E2 Treibhauseffekt und atmosphärische Opazität

Thema

Der eigentliche Treibhauseffekt ist ein Strahlungstransportphänomen: Treibhausgase absorbieren Infrarotstrahlung in bestimmten Spektralbereichen und emittieren sie in alle Richtungen. Diese Absorption und Reemission von Infrarotstrahlung durch Treibhausgase erhöht die Opazität der Atmosphäre genau in diesen Spektralbereichen. Je undurchsichtiger die Atmosphäre in einem bestimmten Spektralbereich wird, desto weniger Infrarotstrahlung in diesem Bereich kann die Atmosphäre ungehindert von der Erdoberfläche in den Weltraum durchdringen, ohne dabei mindestens einmal absorbiert und reemittiert zu werden.

Die Physik, die diese Absorption und Reemission von Infrarotstrahlung beschreibt, basiert auf zwei fundamentalen Beziehungen: einer, die beschreibt, wie Infrarotstrahlung Schicht für Schicht an Intensität verliert, während sie eine absorbierende Atmosphäre durchdringt, und einem Satz von Transportgleichungen, die für jede Atmosphärenschicht beschreiben, wie viel Infrarotstrahlung jede Schicht absorbiert, wie viel sie emittiert und wie viel sie einfach durchlässt.

Bei den Treibhausgasen steigt der Strahlungsantrieb durch Kohlendioxid nicht proportional zur Kohlendioxidkonzentration, sondern logarithmisch an. Der Grund dafür ist, dass die Hauptabsorptionsbanden des Kohlendioxids gesättigt sind: Sobald ein bestimmtes Spektralband nahezu die gesamte einfallende Infrarotstrahlung absorbiert hat, führt eine weitere Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre nicht mehr zu einer signifikanten Steigerung der Absorption in diesem Spektralband, selbst wenn die Konzentration weiter steigt. Daher führt jede Verdopplung der Kohlendioxidkonzentration zu einem annähernd gleichen zusätzlichen Strahlungsantrieb von etwa 3,7 Watt pro Quadratmeter, unabhängig davon, ob die Verdopplung von einer niedrigen oder bereits hohen Kohlendioxidkonzentration ausgeht.

Mit steigender Treibhausgaskonzentration wird die Atmosphäre auch in größeren Höhen undurchlässiger für Infrarotstrahlung als zuvor. Dadurch erhöht sich die effektive Emissionshöhe – die Höhe, ab der die Atmosphäre Infrarotstrahlung ins Weltall abgibt, ohne dass diese von einer oberen Schicht wieder absorbiert wird. Da die Temperatur der Atmosphäre mit der Höhe abnimmt, entspricht eine höhere effektive Emissionshöhe auch einer niedrigeren Emissionstemperatur. Diese niedrigere Emissionstemperatur reduziert die ausgehende langwellige Strahlung, da eine kühlere Schicht weniger Infrarotstrahlung abgibt als eine wärmere. Genau diese reduzierte ausgehende langwellige Strahlung führt zur Erwärmung der Erdoberfläche: Solange die ausgehende langwellige Strahlung unter der von der Erde absorbierten Sonnenenergie liegt, reichert sich an der Erdoberfläche weiterhin Energie an und ihre Temperatur steigt.

Der gesamte beschriebene Treibhauseffekt – von der Absorption und Reemission von Infrarotstrahlung durch Treibhausgase bis zur letztendlichen Erwärmung der Oberfläche – lässt sich in dieser Kette zusammenfassen: Mehr Treibhausgase erhöhen die effektive Emissionshöhe. Eine höhere effektive Emissionshöhe bedeutet eine niedrigere Emissionstemperatur. Diese niedrigere Emissionstemperatur reduziert die ausgehende langwellige Strahlung, die die absorbierte Sonnenenergie ausgleicht. Dadurch erwärmt sich die Erdoberfläche, bis ein neues Gleichgewicht bei einer höheren Oberflächentemperatur erreicht ist, bei dem die ausgehende langwellige Strahlung wieder der absorbierten Sonnenenergie entspricht.

ID:665