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Rosalie, Pascal und MarcelDer Treibhauseffekt – Kohlenstoff in der Atmosphäre
1) Warum etwa die Hälfte der eingestrahlten Sonnenenergie die Erde erreicht:
Grund dafür ist die Atmosphäre. Bei der Atmosphäre handelt es sich hierbei um eine gasförmige Hülle eines Himmelskörpers. Diese Hülle fungiert als Schutzschild und verhindert, dass die gesamte Sonneneinstrahlung die Erde trifft. Dadurch erreicht nur die Hälfte der eingestrahlten Sonnenenergie die Erde. Diese Strahlung wird anschließend von weißen/hellen Flächen (Eis, Schnee, heller Wüstensand oder Wolken mit einer bestimmten Dichte) auf der Erde wieder zurück in den Weltraum geworfen, dies wir auch als Reflektionsstrahlung bezeichnet. Die Strahlung, welche dennoch auf die Erdoberfläche gelangt, wird absorbiert und in Wärmestrahlung von niedrigerer Frequenz im Infrarot-Spektrum umgewandelt. Die Wellen der Wärmestrahlung setzen die Molekülstruktur bestimmter Gase (Wasserdampf, CO2, Methan etc.) in der Luft in Schwingungen. Auf diese Weise nehmen sie die Abstrahlungsenergie auf und halten sie in der Atmosphäre. Der dadurch hervorgerufene Wärmestau ermöglicht so einen Temperaturanstieg von -18°C auf 15°C, wodurch erst Leben auf der Erde ermöglicht werden kann.
2) Der Treibhauseffekt:
Den Wärmestau in der Atmosphäre bezeichnet man auch als Treibhauseffekt. Dabei trifft insgesamt 492 W/m2 an Lichtenergie auf die Erdoberfläche (168 W/m2 durch Sonneneinstrahlung und 324 W/m2 durch Atmosphärenstrahlung) . Nur weniger als die Hälfte der Sonneneinstrahlung gelangt hierbei an die Erdoberfläche. 107 W/m2 werden wieder zurück ins All durch sogenannte weiße Flächen zurück reflektiert. 350 W/m2 verbleiben dabei in der Erdatmosphäre. Dadurch erwärmt sich die Atmosphäre und emittiert langwellige Wärmestrahlung, welche von den Treibhausgasen absorbiert wird. Diese Gase (CO2, Methan, Wasserdampf etc.) verhindern, dass die umgewandelte Wärmestrahlung direkt zurück an die Atmosphäre abgegeben wird. Diese wird dann teils zurück zur Erde geschickt. Nebenbei gibt die Erdoberfläche noch latente und fühlbare Wärme an die Atmosphäre ab. Fühlbare Wärme gelangt vom erwärmten Erdboden durch das Aufsteigen warmer Luft in die Erdatmosphäre. Wenn durch Verdunstung von Wasser der Umgebung Energie entzogen wird und diese bei der Kondensation wieder freigesetzt wird, wird latente Wärme durch Wasserdampf in die Atmosphäre transportiert.
3) Die bedeutsamsten Treibhausgase:
Bei der Abstrahlung der Erdoberfläche wird aus Licht mit hoher Frequenz, Licht mit niedriger Frequenz im Infrarotbereich. Die Wellen sind rund 20 Mal langsamer als zuvor. Die langsamen Wellen der Wärmeabstrahlung setzen die Molekülstruktur bestimmter Gase in der Luft in Schwingung. Voraussetzung dafür ist eine komplexere, losere mindestens dreiatomige Molekülstruktur. Die häufigsten Moleküle der Luft, Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2), geraten dabei kaum in Schwingung. Insgesamt fördern die wichtigsten Spurengase wie H2O, CO2, O3, N2O, CH4 und F-Gase, welche insgesamt unter 1% der Gesamtmasse der Atmosphäre ausmachen, den Treibhauseffekt bedeutsam. Die Treibhausgase absorbieren die Strahlen in unterschiedlichen Absorptionsbanden.
Wasserdampf H2O
Etwa zwei Drittel des natürlichen Treibhauseffekts, werden von Wasserdampf verursacht. Wasserdampf spielt trotzdem nicht die Hauptrolle beim anthropogenen Treibhauseffekt, denn die Atmosphäre nimmt – in Abhängigkeit von ihrer Temperatur – nur eine bestimmte Menge an Wasserdampf auf. Dennoch spielt Wasserdampf auch bei der vom Menschen verursachten Erwärmung des Klimas eine Rolle, und zwar, weil der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre stark von der Temperatur bestimmt wird. Steigt die Temperatur, nimmt auch der atmosphärische Wasserdampfgehalt zu und der Treibhauseffekt wird verstärkt. Dieser Effekt ist eine wichtige Rückkopplung im Klimasystem. Eine eingetretene Erwärmung oder Abkühlung wird durch die beschriebene positive Rückkopplung zusätzlich verstärkt
Kohlendioxid CO2
Kohlendioxid ist ein geruch- und farbloses Gas, dessen weit variierende Verweildauer in der Atmosphäre bis zu 1000 Jahren betragen kann. Anthropogenes Kohlendioxid entsteht unter anderem bei der Verbrennung fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) und macht den Großteil des vom Menschen zusätzlich verursachten Treibhauseffektes aus. Es gelangt dabei in die Atmosphäre bis es über natürliche Prozesse in der Tiefsee landet. Etwa ein Viertel des natürlichen Treibhauseffekts und zu fast zwei Drittel des menschengemachten Klimawandels, wird von Kohlendioxid verursacht. Seit Beginn der Industrialisierung bis in die Gegenwart stieg der CO2-Gehalt der Atmosphäre um rund 35%.
Ozon O3
Eine größere klimatische Bedeutung kommt aber der geringen Ozonmenge zu, die sich in der Troposphäre befindet. Das troposphärische Ozon besitzt jedoch nur eine relativ kurze Lebensdauer und ist deshalb sehr ungleichmäßig um den Globus verteilt. Ozon wird außerdem nicht direkt in die Atmosphäre emittiert, sondern entsteht dort erst durch photochemische Prozesse aus Vorläufergasen, und wird auch primär photochemisch aus der Atmosphäre wieder entfernt. Die Emission der Ozon-Vorläufergase und damit auch die troposphärische Ozonkonzentration werden zunehmend durch den Menschen beeinflusst. Das so entstandene Ozon ist seit Beginn der Industrialisierung zum drittwichtigsten anthropogenen Treibhausgas geworden und hat sich schätzungsweise seit dem späten 19. Jahrhundert verdreifacht.
Daneben gibt es bodennahes Ozon, das mit steigender Konzentration zu einer regionalen Erwärmung bodennaher Luftschichten führt. Bodennahes Ozon wirkt darüber hinaus in höheren Konzentrationen schädlich auf die menschliche Gesundheit und die Pflanzenphysiologie. Seine atmosphärische Verweilzeit liegt bei wenigen Tagen bis Wochen. Bodennahes Ozon bildet sich aus verschiedenen Vorläufersubstanzen (Stickoxide oder Kohlenwasserstoffe unter Sonneneinstrahlung (Sommersmog). Menschliche Emissionen dieser Vorläufersubstanzen wirken somit indirekt auf das Klima. Bodennahes Ozon verursacht 7 % des natürlichen Treibhauseffektes.
Distickstoffoxid N2O
Distickstoffoxid ist ein farbloses, süßlich riechendes Gas. Die durchschnittliche Lebenszeit in der Atmosphäre beträgt etwa 121 Jahre. Es gelangt vor allem über stickstoffhaltigen Dünger und die Massentierhaltung in die Atmosphäre. Distickstoffoxid trägt ungefähr zu 4 % des natürlichen und 5 bis 6 % zum anthropogenen Treibhauseffekt bei. Es ist ca. 300-mal so wirksam ist wie Kohlenstoffdioxid und die Konzentration ist von 1977 bis 2019 um 11 % gestiegen.
Methan CH4
Methan ist ein geruch- und farbloses, hochentzündliches Gas. Die durchschnittliche Lebenszeit in der Atmosphäre beträgt um die 12,4 Jahre, wesentlich kürzer als die von CO2. Methan entsteht immer dort, wo organisches Material unter Luftausschluss abgebaut wird. In Deutschland vor allem in der Land- und Forstwirtschaft, insbesondere bei der Massentierhaltung. Trotzdem trägt Methan zu ungefähr 2.5 % des natürlichen und ungefähr einem Fünftel zum anthropogenen Treibhauseffekt bei, da es, laut neuerer Forschung (2019) ca. 32-mal so wirksam ist wie Kohlenstoffdioxid. Die Methan Konzentration ist seit 1987 bis 2017 um 10 % gestiegen.
Fluorierte Kohlenwasserstoffverbindungen (F-Gase)
Viele F-Gase sind selbst im Vergleich zu Methan und Lachgas extrem treibhauswirksam. Bis zu 15.000 Mal höher als die von CO2. Auch ihre Verweildauer in der Atmosphäre ist enorm lang. Im Gegensatz zu den übrigen Treibhausgasen kommen Fluorkohlenwasserstoffe in der Natur nicht vor. F-Gase werden produziert um als Treibgas, Kühl- und Löschmittel oder Bestandteil von Schallschutzscheiben eingesetzt zu werden. Die F-Gase tragen derzeit etwa 10 % zum menschengemachten Klimawandel bei. Die Konzentration an Fluorkohlenwasserstoffen in der Erdatmosphäre ist seit 1999 konstant bzw. nimmt sogar teilweise wieder ab.
Vergleich
Diese Treibhausgas weisen zwar unterschiedliche Eigenschaften auf aber alle deren Anteile werden direkt oder indirekt vom Menschen vergrößert, was zu einem Anthropologen Klimawandel führt. Die Atome wirken unterschiedlich stark, entstehen anders und verweilen auch unterschiedlich lang in der Luft. Dies alles gilt weiter zu untersuchen und eine Vergrößerung derer Konzentrationen in der Luft zu verhindern.
4) Zusammenhang des Kohlenstoffdioxidanteils und Temperaturschwankungen:
Wenn die Sonne auf das Meer scheint, dann wird die ganze Energie der Sonne im Wasser aufgenommen und die Energie wird in Form von Wasserdampf in die Atmosphäre getragen. Wenn der CO2-Anteil in der Atmosphäre heute zum Beispiel höher ist als vor einem Monat, dann wird das Meer auch mehr Wasserdampf in die Atmosphäre tragen, da es wärmer wird und somit schneller verdampft. Wie schon erwähnt, verstärkt auch Wasserdampf den Treibhauseffekt. Deswegen gelangen wir in den schlimmen Kreislauf, dass es immer wärmer wird, solange wir so viel CO2 in die Atmosphäre schleudern. Wenn es zu spät ist, dann bringt es auch nichts mehr CO2 Ausstöße zu verringern, weil das Meer zu warm ist und zu viel der Gase in der Atmosphäre sind.
Quellen:
https://www.spektrum.de/lexikon/geographie/atmosphaere/542
https://www.quarks.de/umwelt/klimawandel/so-eine-grosse-wirkung-hat-so-wenig-co2/
https://www.mandelbaum.at/extracts/Previsic_5nach12_Leseprobe.pdf
https://bildungsserver.hamburg.de/treibhausgase/2052404/kohlendioxid-konzentration-artikel/#anker_2
https://www.umweltbundesamt.de/service/uba-fragen/ist-nicht-wasserdampf-statt-co2-das-wichtigste
https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Methan
https://de.wikipedia.org/wiki/Treibhausgas