sprechen wir von einem Treibhauseffekt?

3. Der Treibhauseffekt - vergleiche die Wechselwirkung mit Licht in einem Treibhaus und auf der Erde!
Originalquelle: NOAA

Die Rolle der Treibhausgase in der Atmosphäre kann mit dem Glas in einem Treibhaus verglichen werden. Das Glas läßt das Sonnenlicht hinein und das Licht erwärmt Boden und Pflanzen im Treibhaus. Diese geben nun wiederum Wärmestrahlung ab. Erreicht diese aber das Glas, so kann sie nicht durchdringen wie das Sonnenlicht, sondern das Glas* sendet einen Teil der Strahlung zurück in das Treibhaus, in welchem es warm wird. Genau dies tun auch die Treibhausgase in der Atmosphäre: Sie lassen das Sonnenlicht hinein, aber die Wärmestrahlung der Erde nicht mehr hinaus.

*Beachten müssen wir hierbei, dass Glas ein Feststoff ist und damit auch eine Barriere für warme Luftströme. Dies ist in der Atmosphäre nicht so, sodass das Treibhaus kein perfektes Modell ist.
 

Reaktion der Atmosphäre auf erhöhte Treibhauswirkung

Wird der Treibhauseffekt durch Zunahme der Treibhausgase verstärkt, dann passt sich das Klima dem an. Die mittleren Temperaturen in Bodennähe steigen im Vergleich mit einem natürlichen, ungestörten System, wie wir es vor dem Industriezeitalter hatten. In der Stratosphäre jedoch sinkt die Temperatur.
 

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Author: Dr. Elmar Uherek - MPI for Chemistry, Mainz
scientific reviewer: Dr. Pascal Guyon - MPI for Chemistry, Mainz
educational reviewer: Roland Bergmann + students, Velbert comprehensive school
Zuletzt überarbeitet: 2007-08-20