Treibhauseffekt und Treibhausgase

So schnell werden die Bewohner der südenglischen Grafschaften Cornwall und Devon die Nacht auf den 8. Februar 1990 nicht vergessen. Mit Spitzengeschwindigkeiten bis zu 200 Stundenkilometern jagte ein schwerer Orkan über Südengland, die Normandie und die Bretagne. In Südengland war die Grafschaft Devon das Zentrum des Unwetters. Reihenweise wurden Häuser abgedeckt, Bäume entwurzelt, in einem ganzen Landesteil fiel für zwei Tage der Strom aus, zwei Menschen starben durch direkte Einwirkung dieses gewaltigen Sturms.

"Die Natur schlägt zurück" - so titelten viele Tageszeitungen unter dem Eindruck der Naturkatastrophen, die im Jahre 1990 in ungewöhnlich großem Umfang in praktisch allen Regionen der Welt schwere Verwüstungen anrichteten. Als "eindeutige Folge" der Klimaveränderung hat der Vorsitzende der Bundestag-Enquete-Kommission "Zum Schatz der Erdatmosphäre" BERND SCHMIDBAUER, die Wetterkatastrophen dieses Winters bewertet.

Befinden wir uns in einer Phase der Klimaänderung auf der Erde? Wodurch wird sie verursacht, was sind die möglichen Folgen, was können wir tun? Diese Fragen werden im folgenden Kapitel behandelt.

Wetter ist nicht Klima

Die Geographen bezeichnen mit "Wetter" den Zustand der Atmosphäre und die sich dort abspielenden Vorgänge zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort, während sie unter "Klima" die Gesamtheit aller meteorologischen Vorgänge in einem Gebiet im Durchschnitt eines größeren Zeitraumes verstehen. Man kann also davon sprechen, daß das Wetter in München am 16.5.92 deutlich "besser" (d.h. schöner) war als in Hamburg, weil man mit diesem Begriff einen kurzfristigen Zustand beschreibt. Man kann auch feststellen, daß das Wetter in München am 16.5.92 "besser" war als am 16.5.91 - aber man kann aus dem Vergleich der beiden Daten nicht die Feststellung ableiten, im Jahr 1992 sei in München das Klima besser geworden.

"Wetter" ist das Ergebnis des Zusammenwirkens einer so großen Zahl von Einzelfaktoren, daß es sich selbst mit den modernsten und aufwendigsten Großrechenanlagen nicht vollständig erfassen läßt - wie die "Qualität" der Wetterprognosen beweist. Fehler selbst in kurzfristigen Wettervorhersagen deuten darauf hin, daß es außerordentlich schwierig, ja fast unmöglich ist, die einzelnen für das Wetter wichtigen Parameter in ihrer Gesamtheit, ihrer Größe und ihrer Wirkrichtung zu erfassen.

Seit 1972 diskutiert man in diesem Zusammenhang den "Schmetterlingseffekt". Im Jahr 1972 veröffentlichte der Meteorologe EDWARD LORENZ eine Arbeit mit dem Titel: "Kann das Schlagen eines Schmetterlingsflügels in Brasilien einen Tornado in Texas auslösen?". Mit anderen Worten: Kann eine alltägliche, minimale Einwirkung auf die atmosphärische Zirkulation sich zu einer Lawine in der Gestalt eines Tornados aufschaukeln? Umfangreiche Untersuchungen ließen LORENZ diese Frage mit Ja beantworten. Es ist sehr wohl möglich, daß ein solcher Effekt auftreten kann, berechnen oder vorhersagen läßt er sich jedoch nicht.

Wenn "Klima" den Durchschnitt des Wettergeschehens über einen längeren Zeitraum bezeichnet, stellt sich die Frage, wann man überhaupt von "Klima" sprechen kann - muß man das Wetter einen Monat, ein Jahr oder ein Jahrzehnt betrachten? Wegen der komplizierten Abhängigkeiten, die die Witterungsfaktoren kennzeichnen, kommt es immer wieder zu unterschiedlichen Wetterlagen zur gleichen Jahreszeit in der gleichen Region. Um einen bestimmten Trend überhaupt erkennen zu können, muß man über viele Jahre hinweg beobachten und dann den "vieljährigen Mittelwert" bilden. Nach den Richtlinien der Weltorganisation der Meteorologen muß man dazu mindestens 30 Jahre betrachten, um Aussagen über das Klima einer Region machen zu können.

Will man mit Hilfe von Großrechnern die Klimaentwicklung voraussagen, beziehungsweise bestimmte Abhängigkeiten von einzelnen Faktoren abschätzen, so stößt diese Absicht auf schier unüberwindliche Hürden. Wenn es noch nicht einmal möglich ist, für wenige Tage im voraus das Wetter für eine kleine Region vorauszusagen, um wieviel schwieriger und unsicherer muß es sein, die Klimaentwicklung auf Jahre im voraus zu beschreiben.

Im meteorologischen Institut der Universität Hamburg steht einer der leistungsfähigsten Großrechner der Welt, ein Gerät, das 40 Millionen DM gekostet hat. Mit ihm ist es den Forschern inzwischen gelungen, Klimaprogramme zu entwickeln, die die Klimaentwicklung vergangener Zeitepochen erstaunlich gut zu simulieren gestatten. Man hofft nun, daß man mit dieser Methode in der Lage ist, auch die Klimaentwicklung der Zukunft abzuschätzen - und die Abhängigkeit klimatischer Änderungen durch menschliche Aktivitäten genau zu ermitteln. Noch sind die Prognosen nicht mit sehr guter Genauigkeit möglich, daher sollte man in der Interpretation der Ergebnisse mit der entsprechenden Vorsicht ans Werk gehen.

Der Treibhauseffekt

Was ist ein Treibhaus? Dies ist normalerweise ein Haus mit vielen Glasflächen, das sich durch die Sonnenstrahlung selbst aufheizt. Dies bedeutet: das Glas läßt mehr Wärmeenergie in das Haus hineintreten als es wieder herausläßt.

Da die Glasflächen von beiden Seiten (innen und außen) gleich beschaffen sind, ist dies sehr verwunderlich. Man würde erwarten - und der Versuch beweist dies auch, daß Strahlung von beiden Seiten gleich gut hindurchtreten kann. Bei gleicher Atmosphäre wird es im Treibhaus wärmer als außen. Dies liegt daran, daß sich die Strahlung verändert hat. Wenn Materie, z.B. der Erdboden, Lichtstrahlung absorbiert, sendet er sie in anderer Form wieder zurück, nämlich als Wärmestrahlung, längerwellige Infrarotstrahlung. Diese Strahlung wird von Glas nun weniger gut durchgelassen als die Lichtstrahlung zuvor, die Konsequenz: das Haus heizt sich langsam auf, es kommt zu einem Treibhauseffekt.

Genau gleiches passiert auch auf dem Planeten Erde. Dem Glas des Treibhauses entspricht die Atmosphäre. Die Vorgänge sind in der Abbildung 9 wiedergegeben.

Abb. 9: Der Treibhauseffekt

Wie läßt sich die Energiebilanz der Erde beschreiben?

Die Erde ist praktisch zu 100% auf die Energiezufuhr durch die Sonne angewiesen. Sie strahlt mit konstanter Stärke eine unvorstellbar große Energiemenge auf die Erde ein, insgesamt etwa 1,6 ·10¹⁸ kWh. Auf dem Weg durch die Atmosphäre unseres Planeten werden hiervon etwa 30% durch Wolken, Staub, Schnee- und Eisflächen der Polarzonen direkt wieder in den Weltraum reflektiert. Von den verbleibenden 70% werden etwa 19% durch die in der Atmosphäre vorhandenen Gase und durch Wolken absorbiert, so daß nur noch 51% auf der Erdoberfläche ankommen und von Boden, Wasser und Pflanzen aufgenommen werden. Dabei wird die ankommende Strahlung in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt und dient dazu, die genannten Medien zu erwärmen. Diese Wärme muß die Erde aber irgendwie wieder loswerden, denn sonst würde sie sich ja nach und nach immer mehr aufheizen. Wie Satellitenmessungen bestätigen, strahlt die Erde alle absorbierte Energie auch wieder in den Kosmos ab - sie befindet sich in dem Zustand des Strahlungsgleichgewichtes (vgl. Abb. 10).

Dieser Zustand ist durch die in der Abbildung 10 angegebenen Zahlenwerte nachvollziehbar. Die in der rechten Hälfte der Abbildung genannten Zahlen erscheinen jedoch auf den ersten Blick verwirrend: Wie kann aus "51% Wärmestrahlung der Erde" "70% Abstrahlung im Infrarotbereich" werden? Wir dürfen in der Bilanz nicht den Energieanteil von 19% vergessen, der direkt von der Atmosphäre absorbiert worden war. Nun ist die Bilanz stimmig.

Abb. 10: Energiebilanz der Erdoberfläche (in %)

Physiker haben genau gerechnet und gefunden, daß auf der Erde eine mittlere Temperatur von -18 °C herrschen müßte, wenn die Erde die eingefallene Strahlung direkt wieder abstrahlen würde. Auf der Erde herrschen jedoch keine -18 °C, sondern im Mittel angenehmere + 15 °C. Der Grund für diesen Unterschied von 33 °C liegt daran, daß die Erde die eingefallene Strahlung nicht direkt abgeben kann. Die Atmosphäre der Erde ist - wie die Glasplatte im Gewächshaus - in der Lage, einen Teil der von der Erde abgestrahlten Wärmeenergie aufzunehmen. Sie läßt nur einen Teil dieser Energie in den Weltraum entweichen, den restlichen Teil schickt sie zur Erde zurück, die durch diesen Prozeß wärmer wird.

Würde man den Augenblick betrachten, wo die Erde "schlagartig" eine Atmosphäre erhält, wäre festzustellen, daß in diesem Moment auf der Erde mehr Energie aufgenommen würde als von ihr in den Kosmos abgegeben würde. Für den Augenblick ist das Strahlungsgleichgewicht gestört. Auch hier ist der Vergleich mit dem Gewächshaus tauglich. Im ersten Moment wird dort mehr Energie aufgenommen als abgegeben. Bei weiterer Erwärmung stellt sich das Gleichgewicht zwischen Einstrahlung und Abstrahlung neu ein - auf einem höheren Temperaturniveau - so daß das Strahlungsgleichgewicht wieder hergestellt ist und im Mittel eine konstante Temperatur herrscht - was auf der Erde seit Jahrtausenden der Fall ist.

Das Niveau des Gleichgewichtes - und damit die auf der Erde herrschende Temperatur - ist abhängig von der Art und der Menge der Gasteilchen, die in der Lage sind, die von der Erde abgestrahlte Wärmestrahlung aufzunehmen. Die Gasteilchen der Atmosphäre sind damit "klimawirksam", d.h. für die Einstellung eines bestimmten Temperaturniveaus verantwortlich. Tabelle 8 gibt einen Überblick über Spurengase der Atmosphäre und ihre Klimawirksamkeit.

Tab. 8: Derzeitiger Temperatur-Treibhauseffekt der wichtigsten klimawirksamen Spurengase (Quelle: nach K. Y. Kondratyev und N. I. Moskalenko, 1984)