Aufgrund des Stefan-Boltzmann’schen Gesetzes (siehe S. 83) strahlt die gesamte Erdoberfläche 4π R E 2 Temperaturstrahlung mit der mittleren Erdtemperatur T E ab. Es gilt daher: 4π R E 2· σ T E 4 = π R E 2·1 000W/m2 ( σ = 5,67·10−8 W/m2·K4) Daraus ergibt sich TE ≈ 258 K ≈ −15 °C. Damit wäre die Erde ein zu Eis erstarrter Planet. Im Gegensatz zum errechneten Wert hat unsere Erde eine mittlere Temperatur von +15 °C. Wo liegt der Fehler? Wir haben in unserer Abschätzung einen wichtigen Faktor nicht berücksichtigt: die Atmosphäre der Erde und den natürlichen Treibhauseffekt. 2.2 Der Treibhauseffekt Die Erde erhält Energie von der Sonne als elektromagnetische Strahlung. Wie die Grafik 85.4 zeigt, wird ein Teil der Energie von der Atmosphäre ins Weltall reflektiert, ein Teil wird von der Atmosphäre absorbiert, ein Teil gelangt zur Erdoberfläche und wird dort absorbiert oder (von Wolken, Wasser- und Eisflächen) reflektiert. Die absorbierte Energie wird von der Erde als infrarote Strahlung emittiert und trifft wieder auf die Atmosphäre. Diese enthält Gase, insbesondere Wasserdampf und CO2, die das von der Erde emittierte Infrarot praktisch vollständig absorbieren, ähnlich wie das Glasdach eines Treibhauses. Wie die Erde gibt auch die Atmosphäre diese Strahlung in Form von Wärmestrahlung (Infrarot) wieder ab. Die Gasmoleküle der Atmosphäre emittieren die Strahlung aber nun in alle Richtungen: Die Hälfte wird in den Weltraum abgestrahlt, die andere Hälfte wieder zur Erde. Dieser Betrag kommt nun zur durchgelassenen Strahlung hinzu und bewirkt eine Erwärmung der Erde. Da der Energieaustausch im Kreis zwischen Atmosphäre und Erde läuft, bleibt die dadurch verursachte Erwärmung der Erde konstant. Man bezeichnet diesen Effekt als natürlichen Treibhauseffekt. Der Treibhauseffekt besteht, seit die Erde eine Atmosphäre hat. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt wäre Leben auf der Erde nicht möglich. Untersuche, überlege, forsche: Klimadaten 85.1 W4 NASA und ESA erfassen über Satelliten globale Messwerte zu Temperatur, Wasserdampf, Niederschlägen, Vegetation usw. und deren Wechsel über die Jahreszeiten hinweg. Erkläre, was uns diese Grafiken über den Klimawandel sagen. 85.1 Verlauf der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre, vertikale Achse: CO2 in ppm, horizontale Achse: Jahre vor Gegenwart. Aufgrund von Untersuchungen des ewigen Eises kennt man heute die CO2-Werte der letzten 800 000 Jahre. Die Konzentration schwankte zwischen 150 ppm (Eiszeiten) und 280 ppm. Gegenwärtig beträgt sie 420 ppm (Dezember 2023). Quelle: NOAA. 85.2 Der CO2-Gehalt (in ppm auf der vertikalen Achse) in der Atmosphäre, gemessen am Mauna Loa Observatorium auf Hawaii. Die CO2-Konzentration ist von 1960 bis heute (horizontale Achse) stark gestiegen. Quelle: NOAA. 85.3 Die Grafik zeigt den CO2-Gehalt (in ppm auf der linken vertikalen Achse) in der Atmosphäre (blau) und die globalen CO2-Emissionen (grau, in Gigatonnen auf der rechten vertikalen Achse). Man erkennt, dass der CO2- Gehalt in der Atmosphäre vor allem durch die CO2-Emissionen seit Ende des 19. Jahrhunderts beeinflusst wird. Quelle: NOAA. 85.4 Strahlungshaushalt der Erde: Die Erde erhält Energie von der Sonne in Form von elektromagnetischer Strahlung. Was geschieht mit dieser Strahlung? Etwa 30 % werden von Wolken, Eisflächen und Meeresflächen ins Weltall zurückreflektiert. Etwa 20 % werden von der Atmosphäre absorbiert. Der Rest der einfallenden Strahlung ist hauptsächlich sichtbares Licht und fällt auf den Erdboden. Was aber geschieht mit der absorbierten Energie? Die von der Atmosphäre absorbierte Strahlung wird als Infrarot-Strahlung (IR-Strahlung) zurück zur Erde und in den Weltraum emittiert. Auch der Großteil der von der Erde absorbierten Strahlung wird wieder als IR-Strahlung emittiert. Diese IR-Strahlung wird von der Atmosphäre absorbiert und von dort teilweise wieder Richtung Erde zurückgestrahlt (Abbildung aus dem IPCC Fourth Assessment Report, Working Group 1, FAQ 1.1, Figure 1, weitere Informationen siehe y7hn3n). Treibhauseffekt: Die Treibhausgase (Wasserdampf, CO2, CH4, fluorierte Kohlenwasserstoffe) absorbieren einen Teil der von der Erde abgestrahlten Wärmestrahlung und strahlen sie teilweise zur Erde zurück. Ohne Treibhauseffekt wäre die mittlere Temperatur der Erdoberfläche −18°C statt +14°C. Der Planet Venus verdankt seine hohe Temperatur von 460°C dem Treibhauseffekt. 85 2 Der Treibhauseffekt Strahlungshaushalt der Erde y7hn3n Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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