mini|hochkant=1.35|lang=de|1) Sonnenlicht erwärmt die Oberfläche direkt.2a) Die Wärmestrahlung wird von Treibhausgasen aufgehalten, was eine weitere Erwärmung bewirkt.2b) Ohne Treibhausgase könnte die Wärmestrahlung direkt entkommen und die Oberfläche effizienter kühlen.
Der Treibhauseffekt ist die Wirkung von Treibhausgasen, die in der Atmosphäre eines Planeten die Ausbreitung der Wärmestrahlung behindern und so eine höhere Temperatur auf der Planetenoberfläche bewirken. Der Effekt entsteht dadurch, dass der unbewölkte Teil der Atmosphäre weitgehend transparent für die von der Sonne ankommende kurzwellige Strahlung ist, jedoch wenig transparent für die langwellige Infrarotstrahlung, die von der warmen Oberfläche und von der erwärmten Luft emittiert wird. Der Treibhauseffekt ist ein zunächst natürliches Phänomen; jedoch wird die Atmosphäre der Erde durch menschliche Aktivitäten mit zusätzlichen Treibhausgasen angereichert, die den Treibhauseffekt verstärken und zur globalen Erwärmung führen.
Der Begriff Treibhauseffekt bezeichnet nicht den Effekt im Treibhaus (oder Gewächshaus) aus Glas, sondern beschreibt nur anschaulich den damit verwandten Effekt der Atmosphäre. Die Gemeinsamkeit zum Gewächshaus besteht darin, dass Licht ungehindert ins Innere eindringt, während die daraus entstehende Wärme das System weniger leicht verlassen kann. Dadurch entsteht ein Wärmestau mit einer höheren inneren Temperatur, bei der im Gleichgewicht genauso viel Leistung als Wärmeverlust nach außen dringt, wie Lichtleistung empfangen wird.
Im Vakuum des Weltalls kann ein Planet die empfangene Heizleistung nur durch Abgabe von Wärmestrahlung kompensieren. Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Methan stellen dabei ein Hindernis für die Wärmestrahlung dar, wodurch die Planetenoberfläche wärmer wird. Die Gleichgewichtstemperatur, die sich auf der Oberfläche einstellt, hängt empfindlich von der Treibhausgaskonzentration ab.
Der Treibhauseffekt steht auch in Wechselwirkung mit anderen Effekten der Oberfläche und Atmosphäre: Verstärkend wirken das Abschmelzen von Schnee, die Verdunstung von Wasser sowie sich bildende Eiswolken, abschwächend wirken die Abschattung durch tief hängende Wasserdampf-Wolken und die Konvektion aufsteigender Warmluft (Thermik).
Geschichtliches Entdeckung
Der Treibhauseffekt wurde 1824 von dem französischen Mathematiker und Physiker Joseph Fourier entdeckt, verbunden mit der Annahme, dass die Erdatmosphäre isolierende Eigenschaften besitzt, die einen Teil der einfallenden Wärmestrahlung daran hindert, in den Weltraum reflektiert zu werden. Im Jahr 1856 untersuchte Eunice Foote die Treibhauswirkung verschiedener Gase. Foote durfte – als Frau – ihre Ergebnisse nicht selbst bei der American Association for the Advancement of Science vortragen, es gelang ihr aber die Publikation ihrer Forschung im Wissenschaftsjournal The American Journal of Science and Arts unterzubringen. Foote schloss aus ihren Daten: „Wenn, wie manche annehmen, irgendwann in der Geschichte der Erde der Luft ein größerer Anteil davon [von Kohlendioxid] beigemischt war als heute, dann hätte sich daraus zwangsläufig eine erhöhte Temperatur ergeben müssen.“ Im Jahr 1862 konnte der britische Naturforscher John Tyndall mittels präziser Messungen einige für den Treibhauseffekt verantwortlichen Gase wie Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid identifizieren.
Dem schwedischen Physiker und Chemiker Svante Arrhenius (1859–1927) gelang es in einer 1896 veröffentlichten Publikation, den atmosphärischen Treibhauseffekt unter Berücksichtigung der Eis-Albedo-Rückkopplung erstmals quantitativ genauer zu beschreiben. Der erste Nachweis des Anstiegs der atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-Konzentration und damit des anthropogenen Treibhauseffekts gelang 1958 Charles D. Keeling. Auf Keelings Initiative wurde eine Vielzahl von Messstationen für Kohlenstoffdioxid aufgebaut; die bekannteste befindet sich auf dem Mauna Loa auf Hawaii.Tagesaktuelle und historische CO2-Werte (Mauna-Loa-Observatorium, Hawaii). Neben einem weltweiten Stationsnetz sind mehrere Erdbeobachtungssatelliten in Betrieb oder in Planung, deren Aufgabe unter anderem darin besteht, Daten zu Treibhausgas-Konzentrationen, Strahlungshaushalt oder Wolkenbildung beziehungsweise Aerosolverteilung zu sammeln.
Historischer Verlauf Seit Beginn des Industriezeitalters wurden durch menschliche Aktivitäten zusätzliche Treibhausgas-Anteile in der Atmosphäre freigesetzt, hauptsächlich durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl und Erdgas), aber auch durch die Freisetzung in industriellen Prozessen und der Landwirtschaft. Die Strahlungsantriebe stammen dabei, der Größe nach geordnet, von den Treibhausgasen: Kohlenstoffdioxid, Methan, Lachgas sowie die indirekt bewirkte Entstehung von troposphärischem Ozon. Diese anthropogenen Treibhausgase sind der Grund für die seit Beginn des Industriezeitalters auftretende und im bisherigen 21. Jahrhundert weiter zunehmende globale Erwärmung. Mehrere Komponenten des Treibhauseffekts sind inzwischen messtechnisch belegt, wie zum Beispiel die Zunahme des Strahlungsantriebs aufgrund anthropogener Treibhausgas-Emissionen, ebenso wie die bereits 1908 publizierte Annahme, dass sich die Tropopause bei zunehmender CO2-Konzentration nach oben verschiebt. Das gegenwärtige Kohlenstoffdioxid-Level ist das höchste seit mindestens 800.000 Jahren.Animation von CIRES/NOAAː Darstellung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Atmosphäre anhand verschiedener Zeitskalen. Paläoklimatologischen Analysen zufolge traten auch während der letzten 14 Millionen Jahre (seit dem Klimaoptimum des Mittleren Miozäns) keine signifikant höheren CO2-Werte auf.
Mögliche Entwicklungen Die wichtigsten auf der Erde heute für den natürlichen Treibhauseffekt verantwortlichen Treibhausgase sind Wasserdampf (Anteil 67 % bei klarem Himmel), gefolgt von Kohlenstoffdioxid (Anteil 24 %). Durch die Erderwärmung erhöht sich zudem, z. B. durch die Wasserdampf-Rückkopplung oder die Abnahme der CO2-Speicherung im wärmeren Ozean, die Konzentration dieser Treibhausgase weiter. Immer wieder wird diskutiert, ob durch diese positiven Rückkopplungen im Klimasystem prinzipiell ein galoppierender Treibhauseffekt in Gang gesetzt werden kann In dieser Veröffentlichung wird argumentiert, dass die Schwelle für einen solchen Effekt auf der Erde nicht erreicht wird., der in der Vergangenheit beispielsweise auch auf dem Planeten Venus stattgefunden haben muss. Selbst ohne eine vollständig destabilisierende Rückkopplung können als Folge der Erwärmung leicht ein oder mehrere Kipppunkte im Erdklimasystem überschritten werden, ab denen sich das Klima auf einen neuen Gleichgewichtszustand einpendelt, mit höherem Meeresspiegel und einer deutlichen Abnahme der Biodiversität. Eine derartige Entwicklung würde das Bild der Erde gravierend verändern, vor allem durch die damit gekoppelte Verlagerung der Klima- und Vegetationszonen und das weitgehende Abschmelzen des westantarktischen und des grönländischen Eisschilds.
Physikalische Wirkungsweise Strahlungsbilanz miniatur|hochkant=2|Beispiel einer Modellrechnung von 2009 zur mittleren jährlichen Strahlungsbilanz der Erde für den Zeitraum von März 2000 bis Mai 2004. Die Berechnungen wurden erstellt teils aufgrund von Satellitendaten (CERES) und teils aufgrund von Annahmen (Hypothesen). Die Breite der breiten Pfeile deutet die Proportionen des Energieflusses an., Fig. 1, S. 314. Eine spätere Modellrechnung von 2013 ergab einen Energieüberschuss von 0,6 W/m², mit einem Unsicherheitsbereich von 0,2 bis 1,0 W/m².Martin Wild, Doris Folini, Christoph Schär, Norman Loeb, Ellsworth G. Dutton, Gert König-Langlo: The global energy balance from a surface perspective. In: Climate Dynamics. 40, 2013, S. 3107, , Fig. 1, S. 3108, PDF.
Für die physikalische Erklärung der Temperatur der Erde wird zunächst die Strahlungsbilanz betrachtet. Von der Sonne strahlt Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung in Richtung Erde. Die Strahlung trifft die Erde in einem kreisförmigen Ausschnitt mit einer Intensität von 1361 Watt pro Quadratmeter. Auf die gesamte Kugeloberfläche mit Tag- und Nachtseite bezogen entspricht das im Mittel 340 W/m², einem Viertel der eingestrahlten Intensität.Eine Kugel hat eine Oberfläche von 4𝜋r², was genau viermal einer Kreisfläche von 𝜋r² entspricht. Die Materie der Erde, auf die die Strahlung trifft, reflektiert rund 30 % davon direkt zurück. Der restliche absorbierte Teil erwärmt die Materie so weit, bis sie ihrerseits die gleiche Menge an Wärmeleistung abgibt. Global strahlt die Erde etwa die gleiche Leistung elektromagnetischer Energie zurück ins Weltall, die sie auch von der Sonne im Mittel empfängt.Tatsächlich besteht aufgrund der globalen Erwärmung derzeit in der Bilanz ein Ungleichgewicht von 0,38 % der Energie (0,9 W/m² von 240 W/m²), die vor allem im Ozean hängen bleibt und diesen immer weiter erwärmt. Quelle:
Temperatur der Erde im Strahlungsgleichgewicht Wärmebilder der Erde würden vom All aus betrachtet eine mittlere Temperatur von −18 °C zeigen. Bei diesem Wert ergibt sich ein thermisches Gleichgewicht. Die Erde gibt im Mittel genauso viel Wärmestrahlung an das Weltall ab, wie sie von der Sonne aufnimmt.
An der Erdoberfläche ist jedoch die Temperatur der Luft deutlich höher. Sie lag in der Zeit zwischen 1961 und 1999 im Mittel bei +14 °C ± 0,5 °C. Die Differenz von 32 °C zur von außen wahrnehmbaren Temperatur der Erde ist Ausdruck des Treibhauseffekt der Atmosphäre. Infolge der globalen Erwärmung liegt die aktuelle mittlere Temperatur inzwischen bei etwa +15 °C und die Differenz entsprechend bei 33 °C.Siehe https://climatechangetracker.org/global-warming/yearly-average-temperature
Vergleich mit anderen Planeten Vergleiche mit anderen Planeten oder Rechnungen zu idealisierten Planetenmodellen verdeutlichen die Auswirkungen des Treibhauseffekts.
Ein Beispiel ganz ohne Atmosphäre findet man beim Mond. Er bekommt pro Fläche die gleiche Strahlungsleistung wie die Erde ab und hat eine mittlere Oberflächentemperatur von −20 °C.NASA Planetary Fact Sheet https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/index.html Trotz seiner dunkleren Farbe mit nur 11 % Reflexion (Albedo: 0,11Planetare Albedo (Bond-Albedo) https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/moonfact.html) ist er im Mittel sogar noch etwas kälter als die −18 °C kalte Außentemperatur der Erde (Albedo: 0,294Planetare Albedo (Bond-Albedo), siehe https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html), was hauptsächlich an seiner langsameren Rotationsgeschwindigkeit mit einem Monat Periode liegt. Durch die extremen Temperaturunterschiede kann der Mond insgesamt mehr Wärme abstrahlen als bei einer schnelleren Rotation, bei der sich die Temperaturen der Tag- und Nachtseite durchmischen und aneinander angleichen.Eine schnelle Rotation kann die eingestrahlte Leistung für beide Seiten höchstens effektiv halbieren, während bei einer langen einseitigen Bestrahlung mit der vollen Leistung wegen des Strahlungsgesetzes der vierten Potenz der Temperatur durch die höhere Temperatur überproportional viel Energie abgestrahlt wird, was einen kleineren Durchschnitt mit der Nachtseite ergibt. Nähere Erläuterung siehe z. B. The Faster a Planet Rotates, the Warmer its Average Temperature, Roy W. Spencer, 28. September 2016
Ein gewaltiger Unterschied findet sich bei unserem Nachbarplaneten Venus: Statt der berechneten −46 °C des Strahlungsgleichgewichts (Solarkonstante: 2.601,3 W/m², Albedo: 0,77 und langsame Rotation) wurden tatsächlich im Mittel 464 °C unter der dichten und fast reinen CO2-Atmosphäre auf der Planetenoberfläche gemessen, welche eine Emission von 16.578 W/m² verursacht. Diese deutliche Differenz ist dem Treibhauseffekt zuzuschreiben.
Spektren emittierter Strahlung