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.

teilchenanregung_durch_lichtDie 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:

teilchenanregung_streuungDas 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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