Treibhauseffekt und Strahlung

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Das Klima der Erde wird in erster Linie durch die von der Sonne aufgenommene Strahlung bestimmt. Licht ist physikalisch betrachtet elektromagnetische Strahlung mit kurzer Wellenlänge. Das sichtbare Licht ist nur ein winziger Ausschnitt der elektromagnetischen Strahlung in der wir leben, das kurzwellige UV-Licht und das langwellige Infrarotlicht (Wärmestrahlung) sind unsichtbar. Die kurzwellige sichtbare Strahlung des Lichts wird beim Auftreffen auf  Materie in längerwellige Wärmestrahlung verwandelt.

Elektromagnetische Strahlung

Man kann sich Strahlung bildlich als Wellen vorstellen.

Wellen lassen sich durch zwei Eigenschaften beschreiben. Eine wichtige Eigenschaft elektromagnetischer Wellen ist ihre Wellenlänge (L). Die Wellenlänge bezeichnet den Abstand von einem Wellenberg zum nächsten (siehe Abbildung). Eine zweite wichtige Eigenschaft ist die Frequenz. Die Frequenz misst die Anzahl der Wellen pro Zeiteinheit z.B. Anzahl der Wellen pro Sekunde. Die Frequenz wird in der Einheit Hertz gemessen. Licht breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Wellenlänge und Frequenz verhalten sich umgekehrt: bei großer Wellenlänge ist die Frequenz klein (Abbildung oberer Bereich), bei kleiner Wellenlänge ist die Frequenz groß (hohe Frequenz; Abbildung unterer Bereich).

Dabei gilt allgemein: Kurzwellige Strahlung (= Strahlung mit kleiner Wellenlänge, großer Frequenz) ist energiereicher als langwellige Strahlung  (= Strahlung mit großer Wellenlänge und kleiner Frequenz), zum Beispiel Radiowellen. Kurzwellige Strahlung ist also sehr energiereich und gefährlich: sie kann Gewebezellen durchdringen, sie beschädigen und Krebs auslösen. 

In der Natur kommen Wellen unterschiedlichster Wellenlängen vor. Die ganze Bandbreite der verschiedenen Wellen nennt man das Spektrum der Strahlung oder das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung.

Elektromagnetisches Spektrum

Attribution: Markus Nielbock / CC BY-SA

Beginnend mit der kurzwelligsten elektromagnetischen Strahlung befinden sich im Spektrum:

• Gammastrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von Pikometern (pm) entsteht beim radioaktiven Zerfall und ist sehr energiereich.
• Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge von 0,1 Nanometern (nm) kann Materie durchdringen, z.B. bei Röntgenaufnahmen.
• Ultraviolettes Licht (UV-Licht) mit einer Wellenlänge im Bereich von
  100 nm ist ebenfalls sehr energiereich und kann Sonnenbrand und Hautkrebs verursachen. 
• Sichtbares Spektrum des Lichtes mit einer Wellenlänge von etwa 400 bis 800nm ist der Wellenlängenbereich, den wir mit unseren Augen wahrnehmen können.
• Infrarot Licht (IR-Licht) mit einer Wellenlänge von 800 nm bis ca. 1 mm ist Wärmestrahlung.
• Mikrowellen mit einer Wellenlänge von 1 mm bis 10 cm werden in der  Mikrowelle genutzt.
• Radiowellen mit einer Wellenlänge ab 1 m werden genutzt für Mobilfunk, TV, Radio.

Für das Klima sind neben dem sichtbaren Licht vor allem die kurzwellige Ultraviolette (= UV) Strahlung und die langwellige Infrarotstrahlung (= IR=Wärmestrahlung) wichtig. 

 

Auf seinem Weg von der Sonne zur Erde durchdringt das kurzwellige Sonnenlicht die Erdatmosphäre. Die kurzwellige Strahlung des ankommenden Sonnenlichts wird teilweise von der Atmosphäre reflektiert, der Rest trifft auf die Erde, erwärmt die Erdoberfläche und wird als langwellige, infrarote Wärmestrahlung zurückgestrahlt. Ein Teil der Wärme wird ins Weltall zurückgeworfen, der andere Teil kann die Schicht aus Treibhausgasen (Wasserdampf, Kohlendioxid und weiteren Spurengasen) in der Atmosphäre nicht durchdringen und wird in der Atmosphäre zurückgehalten.

 Treibhauseffekt
Attribution: derivative work: FischXCarbon_cycle-cute_diagram.svg: *derivative work: FischXCarbon_cycle-cute_diagram.jpeg: User Kevin Saff on en.wikipediaCarbon_cycle-cute_diagram.jpeg: User Kevin Saff on en.wikipedia / Public domain 

Kein Leben ohne natürlichen Treibhauseffekt

Die Atmosphäre besteht größtenteils aus Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂) und Argon (Ar). Diese Gase sind ziemlich durchlässig sowohl für sichtbares Licht als auch für die Wärme, die die Erde in den Weltraum zurückstrahlt. Allerdings sind in der Atmosphäre auch Wasserdampf, Kohlendioxid und Spuren anderer Gase (Spurengase) vorhanden. Sie sind zwar durchlässig für sichtbares Licht, jedoch weit weniger für Infrarotlicht. Diese Gase wirken wie ein Schutzschild für die Erde. Man nennt sie Treibhausgase. Es sind vor allem  Kohlenstoffdioxid (CO₂), Wasserdampf (H₂O) und Methan (CH₄). 

Ohne die schützende Atmosphäre wäre auf der Erde kein Leben möglich. Astronauten berichten nach ihren Raumflügen immer wieder davon, dass die Erdatmosphäre dünn und verletzlich aussieht. Der dünne blaue Streifen, der aus dem Weltraum sichtbar ist, reicht nur etwa sechzig Kilometer in die Höhe. Diese dünne Schicht speichert einen Teil der auftreffenden Strahlung als Wärmeenergie. Dieser natürliche Treibhauseffekt ermöglicht das Leben auf der Erde. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt würde auf der Erde eine durchschnittliche Temperatur von minus 18 Grad Celsius herrschen. Die Treibhausgase sind dafür verantwortlich, dass die durchschnittliche Oberflächentemperatur bei plus 15 Grad Celsius liegt. 

 

Treibhaus Erde

Ein Treibhaus ist ein Glashaus, das dafür verwendet wird, für Pflanzen ein entsprechendes Klima zu schaffen. Dabei soll vor allem die Wärme in diesem Haus gehalten werden. Glas ist durchlässig für alle Arten von Licht. Das Treibhaus hat eine Hülle aus Glas, die kurzwelliges Licht durchgehen lässt und langwellige Wärmestrahlung sozusagen gefangen hält. Dieser Effekt wird uns beim Autofahren an einem heißen Sommertag bewusst: Die Sonnenstrahlen dringen durch die Verglasung ins Wageninnere ein und werden in Wärme umgewandelt. Dabei wird das Innere um 30 bis 40° C aufgeheizt. Beim Treibhauseffekt der Erde übernehmen die Spurengase die Funktion der Glasscheiben. Deshalb werden diese Gase auch Treibhausgase genannt. Die Treibhausgase sind das Glashaus der Erde. 

 

Wir sitzen im Glashaus

Seit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert wird der natürliche Treibhauseffekt erheblich verstärkt. Der vom Menschen verursachte, sogenannte „anthropogene Treibhauseffekt“ verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt und bringt unser Klimasystem in Gefahr. Die wichtigsten, vom Menschen zusätzlich erzeugten Treibhausgase, sind neben Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasserdampf (H₂O) vor allem Methan (CH₄) und Distickstoffoxid (N₂O). Daneben spielen noch die fluorierte Gase (F-Gase), wasserstoffhaltige Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW), perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW), und Schwefelhexafluorid (SF₆) eine Rolle. Je höher ihre Menge in der Luft ist, desto höher ist die Temperatur auf der Erde.

Die derzeitige Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre ist höher als in den vergangenen 650.000 Jahren. Wir müssen aufpassen, dass wir das empfindliche Klimasystem unserer Erde auch für zukünftige Generationen erhalten.

 

Arbeitsblätter

Die Arbeitsblätter findest du im Internen Bereich. Du benötigst ein Passwort. Intern 11K (Passwort)

Ordner: Energie

• • • AB_Klimamotor_Sonne_Strahlungsbilanz&Treibhauseffekt

Übungen

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Weiterführende Links

Allianz Umweltsiftung: Informationen zum Thema „Klima“.

planet wissen (ARD): Klimawandel