Der
Treibhauseffekt
Die Erde ist ein Ökosystem,
das sich innerhalb gewisser Grenzen in einem stabilen Gleichgewichtszustand
befindet. Dieser kann über längere Zeiträume hinweg nicht leicht durch irgend
etwas gestört werden, es sei denn durch einen drastischen Eingriff des Menschen.
Unter dem Treibhauseffekt versteht man die Aufheizung der Erdatmosphäre durch
die Verbrennung fossiler Brennstoffe, bei der Kohlendioxid freigesetzt und in
der Atmosphäre angereichert wird. Jedes organische Material besteht aus
Kohlenstoffverbindungen, und bei jeder Verbrennung wird CO2
freigesetzt. Der Kohlenstoff, welchen die Pflanzen für ihr Wachstum benötigen,
wird über das CO2 der Luft eingeatmet. Beim natürlichen Tod einer
Pflanze durch Fäulnis wird exakt die gleiche Menge Kohlenstoff, welche während
des Wachstums aus der Luft zugeführt wurde, an die Atmosphäre zurückgegeben.
Durch natürliche Prozesse entsteht in der Luftschicht also keine Anreicherung
von Kohlendioxid. Weder durch Verbrennen von Holz, wozu auch die Brandrodung
gehört, noch durch das Rauchen von Tabak entstehen der Natur schädliche
Auswirkungen, und beides führt zu keinem Anstieg des CO2-Gehaltes.
Dies gilt nicht für Kohlenstoff, der direkt aus dem Erdinneren gefördert wird,
also in fester oder gebundener Form vorliegt, wie das bei Kohle, Erdöl und
Erdgas der Fall ist. Das bei Vulkanausbrüchen aus dem Erdinnern entweichende
Kohlendioxid kann ebenfalls zu keiner Nettoanreicherung in der Erdatmosphäre
führen, auch wenn es sich dabei um gewaltige Mengen handelt, denn sonst wäre
dies längst geschehen. Magmatische Erscheinungen scheinen also mit anderen
natürlich ablaufenden Prozessen, die das freigesetzte Gas wieder in die feste
Phase zurückverwandeln, im Gleichgewicht zu sein, etwa der langsam verlaufenden
Gebirgsbildung, bei der aus Meeresablagerungen Kalkstein gebildet wird. Die Erde
befindet sich in wundersamer Weise in einem Gleichgewicht, wenn nicht der Mensch
es fertigbrächte, in Zeiträumen, die kurz sind auf der geologischen Zeitskala,
sämtliche Kohle- und Erdölreserven, die sich im Verlauf von Jahrmillionen aus
organischem Material gebildet haben, durch Verbrennung wieder in die Gasform
zurückzuführen. Er führt damit wie in einem Kreisprozeß in relativ kurzer Zeit
den Zustand der Erde herbei, wie er in Urzeiten herrschte, als die Atmosphäre
sehr viel CO2-haltiger war, als es unsere heutige Atmosphäre ist, und
die Erde sich durch ein üppiges Pflanzenwachstum auszeichnete und Lebensraum für
viele Kaltblüter bot, namentlich die Dinosaurier.
Kohlendioxid ist ein
symmetrisches Molekül, welches langwellige elektromagnetische Strahlung
absorbiert, nämlich Infrarot- oder Wärmestrahlung im Bereich von 4,5 und 14,5
µm. Wenn Sonnenlicht, welches sein Strahlungsmaximum im sichtbaren Bereich hat,
auf die Erde trifft, erwärmt sich die Erde dabei und gibt einen Teil ihrer
Energie wieder in Form von Wärmestrahlung ab, und zwar genau im Infrarotbereich,
in dem das Kohlendioxid-Molekül seine Absorptionsbanden hat. Das CO2-Molekül
hält also Wärme fest. Es wird durch das absorbierte Photon zu Schwingungen
angeregt, deren Energie durch Molekularbewegung in Form von Stößen auf
andere Luftmoleküle übertragen wird. Die Temperatur steigt an. Kohlendioxid ist
in der Atmosphäre nur als sogenanntes Spurengas enthalten, jedoch bewirkt
bereits ein kleiner Anstieg seiner Konzentration eine relativ hohe
Temperaturänderung. Auf dem Mars ist die CO2-Atmosphäre nur sehr
dünn, und dennoch macht man diese dünne Atmosphäre dafür verantwortlich, daß es
auf dem Mars nicht noch viel kälter ist.
Eine globale Erwärmung der Atmosphäre
hat folgende fatale Auswirkungen: Wärmere Luft kann wesentlich mehr Feuchtigkeit
aufnehmen als kältere. Stärkere Niederschläge sind die Folge, da es parallel zu
vermehrter Wolkenbildung kommt. Wärmere Luft steigt höher und schneller auf als
kühlere und führt in der Regel auch zu höherem Luftdruck in Hochdruckgebieten,
und aufgrund des stärkeren Soges zu tieferem Druck in Tiefdruckgebieten. Mithin
werden die Luftdruckunterschiede zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten größer,
und aufgrund des größeren Druckgefälles entstehen auch stärkere Winde, besonders
in den Sommermonaten, wenn der Lichteinfall sehr steil erfolgt. Das
planetarische Windsystem wird verändert, die regenreichen Zonen verschieben sich
nach Norden, die Wüstengürtel und regenarmen Zonen werden breiter. Welche
Auswirkungen hat nun der Treibhauseffekt auf die Natur? Die Pflanzen haben sich
im Verlauf von Jahrtausenden an die bestehenden Niederschlagsmengen und
Temperaturverhältnisse angepaßt, und geringere Schwankungen machen ihnen nichts
aus. Wenn sich die Niederschlagsverhältnisse jedoch dramatisch verändern, sind
bestimmte Arten, die auf weniger Niederschlag angewiesen sind, ebenso bedroht
wie solche, die größere Niederschlagsmengen bräuchten, die dann aber aufgrund
einer Verschiebung der gemäßigten Regenwaldzonen plötzlich fehlen. Die Sahara
hat sich gebildet, weil es nach der Eiszeit plötzlich wärmer wurde. Nun wird es
noch wärmer, und die Wüste schreitet voran, der Raum für Kulturboden wird
knapper. Dort, wo die mageren Böden liegen, regnet es plötzlich viel, und die
ohnehin dünne Bodenkrume wird weggeschwemmt. Auswaschungen, Murenabgänge und
Überflutungen vernichten zunehmend Ernten, Fluren und Straßen, nicht zu sprechen
von den finanziellen Schäden, die damit verbunden sind. Orkanartige Winde
knicken Stangenwälder wie Strohhalme, von den Gefahren für die Schiffahrt ganz
zu schweigen. Eine globale Erwärmung bringt Gletscher und Polkappen zum
Schmelzen, die Wasserreservoire versiegen, der Meeresspiegel steigt. Das
Meeresplankton ist an exakt konstante Temperaturverhältnisse gewöhnt,
Fischgründe könnten versiegen, die Korallenbildung wird ausgesetzt. Die Tierwelt
ist eng an die Pflanzenwelt gekoppelt, und mit dem Niedergang der letzteren
könnte auch der Niedergang der ersteren eingeleitet werden. Ökosysteme sind
empfindlich und fein aufeinander abgestimmt, und die Natur verkraftet keine
abrupten Übergänge. Daß mit der Natur am Ende immer der Mensch betroffen ist,
liegt auf der Hand. Ein Schreckensszenario? Was kann man also dagegen tun?
Alle Lösungen, die bisher angeboten
wurde, gelten als ökonomisch nicht sinnvoll. Was aber sofort und unabdingbar
notwendig wäre, ist ein sofortiger Stop der Verbrennung fossiler Brennstoffe,
ein Verzicht auf Heizöl und Verbrennungsmotoren weltweit. Dies dürfte die
Erträge der Erdölgesellschaften schmälern, und mit deren Widerstand ist zu
rechnen. Die eigentliche Ursache des Treibhauseffektes und seiner Nebeneffekte
dürfte auch jedermann klar sein. Wenn die Erdbevölkerung eine Gesamtzahl nicht
überstiegen hätte, wie sie noch vor dem Beginn des rasanten
Bevölkerungswachstums vorgelegen hat, wäre der Verbrauch an fossilen
Brennstoffen natürlich weitaus geringer gewesen, und wer weiß, ob der
Gleichgewichtszustand dann überhaupt gestört worden wäre. Der
Energie-Pro-Kopf-Verbrauch ist vielleicht das geringere Problem, doch mit der
Kopfzahl multipliziert bilanziert ein Energie-Gesamtverbrauch, der
augenscheinlich zu hoch ist. In einer Gleichung, wo Energieverbrauch gleich
Pro-Kopf-Verbrauch mal Kopfzahl ist, kann zur Einsparung entweder der
Pro-Kopf-Verbrauch gesenkt werden oder aber die Kopfzahl. Da ein konstanter
Pro-Kopf-Verbrauch unserem Wohlstand gleichgesetzt wird, muß, wenn es dafür
nicht ohnehin zu spät ist, die Kopfzahl gesenkt werden, d.h. ein
Geburtenrückgang muß unausweichlich folgen. Dies wiederum gilt als sozial nicht
verträglich, weil der Welt dann die Versorger entzogen würden. Der Mensch muß
jedoch wissen, was er will. Will er selbst um jeden Preis überleben, oder sollte
dies nicht besser seinen Nachkommen, als den Trägern des Lebens, vorbehalten
sein? Die Menschheit wird sich wohl oder übel zu dem Entschluß durchringen
müssen, die unkontrollierte Fortpflanzung als einen Verstoß gegen das Überleben
aller anzusehen, besonders dort, wo Populationen ohnehin über ein vernünftiges
Maß bereits weit hinausgeschossen sind, denn sonst wird der uns allen
bevorstehende Wärmetod schon deutlich früher als vorgesehen eintreten.
Es gibt Thesen, wonach bestritten
wird, daß es einen Treibhauseffekt überhaupt gibt, mit der Begründung, daß die
Absorptionsbanden des CO2
bereits gesättigt seien und damit weiteres ausgestoßenes Kohlendioxid zu keiner
weiteren Erwärmung der Erdatmosphäre führen könne. Daß dem nicht so ist, läßt
sich mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes, den wir dazu hinschreiben müssen,
leicht beweisen. An jeder sphärischen Grenzschicht der Atmosphäre, deren
Mittelpunkt mit dem Erdmittelpunkt zusammenfällt, bleibt die Summe aus
absorbierter und durchgelassener Energie konstant. Der Einfluß der Reflexion
kann für die folgende Betrachtung vernachlässigt werden. Normiert auf die von
der Erdoberfläche abgestrahlte Intensität J0
läßt sich der Energieerhaltungssatz auf folgende einfache Form bringen: A
+ T = 1, wobei A die Absorption und T die
Transmission des Mediums bedeuten. Die Transmission wiederum ist definiert als
das Verhältnis von durchgelassener zu einfallender Intensität, T = J/J0, wobei die durchgelassene Intensität
J
eine Funktion der von der elektromagnetischen Strahlung durchlaufenen Wegstrecke
d
ist, J = J0·exp{-a·d}, und einem Exponentialgesetz gehorcht.
a gibt den Absorptionskoeffizienten des Mediums an und ist das Produkt
aus Extinktion E und Konzentration c des Absorbers. Mithin
gilt: a = E·c. Die Extinktion ist
eine mediumspezifische Konstante, die für Kohlendioxid einen bestimmten Wert
besitzt. Nachdem nun der Absorptionskoeffizient proportional zur Konzentration
des Kohlendioxids in der Erdatmosphäre ist, könnte er theoretisch einen Wert
erreichen, der einer hundertprozentigen CO2-Konzentration entspricht,
wie er etwa in einer Atmosphäre vorliegen würde, die ausschließlich aus
Kohlendioxid besteht. Noch ist CO2
in der Atmosphäre nur als Spurengas vorhanden, aber jede Verdoppelung der
Konzentration wirkt sich aufgrund des Absorptionsgesetzes quadratisch in der
ursprünglichen Transmission aus, und desto schneller geht die Absorption A
= 1 - T gegen 1, d.h in die Sättigung. Nun zu behaupten, die Absorption
wäre bereits in Sättigung, d.h. A
= 1, wäre eine völlige Verkennung der logarithmischen Natur des
Absorptionsverhaltens, ln(J/J0) = E·c·d.
Eine Exponentialfunktion kann niemals Null werden, außer wie hier für d
gleich Unendlich; aber der Weg durch die Erdatmosphäre ist nicht unendlich.
Deshalb ist eine Sättigung von Absorptionsbanden schlichtweg nicht zu erreichen,
selbst wenn eine hundertprozentige Konzentration des Absorbers vorläge, also
a = amax. Die
maximal mögliche Absorption beträgt also Amax
= 1 - exp{-amax·d} < 1, und ein
Ende des Treibhauseffektes ist nicht in Sicht. Übrigens finden einige Leute auch
den Namen Treibhauseffekt nicht passend, weil angeblich die Glasscheibe fehlt,
die zu jedem Treibhaus gehört. So wie aber Glas absorbiert und Wärmestrahlung am
Austritt hindert, so verhindert hier eine Gasschicht aus CO2-Molekülen
ein Entkommen der Infrarotphotonen ins All. Also ist der Begriff durchaus
anschaulich und zutreffend gewählt. Wem nun noch einfällt zu behaupten, andere
Spurengase seien viel aggressiver als Kohlendioxid, der mag zwar formal recht
haben, braucht sich jedoch nur die Relation vor Augen führen, in welchem Ausmaß
Methan produziert wird und in welchem CO2, und er wird erkennen, daß
die anderen Gase kaum eine Rolle spielen.
Abschließend noch eine kurze Bemerkung
zu dem vielfach geäußerten Argument, man könne nicht klar entscheiden, ob die
gegenwärtig festgestellte Erderwärmung um mehr als 0,7 °C auf natürlichen
Ursachen basiere oder aber auf menschlichen Einfluß zurückzuführen sei. Dazu muß
man sich nur einmal die unten abgebildete Graphik etwas genauer ansehen, welche
die Änderung der Solarkonstanten seit dem Ende der "kleinen Eiszeit" um 1700
angibt.
Selbst das einfachste Modell auf Basis des Stefan-Boltzmannschen
Strahlungsgesetzes kann anhand einer Änderung der Solarkonstanten um 5 W/m² nur
eine maximale mittlere Temperaturzunahme um 0,25 °C zugestehen, d.h. die
Differenz von ca. 0,5 °C geht ganz eindeutig auf den Einfluß des Menschen
zurück. Hinter solchen Täuschungsmanövern spiegeln sich also mehrheitlich die
Interessen der Automobil- und Erdölindustrie wider als der ehrliche Umgang mit
physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Die CO2-Konzentration betrug im
Jahr 1860 im langjährigen Mittel 0,028 % Volumenanteil an der Zusammensetzung
der Erdatmosphäre. 1985 ist dieser Anteil um 30 % auf 0,036 % gestiegen. Wenn
0,036 % Kohlendioxidanteil gegenüber einer Atmosphäre, in der Kohlendioxid völlig
fehlt, einer Temperaturerhöhung von 7,2 °C entsprechen, so bedeutet eine 30 %ige
Konzentrationserhöhung einen mittleren Temperaturanstieg von 1,73 °C. Mithin ist
dieser Wert gegenüber dem offiziell bekanntgegebenen Wert von 0,7 °C um ein Grad
zu hoch. Dies wäre nur so zu erklären, daß die offiziellen Mittelwerte im
langjährigen Mittel der letzten dreißig Jahre gemessen sind und damit fünfzehn
Jahre zurückliegen, da die arithmetische Mittelung einen systematischen
Temperaturanstieg nicht berücksichtigt und der "Effekt" in der Statistik
untergeht. Eine falsche Mittelwertbildung ist jedoch ein sehr gefährliches
Unterfangen, da sie über die wahren Zusammenhänge hinwegtäuscht. Dem subjektiven
Empfinden nach kann dieser Wert auch gar nicht stimmen, wie die immer milder
werdenden Winter und die immer heißeren Sommer der letzten Jahre beweisen.
Vielmehr ist es wahrscheinlich, und hierbei ist einer groben Abschätzung mehr zu
trauen als einem komplexen Modell, daß der oben berechnete Wert den Tatsachen
wesentlich näher kommt. Mit den angegebenen Zahlen läßt sich für eine
Verdoppelung des CO2-Gehalts ein Temperaturanstieg von 3,7 °C
vorhersagen. Wann dies freilich eintreten wird und ob es dazu kommt, hängt sehr
stark vom zukünftigen Verhalten und dem Ausstoß an Treibhausgasen ab. Wenn
nichts geschieht und dem weiteren Verbrennen fossiler Brennstoffe nicht
unverzüglich Einhalt geboten wird, d.h. die Erdölförderung auf nahezu Null
gedrosselt wird, so bedeutet dies definitiv das Ende des größten Teiles der
Menschheit noch in diesem Jahrhundert, ein Schicksal, das der Erde ohne den
menschlichen Geist noch für Milliarden von Jahren erspart geblieben wäre.
Nachfolgend können Sie sich den
Quellcode herunterladen und sich über die theoretischen
Grundlagen des Temperaturanstiegs informieren. Klicken
Sie auf den untenstehenden Link und scrollen Sie zum
Ende des Dokuments. Die Seite ist sicher.
Quellcode
Erläuterung zum Modell: Zugrunde gelegt
ist, wie schon gesagt, das Stefan-Boltzmannsche Gesetz, wobei angenommen wird,
daß die Erde wie ein Schwarzer Körper strahlt, und daß die wesentliche
Abstrahlung nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz im Infraroten liegt. Für
Infrarotstrahlung ist die Erdatmosphäre außer den Absorptionsbanden des
Kohlendioxids (und des Methans) weitgehend durchlässig. Die Berechnung basiert
auf der Annahme, daß die Erde keine Atmosphäre besitzt, und daß 30% der
einfallenden Energie wieder in den Weltraum reflektiert werden. Die Sonne heizt
die Erde so lange auf, bis sich zwischen einfallender und abgegebener Energie
ein Gleichgewicht einstellt, was zu einem Temperaturmittelwert auf der
Erdoberfläche von ca. 281 K führt. Unter Berücksichtigung der Erdatmosphäre
erhöht sich dieser Wert auf +15,1 °C. Für relative Berechnungen ist die Annahme
einer Atmosphäre in erster Näherung jedoch vernachlässigbar. Die Kugelgestalt
die Erde und die Erdrotation werden selbstverständlich berücksichtigt. Eine
kurzfristige Änderung der Bahnparameter wird nicht angenommen, es wird weder auf
Nutation noch Präzession eingegangen, da diese bei der gegenwärtigen schnellen,
globalen Erwärmung auch keine nennenswerte Rolle spielen können.
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