Versuch zum Treibhauseffekt – Deutungsansatz

Lei­der muss man da etwas aus­ho­len, da die Dar­stel­lung in den Medi­en oft arg zu wün­schen übrig­lässt.  Die fol­gen­de Dar­stel­lung ist eigent­lich wis­sen­schaft­lich betrach­tet nur unwe­sent­lich bes­ser, soll­te aber zumin­dest die rel­van­ten Schlag­wor­te zur eige­nen Wei­ter­ar­beit lie­fern. Gleich­zei­tig zeigt sie Mög­lich­kei­ten auf, wie in die­sem lebens­prak­tisch rele­van­ten Bereich sogar fach­über­grei­fen­de Arbeit (Phy­sik, Che­mie, Geo­wis­sen­schaf­ten) mög­lich ist. Ich bin mitt­ler­wei­le selbst ein wenig erschro­cken, wie lan­ge man eigent­lich dar­an unter­rich­ten könn­te und wie vie­le ver­schie­de­ne Aspek­te zum Tra­gen kom­men.  Zunächst ein­mal ein paar Begrif­fe und Grundlagen.

Unter Wär­me möch­te ich inner­halb die­ses Arti­kels Teil­chen­schwin­gung- und Teil­chen­be­we­gung ver­stan­den wis­sen.  Das begrei­fe ich also als eine Form von kine­ti­scher Ener­gie. Die­se Ener­gie kann durch direk­te und indi­rek­te „Stö­ße“ an ande­re Teil­chen­wei­ter­ge­ge­ben wer­den. Das ist ein Wär­me­fluss.

Unter Wär­me­strah­lung möch­te ich elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung ver­stan­den wis­sen, die von erwärm­ten Teil­chen aus­ge­sandt wer­den. Wär­me­strah­lung ist in der Lage über grö­ße­re Distan­zen hin­weg (also auch durch ein Vaku­um) Teil­chen kine­ti­sche Ener­gie zuzu­füh­ren bzw. ihre kine­ti­sche Ener­gie zu erhö­hen. Nicht ande­res ist eine Erwärmung.

Ob sich ein Teil­chen durch Wär­me­strah­lung anre­gen lässt, hängt mas­siv von der Wel­len­län­ge der ein­fal­len­den elek­tro­ma­gne­ti­schen Strah­lung ab. Je kür­zer die Wel­len­län­ge, des­to ener­gie­rei­cher ist dabei die­se Strahlung.

Dazu ein Bild:

Wenn ich als Vater mei­nen Sohn auf einer Schau­kel Anschwung gebe (Erhö­hung der kine­ti­schen Ener­gie), muss ich gleich­mä­ßig im „Takt“ der Schau­kel Ener­gie zufüh­ren. Ich kann z.B. nicht  jede Sekun­de „anschub­sen“. Die Schau­kel kommt dann nicht ins Schwin­gen, obwohl ich mecha­nisch betrach­tet im glei­chen Zeit­raum mehr Ener­gie zufüh­re. Die von der Schau­kel auf­ge­nom­me­ne Ener­gie hängt also von der Fre­quenz ab. Das ist über­tra­gen auf elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung die Wellenlänge.

Jetzt feh­len noch zwei Begrif­fe: Elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung hat wie Elek­tro­nen sowohl Wel­len- als auch Teil­chen­cha­rak­ter. Die Teil­chen hei­ßen Pho­to­nen, die Wel­len­län­ge der Strah­lung ist ein Maß für den Ener­gie­be­trag, den die­se Pho­to­nen mit sich füh­ren. Die Anzahl der Pho­to­nen pro Zeit­ein­heit wird als Inten­si­tät bezeich­net.

Die­se Begrif­fe hal­te ich für das Ver­ständ­nis des Treib­haus­ef­fek­tes für sehr wich­tig. Damit sich unse­re Atmo­sphä­re erwär­men kann, muss sich der Wär­me­be­trag der Gas­teil­chen in ihr erhöhen.

Die blaue Kugel sei ein Modell für  eine atmo­sphä­ri­sches Gas­teil­chen., z.B. ein Was­ser­mo­le­kül. Die rote Wel­le soll elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung einer Schwin­gungs­ebe­ne sym­bo­li­sie­ren. Unser Modell­teil­chen wird durch die ein­fal­len­de Strah­lung zum Schwin­gen in y‑Richtung ange­regt, d.h. die Strah­lung besitzt die zu dem Teil­chen „pas­sen­de“ Wel­len­län­ge. Es nimmt die ihm zuge­führ­te Ener­gie auf und die­se wird – da sie nicht ver­lo­ren gehen kann – in kine­ti­sche Ener­gie umge­wan­delt – die­ser Vor­gang heißt Absorp­ti­on. Eine grö­ße­re Por­ti­on an Teil­chen wür­de sich also – all­tags­sprach­lich for­mu­liert – erwärmen.

In der Regel wird aber nur ein Teil­be­trag der zuge­führ­ten Ener­gie wirk­lich in Wär­me ver­wan­delt. Ein ande­rer Teil wird wie­der als elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung abge­strahlt, man spricht von Ree­mis­si­on. Die­se ree­mit­tier­te Strah­lung ist jedoch nun ener­gie­är­mer, da ja ein Teil der ursprün­f­gich vor­han­de­nen Ener­gie in Wär­me umge­setzt wor­den ist – so wird aus kurz­wel­li­ger Strah­lung lang­wel­li­ge. Zudem sinkt zusätz­lich dabei die Inten­si­tät der ree­mit­tier­ten Strah­lung, da die Ree­mis­si­on in alle Rich­tun­gen erfolgt:

Das ist unser Teil­chen von eben, dass nun in alle Rich­tun­gen mit klei­ne­rer Wel­len­län­ge und gerin­ge­rer Inten­si­tät ree­mit­tiert – nur schau­en wir jetzt gewis­ser­mas­sen „von oben“ dar­auf., wie auf einen Stein, der ins Was­ser gewor­fen wird und die Was­ser­ober­flä­che in Schwin­gun­gen versetzt.

In Wirk­lich­keit errei­chen Licht­strah­len jed­we­der Schwin­gungs­ebe­ne das Teil­chen, sodass in alle denk­ba­ren Rich­tun­gen ree­mit­tiert wird.

Und jetzt end­lich zum Treibhauseffekt…

Son­nen­licht ent­hält einen hohen Anteil elek­tro­ma­gne­ti­scher Strah­lung im für uns sicht­ba­ren grü­nen Bereich – das hängt mit der Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur der Son­ne zusam­men, was jedoch hier zu weit führt. Die Gas­teil­chen inner­halb der Atmo­sphä­re (Stickstoff‑, Sau­er­stoff­mo­le­kü­le, Was­ser- und Koh­len­stoff­di­oxid­mo­le­kü­le) absor­bie­ren inner­halb die­ses kurz­wel­li­gen Berei­ches nicht oder nur sehr wenig, fast die gesam­te Ener­gie trifft also auf die Erdoberfläche.

Natür­li­cher Treibhauseffekt

Auf der Erd­ober­flä­che kommt es in dunk­len Berei­chen (z.B. Land­mas­sen) zur Absorp­ti­on, d.h. die Erd­ober­flä­che erwärmt sich und strahlt dabei einen Teil der zuge­führ­ten Ener­gie durch das Son­nen­licht als lang­wel­li­ge Strah­lung wie­der in die Atmo­sphä­re ab (Ree­mis­si­on).

Die­se nun­mehr lang­wel­li­ge Strah­lung ist nun in der Lage, die Gas­teil­chen in der Atmo­sphä­re anzu­re­gen, da jetzt die Wel­len­län­ge „passt“. Beson­ders gut klappt das beim Was­ser­mo­le­kül (atmo­sphä­ri­scher Was­ser­dampf, z.B. Wol­ken). Dadurch kommt es zu einer Erwär­mung der Atmo­sphä­re. Jedes ange­reg­te Gas­teil­chen ree­mit­tiert auch wie­der Strah­lung, sodass von jedem Teil­chen wie­der­um Strah­lung in alle Rich­tun­gen aus­ge­sandt wird. Ein Teil „ent­weicht“ in den Welt­raum, sodass sich ein Gleich­ge­wicht zwi­schen zuge­führ­ten Son­nen­en­er­gie und von den Gas­teil­chen abge­strahl­ter elek­tro­ma­gne­ti­scher Strah­lung ein­stellt. Des­we­gen ist unse­re Erde rela­tiv warm. Das umge­ben­de Vaku­um des Welt­alls ver­hin­dert einen direk­ten Wär­me­fluss auf Basis von kine­ti­scher Ener­gie (Teil­chen­be­we­gung kann nur bis zu dem Gren­zen der Atmo­sphä­re „wei­ter­ge­ge­ben“ wer­den). Kei­ne Teil­chen (Vaku­um), kein Wärmefluss.

Hel­le (pola­res Eis, Gebirgs­glet­scher) oder spie­geln­de Ober­flä­chen (teil­wei­se Was­ser­ober­flä­che) reflek­tie­ren das Son­nen­licht, d.h. es fin­det kei­ne oder nur eine sehr gerin­ge Umwand­lung in lang­wel­li­ge Strah­lung statt. Gro­ße Eis­flä­chen „küh­len“ daher die Atmo­sphä­re durch Reflek­ti­on des Son­nen­lich­tes ab.

Anthro­po­ge­ner Treibhauseffekt

Der Mensch sorgt nun auf ver­schie­de­ne Arten dafür, dass sich die Atmo­sphä­re wei­ter erwärmt.

1. Durch den Koh­len­stoff­di­oxid­aus­stoß unse­rer Indus­trie­welt und Mobi­li­tät (Auto­ver­kehr) steigt die Kon­zen­tra­ti­on die­ses Gases in der Atmo­sphä­re stark an. Dadurch wird mehr von der Ober­flä­che absor­bier­te und lang­wel­lig ree­mit­tier­te Strah­lung in Wär­me umge­setzt. Ein wei­te­rer, gra­vie­ren­der Fak­tor und ca. 10000fach kli­ma­wirk­sa­mer als Koh­len­stoff­di­oxid ist das Methan, wel­ches z.B. durch Mas­sen­tier­hal­tung ver­mehrt entsteht.
2. Z.B. Durch Abhol­zung der Regen­wäl­der ver­schwin­den natür­li­che Sys­te­me, die Koh­len­stoff­di­oxid in der Atmo­sphä­re abbau­en können.
3. Die aus bei­den Fak­to­ren resul­tie­ren­de Erd­er­wär­mung sorgt für ein Abschmel­zen der Pol­kap­pen und der Glet­scher – damit feh­len wich­ti­ge Reflektionsflächen.
4. Durch den Aus­stoß von FCKW ent­steht ein indi­rek­ter Treib­haus­ef­fekt: Die Ozon­schicht kann die für z.B. Phy­to­plank­ton schäd­li­chen UV-strah­len nicht mehr in der bis­he­ri­gen Form fil­tern, da sie radi­ka­lisch zer­stört wird. Dadurch ster­ben die­se wich­ti­gen Mikro­or­ga­nis­men im Meer ab, die ähn­lich wie die Regen­wäl­der im Stan­de sind, erheb­li­che Men­gen an Koh­len­stoff­di­oxid zu binden.

Zumin­dest im Fal­le der FCKW ist even­tu­ell Lin­de­rung in Sicht, da deen Gefähr­dungs­po­ten­ti­al bereits früh­zei­tig erkannt und der Aus­stoß dar­auf­hin mas­siv gedros­selt wur­de. Heu­te bau­en FCKW die Ozon­schicht ab, die bereits vor 20 Jah­ren unse­re Fabrik­schorn­stei­ne ver­las­sen haben.

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