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Broeikaseffect
Reflektierte und emittierte Strahlung
(Quelle: NASA)

Es Treibhauseffekt ist der Prozess, bei dem Wärmestrahlung einer Planetenoberfläche wird von atmosphärischen absorbiert Treibhausgase und dann in alle Richtungen ausstrahlen. Da ein Teil an die Erdoberfläche zurückgeschickt wird, erhöht sich die Oberflächentemperatur. Die Atmosphäre ist selektiv transparent: Sie lässt sichtbares Licht der Sonne fast vollständig durch. Ohne den Treibhauseffekt, also rein die Wirkung von Sonnenlicht und Erdwärme, wäre die Oberflächentemperatur Boden im Durchschnitt -18°C betragen; tatsächlich sind es jedoch 15 °C. Der Effekt ist nach dem . benannt Gewächshaus wo ein Glas- oder Kunststoffdach die Wärmeabstrahlung blockiert und so die Temperatur im Gewächshaus erhöht.

Menschliches Handeln, wie z Abholzung und die Verbrennung von fossile Brennstoffe die Konzentration einer Reihe von Treibhausgasen auf der Erde ansteigen lassen und damit den Treibhauseffekt verstärken. Dies führt zu dem Erderwärmung.

Operation

Die Temperatur der Erdoberfläche wird durch ein Gleichgewicht mehrerer Faktoren bestimmt.

Beiträge, die Wärme hinzufügen, sind:

  • Strahlung der Sonne, die nicht sofort reflektiert wird;
  • geothermische Hitze.

Der Oberfläche wird Wärme entzogen durch:

Der Wärmetransport erfolgt auf unterschiedliche Weise durch Verdunstung und Konvektion. Die Verdunstung kühlt die Erd- oder Meeresoberfläche ab, woraufhin die warme und feuchte Luft aufsteigt und Wolken bildet. Bei dieser Wolkenbildung wird die an der Erdoberfläche aufgenommene Wärme während des Kondensationsprozesses wieder abgegeben, so dass per Saldo Wärme von der Erdoberfläche in höhere Luftschichten transportiert wird. Diese Wärme- und Wassertransport leistet einen wichtigen Beitrag zum Temperaturanstieg bei höheren Breitengrade.

Andere Wärmequellen, z. B. Brennen fossile Brennstoffe, abgesehen von den damit verbundenen Treibhausgasemissionen, sind in Bezug auf Input und Emissionen vernachlässigbar.

Der Beitrag des Sonnenlichts und die Abnahme der Wärme durch die Strahlung hängen auf komplexe Weise von einer Reihe von Umständen ab:

  • Eis und Schnee reduzieren die absorbierte Sonnenstrahlung und reduzieren auch ihre Ausstrahlung;
  • Wolken reflektieren das Sonnenlicht, behindern aber andererseits die Strahlung;[1]
  • Treibhausgase absorbieren Strahlung aus beiden Richtungen, mit einer Netto-Reduktion der Strahlung;
  • feiner Staub in der Luft reflektiert hauptsächlich sichtbares Licht und reduziert so per Saldo die Erwärmung durch die Sonne, außerdem erleichtert es die Bildung von Wolken;
  • Einige Stoffe (wie z Ruß) machen Wolken weniger reflektierend, andere Stoffe (wie Schwefeldioxid) einfach mehr. Ruß beeinflusst auch das Ausmaß der Reflexion von Eis.

Da ist ein Balance weil die Infrarotstrahlung mit steigender Temperatur zunimmt. Die einfallende Strahlung der Sonne hat eine kürzere Wellenlänge (normalerweise sichtbares Licht) als die Strahlung (normalerweise Infrarotstrahlung). Treibhausgase absorbieren hauptsächlich Infrarotstrahlung und werfen sie zurück an die Erdoberfläche, absorbieren jedoch weniger der einfallenden Strahlung der Sonne. Dies erhöht die Gleichgewichtstemperatur auf der Erde und wird als Treibhauseffekt bezeichnet.

Beispiele für Treibhausgase sind Wasserdampf[2] (verursacht 36-70% des Treibhauseffekts, Wolken nicht mitgerechnet), Kohlendioxid (CO2, verursacht 9-26%), Methan (CH4, verursacht 4-9%) und Ozon (Ö3, verursacht 3-7%).

Bei Lachgas ist der Treibhauseffekt etwa 300-mal größer als bei Kohlendioxid.[3] Generell ist die Emission von Lachgas auch im globalen Maßstab relativ begrenzt.[4] Es kann jedoch bis zu anderthalb Jahrhunderte dauern, bis es abgebaut ist. Deshalb zählt es auch zu den wichtigsten Treibhausgasen und erklärt bis zu 7 % des Treibhauseffekts.

Der Wasserdampfgehalt der Luft hängt stark von der Temperatur ab: Je wärmer, desto mehr Verdunstung, desto mehr Wasserdampf befindet sich in der Luft. Auch die maximale Wasserdampfmenge pro Liter Luft steigt mit steigenden Temperaturen, so die Clausius-Clapeyron-Gesetz. Die Menge anderer Treibhausgase bestimmt daher maßgeblich die Konzentration des Wasserdampfs.

Analogie mit echtem Gewächshaus

Der Vergleich zwischen einem Treibhaus und dem Treibhauseffekt der Erde ist nicht gut. In einem Gewächshaus steigt die Temperatur im Verhältnis zur Umgebung. Die Hauptursache hierfür ist, dass die Luft im Gewächshaus nicht aufgefrischt wird (anders als außerhalb des Gewächshauses). Der Treibhauseffekt hingegen bezeichnet eine Strahlungsfalle, bei der Treibhausgase die von der erwärmten Erdoberfläche im Sonnenlicht emittierte Infrarotstrahlung absorbieren und teilweise wieder nach unten reflektieren. Die Vorstellung, dass ein echtes Gewächshaus ähnlich einer Strahlungsfalle funktioniert, dass im Gewächshaus reflektiertes Sonnenlicht längerwellig ist und daher durch das Glas blockiert wird, ist falsch. R. W. Wood zeigte bereits 1909 mit einem einfachen Experiment, dass dies nicht stimmt. Er benutzte zwei ansonsten identische Gewächshäuser, eines aus Glas und das andere aus Steinsalz. Die niederfrequente Strahlung, die in der Strahlungsfalle Wärme erzeugen soll, wird von Glas reflektiert, nicht aber von Steinsalz. Bei richtiger Strahlungsfallenhypothese sollte das Glasgewächshaus eine deutlich höhere Temperatur haben. Beide Gewächshäuser erhielten jedoch fast die gleiche Temperatur, was zeigt, dass der „Treibhauseffekt“ in realen Gewächshäusern kaum eine Rolle spielt. Die Erwärmung ist hier hauptsächlich auf die blockierte Konvektion zurückzuführen, die normalerweise die wärmende Luft nach oben transportieren würde. Die Erdatmosphäre kann ihre Wärme jedoch nur nach oben an das Vakuum des Weltraums abgeben und die Konvektion beschränkt sich auf der Erde auf die Troposphäre. Somit ist die Wärmestrahlung die einzige Form des Wärmeverlusts für die Erde insgesamt, und deshalb ist der Strahlungsabfall, auf den sich der Name "Treibhauseffekt" bezieht, verhältnismäßig viel größer. [5]

Entdeckung des Treibhauseffekts

Der Treibhauseffekt hat sich über die Jahre entwickelt 19. Jahrhundert durch die kombinierten Beobachtungen mehrerer Wissenschaftler entdeckt. 1827 kam das Kwam FranzoseJoseph Fourier mit der Idee, dass die Temperatur nur durch unsichtbare Wärmestrahlung erklärt werden kann. Der amerikanische Physiker Eunice Newton Foote veröffentlicht im Jahr 1856 für die AAAS ihre Forschungen über die Erwärmung der Luft durch die Sonne und wie diese Erwärmung unter dem Einfluss von Kohlendioxid zunahm. Das EngländerJohn Tyndall veröffentlichte 1861 Ergebnisse von Labormessungen, die zeigten, dass Wasserdampf und Gase wie Kohlendioxid absorbieren Wärmestrahlung. Er dachte, dass Variationen dieser Gase die Klimaveränderungen erklären könnten.

Im Jahr 1896 veröffentlichte die SchwedeSvante Arrhenius Berechnungen von Temperaturänderungen auf der Erde aufgrund von Schwankungen der Kohlendioxidmenge. Ihm zufolge führte eine Verdoppelung zu einer Erwärmung um 4 bis 6 Grad. 1906 stellte er dies jedoch auf 1,6 Grad ein.[6] Arrhenius gilt daher als Entdecker der Erderwärmung.

Der Treibhauseffekt auf anderen Planeten

EIN Planet was einen starken Treibhauseffekt hat ist der Planet Venus. Denn Venus ist näher am Sonne als auf der Erde ist aufgrund der erhöhten Wärmestrahlung mit einer höheren Oberflächentemperatur als auf der Erde zu rechnen. Der Unterschied ist jedoch viel größer als aufgrund des Abstandsunterschieds zu erwarten wäre, und die Oberflächentemperatur der Venus (480°C) ist höher als die der Venus. Merkur, obwohl Merkur viel näher an der Sonne ist.

Der Grund ist, dass die Venus sehr dicht ist Atmosphäre das zum größten Teil aus dem Treibhausgas CO . besteht2 existiert. Der Treibhauseffekt ist daher auf der Venus sehr stark. Quecksilber hingegen hat praktisch keine Atmosphäre und damit auch keinen Treibhauseffekt. Obwohl die Einstrahlung auf der der Sonne ausgesetzten Seite sehr hoch ist, ist auch die Einstrahlung sehr hoch. Dadurch sind die Unterschiede zwischen Tag- und Nachttemperaturen sehr groß (in der Größenordnung von 250 und -250 Grad Celsius).

Basierend auf Fotos von Mars gemacht von der Mars Global Surveyor und der NASA-Mission Odyssey lässt sich ableiten, dass die CO2Eisschild auf dem Mars schrumpft. Berechnungen von Fenton, Geissler und Haberle[7] stützen die Aussage, dass das Schmelzen des CO2Eisschild auf dem Mars durchläuft eine positive Rückkopplungsschleife von Staubstürmen.

Aktuelle Verstärkung des Treibhauseffekts

sehen Erderwärmung für den Hauptartikel zu diesem Thema.
So funktioniert der Treibhauseffekt (Quelle: ZDF)
Zunahme der Treibhausgase und deren Beitrag (Quelle: NASA)

Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden mehrere Modelle entworfen, die einen systematischen Anstieg der Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre beschreiben. Das wird es sein verstärkter Treibhauseffekt erwähnt. Ende die fünfziger begann systematisch die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre zu messen. Pionier auf diesem Gebiet Charles David Keeling (1928-2005), der die Konzentrationen als erster mit großer Genauigkeit und lange Zeit aufzeichnete. Er tat dies sowohl auf dem Mauna Loa-Vulkan an Hawaii, wie beim amerikanischen Militär SüdpolBahnhof. Nach zweijähriger Messung berichtete er, dass die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre weltweit ansteigt. Messungen aus dem Jahr 2013 zeigen eine durchschnittliche Konzentration von ca. 395 ppm (Teile pro Million) CO2 sehen.[8] Als Keeling mit der Messung begann, waren es 315 ppm und von Luftblasen, die im Eisschild von . gefangen waren Antarktis Daraus wird geschlossen, dass diese Konzentration vor Beginn der Industrielle Revolution etwa 280 ppm. Es ist wahrscheinlich, dass dieser Anstieg auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen ist; ca. 75% durch Verbrennen fossile Brennstoffe und 25% aus massiver Abholzung und damit verbundenen Erosion.[9]

CO .-Erhöhung2 in der Erdatmosphäre

Die gemessene CO-Menge2 in der Atmosphäre seit dem Industrielle Revolution von ca. 270 auf ca. 395 ppm gestiegen (Januar 2013).[10] Aus Eisbohrungen ist bekannt, dass die Konzentration von CO2 war in den letzten 800.000 Jahren noch nie so hoch wie heute.[11] Die Herkunft dieser Stoffe lässt sich aus Messungen der Isotopenkonzentrationen der Kohlenstoff hier drin. Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen enthält kaum die IsotopKohlenstoff-14 aufgrund der 200 Millionen Jahre unterirdischen Speicherzeit, in der Kohlenstoff-14 zu stabileren Isotopen zerfallen ist. Kohlenstoff-14 wird der Atmosphäre unter dem Einfluss von kosmische Strahlung. Die Zusammensetzung des erhöhten CO2 Es gibt wenig Kohlenstoff-14 in der Atmosphäre, was auf die Herkunft fossiler Brennstoffe hinweist. Auch die CO-Konzentration in den Ozeanen steigt2 was bisher zu einem Anstieg des Säuregehalts (pH) von 0,1 führte.[12] CO2 schließlich bildet sich im Wasser Kohlensäure (H2CO3) und das ist ein Acid.

Zusammenhang zwischen CO2 und Temperatur

Siehe für CO Zie2-Messungen des Artikels Kohlendioxid.

Es besteht ein klarer Zusammenhang zwischen dem CO2Konzentration und Temperatur auf der Erde, aber der Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung lässt sich daraus nicht direkt ableiten.[13] Alle Arten von gegenseitigen positiv und Negativ Rückkopplungsmechanismen sorgen für diese komplexe Beziehung. Eine davon ist, dass die Löslichkeit von CO2 im Wasser nimmt mit steigender Temperatur ab. Das CO reagiert jedoch2-Gehalt ändert sich viel langsamer als umgekehrt: Mit steigender Temperatur steigt der CO .-Gehalt2steigt auch nach 800 bis mehreren tausend Jahren an, aber wenn der CO .-Gehalt2Inhalt steigt, wird die Temperatur innerhalb von 40 Jahren ansteigen.

Ohne extern Einflüsse wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe oder Veränderungen der Bahnparameter (was zu führt Eiskappenvariationen) werden die Temperaturänderungen und der Treibhausgasgehalt über die Rückkopplungsmechanismen miteinander in Beziehung gesetzt. Es bleibt unklar, was Ursache und was Wirkung ist. Ändert sich die Temperatur aufgrund von Veränderungen der Bahnparameter der Erde, steigt der Treibhausgasgehalt (langsam) und steigt der Treibhausgasgehalt an, steigt die Temperatur (schnell). Es macht also nur Sinn, von Ursache und Wirkung zu sprechen, wenn äußere Einflüsse vorhanden sind.

Das atmosphärische CO2Der Gehalt ist in den letzten 100 Jahren um etwa 100 ppm gestiegen. Dieser Anstieg ist viel zu groß, um durch den Temperaturanstieg von 0,7 Grad in diesem Zeitraum erklärt zu werden. Er ist auch zu groß, um durch vergangene Temperaturschwankungen erklärt zu werden, die sich Jahrhunderte später auswirken können. Es ist daher plausibel, dass in den letzten 100 Jahren die Temperatur durch den Anstieg des CO . angestiegen ist2Qualität und nicht umgekehrt.

Gashydrate

Ein zusätzlicher Treiber der globalen Erwärmung wäre, dass derzeit am Meeresgrund und unter der Erde ein permanenter Frost herrscht Unterseite im Kanada und Russland (Das wird sein Dauerfrost erwähnt) geologische Strukturen sind das viele Methan (CH4) gespeichert. Seine Verdunstung wird durch den Permafrost gestoppt. Dieses sogenannte Gashydrate würde freigesetzt, wenn der Boden nicht mehr dauerhaft gefroren und damit die Atmosphäre stark mit dem Treibhausgas Methan angereichert wäre.

Siehe auch

Siehe die Kategorie Treibhauseffekt von Wikimedia Commons für Mediendateien zu diesem Thema.