Der Treibhauseffekt
Ein wichtiger Begriff, der immer wieder im Zusammenhang mit den Klimaänderungen auftaucht, ist der Treibhauseffekt. Durch diesen Vorgang wird die Erdatmosphäre ähnlich wie die Luft in einem Treibhaus erwärmt: Die kurzwellige Sonnenstrahlung dringt fast vollständig auf die Erdoberfläche durch, während die von der Erde zurückgestrahlte Wärmestrahlung großteils absorbiert wird. Durch diesen natürlichen Treibhauseffekt wird die Erde um etwa 33 °C erwärmt, so dass die mittlere Globaltemperatur rund 15 °C beträgt. Ohne Treibhausgase würde die Globaltemperatur der Erdatmosphäre auf ca. -18°C sinken.
|
Anteil am natürlichen Treibhaus-Effekt , Bezugsjahr 2000 [K] |
~8.6 ~0,7 ~ 0,6 ~1,4 < 3 ~ 20 |
1) rel. GWP (mol): relatives Treibhauspotenzial bezogen auf das
gleiche Volumen CO2 (mol)
rel. GWP (kg): GWP bezogen auf die gleiche Masse CO2 (kg) / Anteil:
Anteil der einzelnen Treibhausgase am zusätzlichen Treibhauseffekt in den
achtziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts. / CO2
Äquivalenzfaktoren sind teilweise mit erheblichen wissenschaftlichen
Unsicherheiten behaftet. / 2) bodennahes Ozon
Tabelle 1: Übersicht der wichtigsten Charakteristika der "Treibhausgase"
Quellen: BMU 1993; sowie: IPCC, Houghton et al. 1996, 2001; Lozàn et al. 1998; Kiehl und Trenberth 1997 zitiert nach Schönwiese 2001.
http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/klimawandel/kw-433.html
http://www.klett-verlag.de/klett-perthes/sixcms/klett-perthes/terra-extra/sixcms/detail.php?id=28383
Aufgabe 15: Um welchen Betrag hat sich die Erdtemperatur seit 1965 durch menschliche Einflüsse erwärmt, wenn man voraussetzt, dass die CO2–Zunahme in diesem Zeitraum durch Verbrennung verursacht wurde. Benutzen Sie für die Lösung Tabelle 1 und Abbildung 6.
Aufgabe 16: Wie oft war in den vergangenen 10tausend Jahren die globale Erdtemperatur höher als heute?
Aufgabe 17: Wenn lediglich die Abbildungen 7 und 11 betrachtet werden, entsteht der Eindruck, dass der Temperaturanstieg seit Beginn der Industrierevolution durch den Anstieg der CO2-Konzentration verursacht wird. Betrachtet man lediglich die Abbildungen 11 bis 14, entsteht der Eindruck, dass sich der Temperaturanstieg der vergangenen 200 Jahre im Rahmen der natürlichen Schwankungen bewegt. Worauf basiert die Hypothese, dass dieser Temperaturanstieg auf die Wirkung der Treibhausgase zurückzuführen ist?
Energieerhaltung
an jeder
Ebene gilt im stationären Fall
, bei
Erwärmung: 
und
bei
Abkühlung 
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Abbildung 16: Prinzipskizze zum Treibhauseffekt; Zustand A: Erwärmung; B: Gleichgewicht; C: Erwärmung; D: Gleichgewicht. Ähnlicherweise kann Abkühlung dargestellt werden.
Positive Rückkopplung zwischen Treibhausgaskonzentration und Treibhauseffekt:
Die steigende Konzentration der Treibhausgase führt zu Erwärmung der Erde. Die Erwärmung wiederum führt zu einem noch stärkeren anstieg der Treibhaus-Gaskonzentration (z.B. mehr Wasser verdampft, das erwärmte Meereswasser atmet mehr CO2 aus, beim Auftauen von Permafrost entweicht Methan aus dem Boden etc.) Wenn es warm ist, wird noch wärmer, wenn es kalt ist, wird noch kälter.
Zwei Gleichgewichtszustände sind möglich:
Sehr kalt = Eiszeit; Sehr warm = Warmzeit (Zwischeneiszeit);
Einen stabilen Zustand dazwischen gibt es nicht!
Einfaches Modell der Eiszeit - Zwischeneiszeit - Gleichgewichtszustände
Annahme: Die Sonnenstrahlung ist konstant, es gibt keine Meeresströmungen, keine meteorologische Einflüsse
|
|
|
|
|
|
Abbildung 17: Modell der Eiszeit-Zwischeneiszeit- Gleichgewichtszustände
Es gibt nur zwei stabile Zustände: 1) Eiszeit und 2) Zwischeneiszeit.
Ist ein stabiler Zustand erreicht, so bleibt er ewig erhalten.
1) Während der Eiszeit ist wenig Wasserdampf in der Luft. Das kalte Wasser löst mehr Kohlendioxid, die Luft enthält wenig CO2. In der Kälte verlaufen die Fäulnisprozesse nur langsam, also der Methangehalt ist ebenfalls gering. Der Gleichgewichtszustand ist wie Bild B in Abbildung 16.
2)Während der Zwischeneiszeit ist die Temperatur höher, die Atmosphäre enthält mehr Wasserdampf, mehr CO2 und mehr CH4 als während der Eiszeit. Die Temperatur steigt so lange, bis die immer intensiver werdende Wolkenbildung einen weiteren Temperaturanstieg verhindert. Gleichgewichtszustand ist wie Bild D in Abbildung 16.
Komplexes Modell der Eiszeit - Zwischeneiszeit - Gleichgewichtszustände:
Die Sonnenstrahlung fluktuiert, Meeres- und Luftströmungen und Vulkanaktivitäten beeinflussen die Zusammensetzung der Atmosphäre. Der relativ stabile Zustand der Eiszeit und Zwischeneiszeit kann dadurch außer Gleichgewicht geraten, und der eine Zustand kann dabei in den anderen wechseln. Eine der größten Unbekannten bei der Vorhersage, ob und wann die nächste Eiszeit kommt, ist der CO2 –Austausch zwischen Tiefsee und Ozean-Oberfläche (siehe Abbildung 5). Für die kommenden Jahrhunderte ist jedoch mit einer mit an Sicherheit grenzenden Wahrscheinlichkeit mit einer deutlichen Temperaturerhöhung zu rechnen.
Abbildung 18: Strahlungsbilanz der Erdoberfläche, Strahlungswerte in W/m²
http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Klimatologie/klimaelemente_strahlung.htm
http://www.m-forkel.de/klima/strahlungshshlt.html
Solarkonstante (s = 1,37 kW/m²) bezeichnet die senkrecht auf eine Fläche außerhalb der Atmosphäre treffende Solarstrahlung. Im Weltraum ist die Sonnenstrahlung nahezu konstant; auf der Erde schwankt sie im Laufe der Tages- und Jahreszeiten und variiert je nach Breitengrad und Witterung. Der maximale Wert auf der Erde liegt zwischen etwa 0,8 und 1,0 kW/m². Im Jahresmittel beträgt die Sonneneinstrahlung in Deutschland je nach Region zwischen ca. 950 und 1100 kWh/m²a. Der Kollektorertrag einer Solaranlage in Westeuropa liegt in der Regel über 350 kWh/m²a, gute Solarkollektoren weisen in Deutschland einen Kollektorertrag von 440 – 520 kWh/m²a auf.
Aufgabe 18: Die Solarkonstante beträgt 1370 W/m². Laut Abbildung 18 empfängt die Erde einen Strahlungsstrom von lediglich 342 W/m². Warum?
Aufgabe 19: Wie hoch ist nach Abbildung 18 die theoretisch höchstmögliche Strahlungsausbeute (in [kWh/m²a]) von Solarkollektoren auf der Erde?