Treibhauseffekt der Atmosphäre

Hallo und ganz herzlich willkommen. In diesem Video geht es um den Treibhauseffekt der Atmosphäre. Du kennst bereits das Strahlungsgleichgewicht und das Stefan-Boltzmann-Gesetz. Nachher kennst du den Treibhauseffekt, ein Modell zur Berechnung der mittleren Temperatur an der Erdoberfläche, den Begriff anthropogener Treibhauseffekt und den realistischen Strahlungshaushalt. Das Video gliedert sich in vier Abschnitte. 1. Wesen des Effekts. 2. Der anthropogene Effekt. 3. Oberflächentemperatur an der Erdoberfläche. Und 4. Realistischer Strahlungshaushalt. Kommen wir also gleich zum Wesen des Effekts. Stellen wir uns vor im Sommer, im geschlossenen Auto. Oder aber auf einem kalten Berg. Beide werden von der Sonne bestrahlt und dabei wird es erheblich wärmer. Besonders im Auto wird es warm wie im Treibhaus. Aber auf dem Berg habe ich schon häufig gehört: „Oh ist das warm, ich schwitze, ich muss den Pullover ausziehen.“ Was hat es nun mit diesem Treibhaus auf sich? Zum ersten einmal durchdringt das Glas, erwärmt die Luft aber nicht. Das Licht erwärmt die festen Stoffe im Treibhaus, diese wiederum erwärmen die Luft und das Wasser innerhalb des Treibhauses. Innerhalb des Treibhauses wird es wärmer, denn Glas ist für infrarote Strahlen undurchlässig. Den Ablauf der Ereignisse und das Ergebnis, das ich hier geschildert habe, bezeichnet man als Treibhauseffekt. Den Herrn hier kennt ihr vielleicht als Mathematiker, es ist Josef Fourier, er war es, der den Treibhauseffekt entdeckte. Das war 1824. Der Treibhauseffekt hat immense Bedeutung für die Erde, die Strahlen der Sonne erreichen praktisch ungehindert die Erde. Dadurch kommt es zu einer erheblichen Temperaturerhöhung. Durch den Treibhauseffekt erhöht sich die Temperatur um etwa 20 bis 30 Kelvin. Das Leben wird auf der Erde dadurch erst möglich. Wie hat man sich das Ganze schematisch vorzustellen? Hier, die Erdoberfläche. Darauf fällt Sonnenlicht ein. Interessant im Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt sind die atmosphärischen Gase, Wasser und Kohlenstoffdioxid. Von diesen wird das Sonnenlicht problemlos durchgelassen. Das Sonnenlicht erwärmt die Erde. Vom Erdboden wird Infrarotstrahlung emittiert. Das gasförmige Wasser und CO₂ sind nicht durchlässig für Infrarotstrahlen und absorbieren diese. Die Gase erwärmen sich und emittieren daher Infrarotstrahlen in alle Richtungen. Als Ergebnis wird ein Teil der Strahlung in den Weltraum gestrahlt und ein anderer Teil zurück zur Erdoberfläche. Durch die Rückstrahlung der Atmosphäre stellt sich das Strahlungsgleichgewicht bei einer höheren Temperatur der Erdoberfläche ein. Diese Verschiebung der Temperatur bezeichnen wir als Treibhauseffekt. Wichtige Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon. Der Treibhauseffekt hat verschiedene Ursachen. Eine Ursache davon ist der anthropogene Effekt. Gemeint damit ist der durch den Menschen hervorgerufene Treibhauseffekt. Im Gegensatz zum natürlichen Treibhauseffekt. Zunächst: Der Wassergehalt der Atmosphäre hat Folgen für das Klima. Denn das Wasser in der Luft hat neben vielerlei Bedeutung hier eine Doppelfunktion. Zum einen leistet das einen großen Beitrag zum Treibhauseffekt, der führt zur Erwärmung auf der Erde, und daher können wir hier leben. Ein Teil des Wassers ist aber direkt in den Wolken gespeichert. Wolken reflektieren das Sonnenlicht und das führt zur Abkühlung, die wir mitunter herbeisehnen. Das zweitwichtigste Treibhausgas bereitet den Menschen viel mehr Kopfzerbrechen. Ihr wisst was ich meine, Kohlenstoffdioxid. Der beobachtete Anstieg von 0,03 Prozent Anteil an der Luft auf 0,04 Prozent erfolgte im zwanzigsten Jahrhundert. Das ist ein Zuwachs von beachtlichen 30 Prozent der gesamten Menge an Kohlenstoffdioxid. Die Ursachen sind einfach auszumachen. Das Bevölkerungswachstum kombiniert mit einer zunehmenden Industrialisierung. Kohlenstoffdioxid wird in großer Menge produziert: durch Kohlekraftwerke und durch Autoabgase. In den letzten Jahren ist auch zunehmend Methan in den Verdacht geraten, zum Treibhauseffekt beizusteuern. Methan ist ein Treibhausgas, es wird von Rindern bei der Verdauung produziert. In solchen Behältnissen wird es dabei nicht aufgefangen. Es gelangt leider in die Luft und trägt zum Treibhauseffekt bei. Und jetzt kommen wir zu einem ganz interessanten Problem, nämlich der Oberflächentemperatur an der Erdoberfläche. Um diese zu berechnen, benutzen wir ein ganz einfaches Modell. Das ist die Erdoberfläche, das sind die einkommenden Sonnenstrahlen, 100 Prozent. 30 Prozent davon werden reflektiert, die verbleibenden 70 Prozent werden vom Erdboden absorbiert und als Infrarotstrahlung emittiert. Durch den Treibhauseffekt wird ein Teil dieser Infrarotstrahlung immer wieder zum Erdboden zurückgestrahlt. Verantwortlich dafür sind die Treibhausgase. 70 Prozent des einfallenden Lichtes werden von der Erde absorbiert und müssen daher auch abgestrahlt werden, da die Erde im Strahlungsgleichgewicht ist. Das geschieht durch Infrarotabstrahlung der Atmosphäre. So kann man sich in einem einfachen Modell das Gleichgewicht der Strahlen, das Strahlungsgleichgewicht, vorstellen. Die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche kann nun mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz berechnet werden. Die Erde wird wieder als schwarzer Körper angenommen. Wir wissen, dass die Energiestromstärke proportional zur Energiestromdichte ist. Und diese ist nach Stefan Boltzmann gleich SigmaT⁴. Aus der Proportionalität von p zu SigmaT⁴ können wir folgende Verhältnisgleichung formulieren: (SigmaT_m⁴)/ (SigmaT₀⁴) = 1,4P_a/0,7P_a. 1,4 ist die relative Energiestromstärke mit Treibhauseffekt, 0,7 ohne. Ihr Verhältnis ist gerade zwei. Wir kürzen Sigma. Nun stellen wir nach T_m um. T_m= ⁴Wurzel2254K. 254K haben wir berechnet für eine Erde ohne Atmosphäre, also ohne Treibhauseffekt. Für T_m erhalten wir 302 Kelvin, oder 29 Grad Celsius. Wir berechnen also, dass die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche 29 Grad Celsius beträgt. Wir berücksichtigen dabei natürlich die Atmosphäre. Es muss gesagt werden, dass hier die Wolken nicht berücksichtigt werden. Daher wird der tatsächliche Wert von 15 Grad Celsius durch unser einfaches Modell überbewertet. Ungeachtet dessen, ich finde 29 Grad Celsius ist ein schönes Ergebnis. Es geht aber noch besser. Realistischer Strahlungshaushalt. Kann man die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche genauer berechnen? Ja, man muss dafür den relativen auf die Erdoberfläche auftreffenden Energiestrom kennen. Versuchen wir es einmal. Die Sonneneinstrahlung beträgt P_a, das sind gerade die 100 Prozent. Der absorbierte Anteil davon ist 0,7. So, und dann haben wir noch den auf die Erdoberfläche auftreffenden Energiestrom unter Berücksichtigung des Treibhauseffekts. Also, nochmal ran an T_m. Wie gehabt benutzen wir die Proportionalität von P zu SigmaT4, das Stefan Boltzmannsche Gesetz. Die Näherung findet unter Berücksichtigung der Treibhausgase statt. Dabei werden die vorgestellten, realistischen Werte verwendet. Wir setzen wie gehabt SigmaT_m⁴ und SigmaT₀⁴ ins Verhältnis, das ist 1,46/0,7. Wir stellen nach T_m um. Das ergibt 305 Kelvin, beziehungsweise 32 Grad Celsius. Warum ist dieser Wert zu hoch? So, und nun noch die letzte Verfeinerung. Wir berücksichtigen die Treibhausgase und einen zusätzlichen Energieverbrauch. Von unseren 1,46 P_a muss nämlich noch Energie abgezogen werden. Und zwar durch Konvektion 0,05 P_a. Für die Verdunstung des Wassers auf der Erdoberfläche werden 0,027 P_a verwendet. Wir bilanzieren und erhalten 1,14P_a. Wir rechnen nun in bewährter Weise. Für T_m erhalten wir 287 Kelvin oder 14 Grad Celsius. Der experimentelle Wert, das heißt die Messung, ergibt 15 Grad Celsius. Ich denke, das ist einen super Smiley wert. Für die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche erhält man unter Berücksichtigung des Treibhauseffekts einen Wert von 32 Grad Celsius. Trägt man zusätzlich der Konvektion in der Atmosphäre und der Verdunstung des Wassers Rechnung, ergibt sich 14 Grad Celsius in guter Übereinstimmung mit dem Messwert von 15 Grad Celsius. Das war ein weiterer Film von André Otto, ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg, tschüss!