Wetter und Klima

Wärmelehre

Wetter und Klima

  • Wie entstehen eigentlich Wolken?
  • Was sind Hoch- und Tiefdruckgebiete?
  • Wie kommt es zu einem Gewitter?
  • Was ist der Treibhauseffekt?
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Hinweis: Ein großer Teil der folgenden Ausführungen stammen von Herrn Dr. W. Bube.

Der natürliche Treibhauseffekt: Spurengase in der Atmosphäre sorgen für Wärme auf der Erde.

Auf die Obergrenze der Atmosphäre trifft Sonnenstrahlung, d.h.

  • unsichtbare Ultraviolettstrahlung (UV), die z.B. die Haut bräunt

  • das sichtbare Licht und

  • die Infrarotstrahlung, die wir als Wärme spüren.

Von der eintreffenden Strahlung wird ein Teil an der Stratosphäre reflektiert, der Rest gelangt auf die Erdoberfläche und erwärmt die Erde. Die dadurch erwärmte Erde strahlt Energie als Wärmestrahlung im langwelligen Infrarot ab. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Ein-und Abstrahlung ein. Ohne die Atmosphäre wäre es auf der Erde allerdings unerträglich kalt. Spurengase in der Atmosphäre reflektieren teilweise – ähnlich wie die Glasscheibe eines Treibhauses - die von der Erde abgegebene Infrarotstrahlung zurück zur Erde, so dass sich auf der Erde eine höhere Gleichgewichtstemperatur zwischen Ein- und Abstrahlung einstellt. Die über den gesamten Erdball und ein Jahr gemittelte Temperatur (globale Jahresmitteltemperatur) beträgt 15°C, ohne Spurengase würden es nur -18°C sein.

Der anthropogene (vom Menschen verursachte) Treibhauseffekt: Unerwünschte Folgen für die Menschheit

Aufgrund der Bevölkerungszunahme und eines erhöhten Energiebedarfs haben die Industriestaat in den letzten 150 Jahren zunehmend fossile Rohstoffe wie Kohle und Erdöl genutzt. Bei deren Verbrennung entsteht Kohlenstoffdioxid CO2, das in der Atmosphäre neben Wasserdampf als wichtiges Treibhausgas wirkt. Ein weiteres wichtiges Treibhausgas ist Methan CH4 . Es blubbert aus Sümpfen, entweicht aus Deponien und entsteht auch vermehrt bei der intensiv betriebenen Landwirtschaft (im Pansen der Kühe).

Diese zusätzlichen, durch den Menschen verursachte Emissionen von Treibhausgasen (hauptsächlich Kohlendioxid CO2 und Methan CH4) verstärken den natürlichen Treibhauseffekt und führen zu einer zusätzlichen Erwärmung. Dieser nur durch den Menschen verursachte Anteil wird nach den Prognosen der führenden Klimawissenschaftler schwerwiegende Folgen für das Leben auf der Erde haben:

  • Die Anzahl und das Ausmaß der Wirbelstürme nimmt zu

  • Es gibt mehr extreme Wetterereignisse mit zunehmenden Schäden (einerseits Hitze, Trockenheit und anderseits Dauerregen mit Hochwasser)

  • Die Pole und Gletscher schmelzen ab (Wasserspeicher)

  • Der Meeresspiegel steigt an

In den letzten hundert Jahren ist die globale Jahresmitteltemperatur bereits um 0,5 bis 1 Grad Celsius angestiegen. Das scheint wenig zu sein, aber wenn man bedenkt, dass der Unterschied zwischen Warm- und Eiszeiten 4-5°C betrug, dann ist diese Entwicklung bedrohlich. Klimawissenschaftler haben bereits eine Zunahme der extremen Wettersituationen beobachtet. Nicht nur die Zahl der starken Wirbelstürme und die damit verbundenen Schäden hat zugenommen, sondern auch die Rekordwetterlagen: Die heißesten neun Jahre des vergangenen Jahrhunderts fielen in die letzten zehn Jahre!

Das Einzige, was man derzeit dagegen unternehmen kann, ist, den Ausstoß von Treibhausgasen so schnell und gründlich wie möglich zu reduzieren.

 

Das Treibhaus des Gärtners

Wenn der Gärtner früh im Jahr bereits Salat ernten will, dann bringt er die Pflänzchen in ein sogenanntes Frühbeet. Hier können die Pflanzen geschützt aufwachsen. Wenn er nun das Frühbeet mit einer Glasplatte abdeckt, so gedeihen die Pflanzen besonders gut. Natürlich schützt die Glasabdeckung vor kaltem Wind, aber ein noch wichtigerer Grund liegt in dem unterschiedlichen Absorptionsverhalten des Glases für verschiedene Strahlungsarten.

Das auf die Glasplatte treffende Sonnenlicht passiert die Glasplatte weitgehend verlustlos, wird im dunklen Boden absorbiert und erwärmt diesen. Nun wird der Boden aber nicht beliebig aufgeheizt, er gibt Energie in Form infraroter Strahlung wieder ab. Diese Infrarotstrahlung (oder Wärmestrahlung) ist langwelliger als das von der Sonne kommende sichtbare Licht und kann die Glasplatte des Frühbeetes nicht nach außen passieren. Die Strahlung wird an der Glasplatte reflektiert und es kommt zu einer stärkeren Erwärmung des Beetes als ohne Glasplatte (Treibhauseffekt). In dem sich einstellenden wärmeren Klima gedeihen die Pflanzen schneller.

Eine ähnliche Wirkung wie die Glasplatte für das Frühbeet hat unsere Atmosphäre für das Erdklima. Im Folgenden ist der Treibhauseffekt in einer sehr stark vereinfachten Weise dargestellt.

Die Erde ohne Treibhausgase: nicht lebenswert

Hätte die Erde eine Atmosphäre, die sichtbares Licht und Wärmestrahlung ungehindert passieren ließe, so würde das sichtbare Sonnenlicht (gelb) den Erdboden erwärmen. Diese Erwärmung geht nicht beliebig weit, der Boden würde Wärme (Infrarotstrahlung - rot) abstrahlen. Berechnungen zeigen, dass unter den obigen Voraussetzungen die mittlere Temperatur auf der Erde unwirtliche -18°C betragen würde.

Der Natürliche Treibhauseffekt

Im Laufe der Erdgeschichte bildeten sich in der Atmosphäre die sogenannten Treibhausgase, die nur einen Teil der Infrarotstrahlung ins All entweichen lassen.

  • Ein Teil der Sonnenstrahlung wird in der oberen Atmosphäre reflektiert.

  • Ein Teil der Sonnenstrahlung wird schon in der Atmosphäre absorbiert.

  • Ungefähr die Hälfte der ankommenden Sonnenstrahlung gelangt zum Boden und erwärmt diesen.

  • Die vom Boden ausgesandte Infrarotstrahlung gelangt teilweise ins All, zum Teil wird sie aber von den Treibhausgasen in der Atmosphäre zurückgehalten (Treibhauseffekt).

Aufgrund des natürlichen Treibhauseffekts beträgt die mittlere Temperatur auf der Erde ca. 15°C.

Der Anthropogene (griechisch: anthropos = Mensch ; genesis = Entstammung) Treibhauseffekt

Aufgrund des vermehrten Ausstoßes verschiedener Treibhausgase seit der Industrialisierung (symbolisiert durch dunklere Hülle) lässt die Atmosphäre nun noch weniger Infrarotstrahlung ins All entweichen, die Erde erwärmt sich über die durchschnittliche Temperatur von 15°C.

 
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