3. Klima und Klimawandel
Der Treibhauseffekt (3/4)
Das Strahlungsgleichgewicht
Wir haben berechnet, welcher Bruchteil der von der Sonne ausgehenden Strahlung von der Erde absorbiert wird, als schwarze Erde oder als blauer Planet. Ausgangspunkt war die Strahlungstemperatur Trad,S = 5772 K der Photosphäre der Sonne. Wir haben ebenfalls eine Beziehung für die von der Erde abgegebene Strahlung gefunden, wobei der Wert der mittleren Strahlungstemperatur Trad,E der Erdoberfläche offen blieb. Das ist die Größe, nach der wir suchen!
Nehmen wir an, die von der Erde absorbierte Strahlungsleistung der Sonne sei gleich groß wie die von der Erdoberfläche abgegebene Strahlungsleistung, so lässt sich die Strahlungstemperatur der Erde bestimmen. Bekanntlich ist dieses Gleichgewicht nicht ganz genau erfüllt mit der Folge, dass wir einen Klimawandel beobachten, aber die Abweichung ist vermutlich nicht sehr groß. Gleichsetzen von absorbierter Sonnenstrahlung und von der Erde abgegebener Strahlung bedeutet:
Schwarze Erde:
Dies ist der Fall mit der höchstmöglichen Absorption der verfügbaren Sonnenstrahlung. Trotzdem ist die mittlere Temperatur der Erde 9°C kleiner als der tatsächliche Mittelwert 14°C!
Blauer Planet:
Erwartungsgemäß ist die Temperatur der Erde mit ihrer Albedo und entsprechend 30% geringerer Aufnahme an Sonnenstrahlung noch kälter. Sie ist sogar so kalt, dass es kein flüssiges Wasser gäbe!
Zum Vergleich: während der letzten Eiszeit vor 20 000 Jahren war die mittlere Temperatur etwa +8°C! Selbst die schwarze Erde wäre 3° kälter!
Was wird in unserer Modellrechnung nicht berücksichtigt?
Das ist der Treibhauseffekt. Er reduziert den Strahlungsverlust der Erde in den Weltraum so sehr, dass sich eine für die heutige Biosphäre sehr passende mittlere Temperatur von 14°C einstellt.
Der Treibhauseffekt ist demnach für die Erde, wie wir sie kennen, ganz unverzichtbar.
Wie funktioniert ein Treibhaus?
Fensterglas lässt die Sonnenstrahlung durch, blockiert aber durch Absorption die innen entstehende infrarote Strahlung ab etwa 3,5 μm Wellenlänge. Dies erklärt die angenehmen Temperaturen in einem Treibhaus. Dem Gewinn durch Sonnenstrahlung muss ein Verlust entgegenstehen, damit sich ein Gleichgewicht ergeben kann; andernfalls müssten die Temperaturen im Inneren immer weiter steigen. Dies geschieht durch Wärmeleitung: die durch Absorption erwärmte Innenseite des Glases leitet die Wärme zur Außenseite, wo sie an die Luft abgegeben wird. Bei Gebäuden sind Fenster daher ein Wärmeleck.
Ein Treibhaus, Wilhelma Zoologisch-Botanischer Garten Stuttgart. Einfallende (1), reflektierte (2) und den Erdboden erreichende (3) Sonnenstrahlung. Temperaturstrahlung des Erdbodens (4), Gegenstrahlung (5) von der Innenseite des Glases, und Wärmeverlust (6).
Quelle: Rainer Reuter, Universität Oldenburg.
