P 45: Die Physik des Treibhauseffektes

 Leider gehört das nicht zu den abiturrelevanten Themen, aber ich finde, dass möglichst viele Menschen etwas mehr über den Treibhauseffekt erfahren sollten, besonders von den physikalíschen Aspekten:

1992 hatte ich die erste Klima-AG an der ASS. Damals waren wir der Meinung, dass ein Klimakrieg nicht auszuschließen ist. Im zweiten Halbjahr drehte die Gruppe deshalb einen eigenen Spielfilm: 2025 - Nach dem Klimakrieg.

 

 

 

 

 

 

5.5 Die Physik des Treibhauseffektes

5.5.1 Die mittlere Temperatur der Erde

Unter Berücksichtigung der Sonneneinstrahlung erhält man ja eine mittlere Erdtemperatur von -18°C.

Seit 140 Jahren bestimmt man durch Thermometermessungen nahe der Erdoberfläche und über dem Meeresspiegel mit einer Genauigkeit von +/- 0,1°C die Erdtemperatur.

Seit 50 Jahren scannen Satelliten die Erdoberfläche mit einer Genauigkeit von +/- 0,01°C ab.

Das Ergebnis: Die mittlere Temperatur der Erde liegt bei + 15°C.

Die Erde ist also 33°C wärmer als es nach der Sonneneinstrahlung sein sollte.

Das ist der Treibhauseffekt.

Unsere Atmosphäre führt zu eienr Erwärmung der Oberfläche, so wie es auch das Dach eines Treibhauses tut.

5.5.2 Der Treibhauseffekt ist schon lange bekannt

1824 konnte Fourier die Grundidee formulieren, 1862 hat Tyndall dann die Erklärung ausgearbeitet:

Unsere Erde ist wärmer als es nach der Sonneneinstrahlung sein sollte (+15° statt - 18°), da unsere Atmosphäre für das von der Sonne kommende Licht durchlässig ist (maximale Abstrahlung bei 550 nm). Dieses Licht erwärmt den Erdboden, der daraufhin im Infraroten (IR)  bei 11300 nm abstrahlt. Für IR-Strahlung ist die Erdatmosphäre aber nicht durchsichtig.

Das ist möglich, da die Planckschen Kurven für das Sonnenlicht (rund 6000°) und die Erdabstrahlung (rund -18°C) stark gegeneinander verschoben sind.

TU Dresden

 

Es kommt also Energie rein, geht aber schwer wieder raus...

Erdboden und unterer Teil der Atmosphäre erwärmen sich dadurch. Nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz strahlt der Boden dann bei einer kürzeren Wellenlänge ab und die Erde kann wieder mehr Energie abgeben und einen weiteren Energiestau verhindern. Sie hat aber dann eine höhere Temperatur.

Nach diesem Prinzip funktioniert auch die Erwärmung von Treibhäusern, weshalb man die Temperatursteigerung "Treibhauseffekt" nennt.

WDR - Wissen

In Wirklichkeit ist das ein sehr komplizierter Prozess. Die wichtigsten Anteile sieht man im nächsten Bild (wir wollen das aber nicht vertiefen): 

IPCC 2007

Hier sehen wir die Durchlässigkeit der Erdatmosphäre:

Das Bild ist nicht sofort verständlich. Die grauen Einsenkungen nach unten zeigen an, dass bei der Wellenlänge wenig bis nichts durchkommt.

Könnt ihr an der Kurve erkennen, warum Radioastronomie vom Erdboden aus möglich ist und optische Sternwarten auf möglichst hohen Bergen stehen?

 5.5.2 Auf das Gleichgewicht kommt es an!

Es stellt sich immer ein Gleichgewicht ein: Die Erde strahlt soviel Energie ab, wie sie bekommt.

Das kann man durch einen indirekten Beweis leicht einsehen:

Nehmen wir an, die Erde strahlt mehr Energie ab als sie bekommt. Dadurch kühlt sie sich ab. Kühlere Körper haben aber eine kleinere Abstrahlung (Stefan-Boltzmannsches Gesetz). Also strahlt die Erde weniger ab und kann sich wieder erwärmen.

Aufgabe:

Formuliert das mal für den anderen Fall, nämlich, dass die Erde weniger Energie abstrahlt als sie von der Sonne bekommt.

Die Temperatur der Erde ist also immer eine Gleichgewichtstemperatur.

Ein Treibhauseffekt ist für sich genommen nichts schlimmes...im Gegenteil: dem Treibhauseffekt der Erdatmosphäre verdanken wir es, dass wir hier entstehen und leben können.

Auf einem Eisplaneten Erde von -18°C hätte sich nie Leben bilden können!

 

 Ergänzung:

 Im Rahmen des Klima-Cafés im SFN habe ich im Mai den Abschlussvortrag über die Physik des Treibhauseffektes gehalten. Bei Minute 11 zeige ich ein Experiment zum Treibhauseffekt.