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Der Treibhauseffekt

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Der Untergang der TitanicDie 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.
        Das 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 0,035% 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 5,7 °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 eine ausführbare Datei herunterladen und u.a. den Zusammenhang zwischen einem natürlichen Temperaturanstieg und dem dazu notwendigen Anstieg der Solarkonstanten selbst berechnen. Bewegen Sie dazu den Cursor über den untenstehenden Link, drücken Sie die rechte Maustaste und wählen Sie "Ziel speichern unter ...".

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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. 255 K führt. Unter Berücksichtigung der Erdatmosphäre erhöht sich dieser Wert auf +15 °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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