Der Treibhauseffekt

Der Treibhauseffekt ist für uns lebensnotwendig.

Die Erde würde ohne die Strahlung der Sonne eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt (-273° C) haben. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt und die Atmosphäre (bzw. nur mit Stickstoff und Sauerstoff) hätte die Erde eine Temperatur von – 18° C (Effektive Temperatur, gemessen).Anders gesagt:Im Mittel strahlt die Erde in den Weltraum mit einer Temperatur von 255 K = -18°C ab. Das ist aber ein auf einen schwarzen Strahler bezogener Wert und deshalb etwas zu niedrig.. Die Temperatur am Erdboden beträgt aber durchschnittlich 15 Grad.

Untersuchung der Erderwärmung

Wärme breitet sich durch Wärmeleitung, Wärmeströmung, Wärmestrahlung und durch Aggregatszustandsänderungen in bewegter Materie aus. Dabei ist zu beachten: Am Erdboden beträgt die Temperatur durchschnittlich 15 Grad. Sie nimmt mit je 100 m Höhe um 0,5 bis 0,6 Grad ab (Durchschnitt). Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre besagt, dass Wärme NIEMALS von allein von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übertragen wird. Von allein kann also Wärme nicht von der Lufthülle auf den Erdboden übertragen werden. Zwar gibt es Wetterlagen, bei denen wärmere Luftschichten sich über den kalten Boden schieben, aber dies ist erstens sehr viel seltener als der Normalfall und zweitens ist die Herkunft der Wärme dieser Schichten auch die Sonnenstrahlung. Könnte ein Effekt ähnlich wie beim Kühlschrank Wärme von der Atmosphäre zum Boden pumpen? Beim Kühlschrank verdampft in einem geschlossenen System eine Flüssigkeit und entzieht dadurch dem Inneren Wärme. Auf der Rückseite kondensiert die Flüssigkeit und gibt die gleiche Wärme nach außen ab. Das Ganze wird durch Strom angetrieben. Analog "kühlen" eine Wärmepumpen die Umgebung und geben Wärme an Wohnungen ab. Das passiert auf der Erde aber umgekehrt. Das Wasser verdampft an der Oberfläche, besonders von Gewässern und entzieht dort Wärme. In einiger Höhe kondensiert das Wasser und gibt Wärme an die Luft ab. Dieser Prozess ist sehr viel stärker als der gelegtliche Wärmetransport bei inversen Wetterlagen. Deshalb kann man davon ausgehen, dass der strahlungstheoretische Ansatz zur Erklärung der gemessenen Temperaturen der richtige ist. Da die tägliche Temperaturerhöhung der Erde durch den Treibhauseffekt kleiner als 0,0001 Grad ist oder nach Ansicht der "Klimaskeptiker" nicht existiert, kann man davon ausgehen, das Einstrahlung= Ausstrahlung gilt. Die Solar"konstante, die so konstant nicht ist, hat gegenwärtig einen Wert von 1366 W je Quadratmeter. Das ist die Einstrahlung auf einen Quadratmeter, der rechtwinklig zu den Strahlen ist. Deshalb muss man beachten, das eine eine Kreisscheibe nur die halbe Fläche einer Halbkugel hat. Außerdem wird die Erde immer nur zur Hälfte "bestrahlt". Deshalb muss man die Solarkonstante durch 4 dividieren.

Der Emissionsgrad oder das Emissionsvermögen eines Körpers gibt an, wie viel Strahlung er im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler, einem schwarzen Körper, abgibt. Beispiele: Eis bei -9,6 °C und mehr als 4 mm Dicke =0,965, genau wie Wasser bei 10 bis 50 C oder Buchenholz =0,94. Für die Erde als Ganzes= 0,95. Außerdem wird ein Teli der Strahlung reflektiert. Dieser Wert liegt bei 31% oder als Faktor 0,31. Die Ausstrahlung der Erde je Quadratmeter richtet sich nach dem Stefan Boltzmann- Gesetz. Die Rechnung sieht so aus:

Die Temperatur ist um den Faktor G=1,12 höher als berechnet. Dies ist dem Treibhauseffekt zuzuschreiben. Die positive Wirkung des Treibhauseffektes und der Atmosphäre besteht darin, dass die Durchschnittstemperatur etwa 15° C beträgt.

Die Temperatur ergibt sich mit der tatsächlichen Albedo der Erde. Dieser Wert enthält aber die hohe Reflexion durch Eis und Wolken, die es ohne Atmosphäre nicht gibt. Zur Albedo verschiedener Schichten: Wolken 45-90%
Neuschnee (3) 75-95%
Gletscher 20-45%
Meereis 30-40%
Gestein (2) 10-40%
Wälder (1) 5-20%
Wasser 5-10%
Würde man für das Meer einfach die Mittelwerte des Wassers und für das Festland einfach die Mittelwerte von Gestein nehmen, käme man auf eine Albedo von rund 0,13. Da es aber viel mehr Sand als Basalt gibt und aus ähnliche Gründen liegt der realistische Wert bei 0,15.
Jetzt die gleiche Rechnung mit der realistischen Albedo.

Die Wolken und das Eis "kühlen" die Erde also um rund 14 Grad. Es wurde seit 1900 eine Erhöhung der Temperatur um 0,8 Grad beobachtet. Welche Erhöhung der Solarkonstanten wäre nötig, wenn diese die Ursache wäre? Wir rechnen mit der Erde ohne Atmosphäre bzw. einer solchen nur aus Stickstoff und Sauerstoff.

Weitere Erkärungen durch das Ein- Punkt- Modell

1. Was geschieht, wenn durch einen großen Vulkanausbruch viel Schwefeloxide in die Atmosphäre gelangen und die Albedo auf 0,32 steigt? Mit der obigen Formel erhält man 256 K statt der 257 K. Dann multipliziere ich mit dem Faktor G, d.h. 256 K *1,12=286,7K. Das sind 13,7 K. Das entspricht den Beobachtungen nach einem größeren Vulkanausbruch.

2. Vor 4,5 Milliarden Jahren erreichte die Sonne das Hauptreihenstadium. Seitdem hat die Sonnestrahlung um 70% zugenommen. Die "Solarkonstante" lag bei 1366 W/m²/ 1,7=803 W/m². Außerdem verwnden wir nicht die tatsächliche Albedo der Erde , sondern die der 2. Rechnung von 0,15. Wir erhalten 237 Kelvin oder -35,6 °C. Nach einer sehr frühen Phase hoher vulkanischer Aktivität und hohem Anteil an Treibhausgasen lag ein Großteil der Erde im Präkambrium unter einer dichten Eisdecke. Das Modell erklärt die einsetzende Vereisung zumindstens im Prinzip. Danach war die Albedo sehr hoch und die Sonnenstrahlung nahm langsam zu, bis zum Beginn des Kambriums ein Abtauen einsetzte.

Worin besteht der Treibhauseffekt?

Gase lassen das sichtbare Licht der Sonne zu einem bedeutenden Teil durch. Im Bereich des Infrarotlichts nehmen die Moleküle des Wasserdampfes , des Kohlendioxids und des Methans die von der Erdoberfläche nach oben abgestrahlte Energie im Infrarotbereich auf und geben diese kurz danach nach allen Seiten, das heißt auch nach unten, wieder ab. Dadurch wird die Erdoberfläche erwärmt. Das geschieht, weil Gase mit mindestens drei Atomen pro Moleküle statt einzelner Spektrallinien ein so genanntes Rotations- Schwingung- Banden- Spekrum besitzen.