Der Treibhauseffekt

Heute möchte ich einen eher kleinen Klima-Eintrag mit euch teilen, jedoch einen, den ich jedoch für sehr wichtig halte. Denn heute möchte ich einmal versuchen ein wenig genauer darauf einzugehen, wie dieser Treibhauseffekt denn eigentlich zustande kommt. Wie immer: Bemüht in einfacher Sprache.

Warum ist der Himmel blau?

Fangen wir mit einem anderen Thema an. Ja, ich verspreche, es hat was mit dem Thema zu tun. Wahrscheinlich haben einige diese Frage einmal in der Schule behandelt oder vielleicht Sendung mit der Maus gesehen. Denn es ist kein Zufall, dass wir tagsüber die Sterne nicht sehen und der Himmel blau und abends gelb-orange-rot erscheint. Das hat mit unserer Atmosphäre zu tun und den Wellenlängen von Licht.

An dieser Stelle muss ich, wie ich fürchte, auf ein wenig Physik eingehen: Licht ist eine elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen sind, ganz simpel gesagt, unsichtbare Wellen, die uns die ganze Zeit umgeben. Nur das Licht eben eine Wellenlänge hat, die wir Menschen mit unseren Augen wahrnehmen können.

Wellen haben eine Länge. Wenn wir uns einfache Wasserwellen ansehen, haben diese Hügel. Der Abstand zwischen zwei Hügeln ist dabei die Wellenlänge – und auch elektromagnetische Wellen haben unterschiedliche Wellenlängen. Das, was wir als Licht bezeichnen, sind elektromagnetische Wellen mit einer Länge von 380 nm bis 780 nm. (nm steht für Nanometer, also ein milliardelste Meter.)

Nun schweben in unserer Atmosphäre halt Atome und Moleküle herum. Gase, teilweise auch Feststoffe. Einfallendes Licht wird an diesen Teilchen gestreut, und zwar umso wahrscheinlicher, je kleiner die Wellenlänge ist. Blaues Licht hat kleine Wellenlängen, wird daher stärker gestreut. Da vor allem das gestreute Licht unsere Augen erreicht, wenn wir in den Himmel und nicht direkt in die Sonne gucken, erscheint der Himmel tagsüber blau. Wir sehen also die Reflektion von blauem Licht an Molekülen in der Atmosphäre.

Und diese haben selbst eine Größe und bestimmte Abstände voneinander in der Atmosphäre. Nun ist es so, dass es je nach Wellenlänge, Strecke, die eine solche Strahlung zurücklegt, und Zusammensetzung von der Atmosphäre wahrscheinlicher ist, dass bestimmte Wellenlängen eher Moleküle in der Atmosphäre treffen und von diesen gestreut werden. Tagsüber ist es daher wahrscheinlicher, dass ein Molekül von den eher kurzen blauen Wellen getroffen wird und dann diese reflektiert. Dadurch sieht der Himmel für uns blau aus. Wir sehen die Reflexion von blauem Licht an Molekülen in der Atmosphäre. Genau so, wie wir eben Abends die Reflexion von rotem Licht sehen.

Kurze Wellen treffen eher auf Moleküle, als lange Wellen.

Warum ist der Himmel abends rot?

Wir nähern uns dem eigentlichen Thema an, wenn wir uns fragen, warum der Himmel abends rot ist. Denn die Sonne steht morgens und abends – wenn der Himmel rot oder gelb erscheint – tiefer. Das heißt, dass das Sonnenlicht einen längeren Weg zu uns zurücklegt, also diese Wellen durch mehr Atmosphäre müssen.

Bei dem längeren Weg haben auch die langen roten Wellen mehr Möglichkeiten mit Molekülen in der Atmosphäre zu kollidieren und von diesen reflektiert zu werden. Deswegen wird so auch das rote Licht sichtbar.

Die Strecke, die Sonnenlicht Abends zurücklegt, ist länger.

Warum aber wird der Himmel dann nicht violett oder so? Immehin ist das blaue Licht (das wir als Menschen auch noch überragend gut sehen) ja auch noch da, oder? Die Antwort ist hier, wie ihr euch denken könnt: Nein. Denn die blaue Welle trifft auf dem längeren Weg so oft auf Teilchen, dass von ihr kaum noch etwas bei uns ankommt, da sie in alle möglichen anderen Richtungen reflektiert wurde. Sie wurde also praktisch durch die Atmosphäre gefiltert.

Anders gesagt: Elektromagnetische Wellen aus dem Weltall können durch unsere Atmosphäre gefiltert werden. Ebenfalls kann die Atmosphäre auch mit oder auf diese Wellen reagieren.

Warum Mikrowellen Essen warm machen

Der zweite Punkt, über den ich sprechen möchte, sind Mikrowellenöfen. Ja, diese Dinger, in die man Essen sehr kurz reinpackt, damit es warm wird und damit schneller etwas erreicht, als wenn man es fünf Minuten auf dem Herd warmwerden lässt. Aber wie funktioniert das?

Warme Gegenstände sind warm, weil die Atome in ihnen sich mehr bewegen (man kann sich das wir ein Zittern vorstellen). Das sieht man an den Aggregatzuständen sehr gut: Ist ein Material fest bewegen sich die Atome so gar nicht, deswegen die Festigkeit. Ist es flüssig, bewegen sich die Atome – und je wärmer es ist desto stärker ist dabei die Bewegung. Wird es gasförmig, bewegen sich die Atome so wild, dass sie durch die Gegend fliegen. Und weil Wärme/Hitze eben diese Bewegung fördert, bringt Wärme auch die Veränderung der Aggregatzustände mit sich.

Das machen sich Mikrowellenöfen zunutze: Sie bestrahlen das Essen von allen Seiten mit elektromagnetischen Wellen – um genau zu sein Mikrowellen, also Wellen mit einigen Zentimetern Wellenlänge. Diese haben die Eigenschaft, dass sie von diversen Molekülen (bspw. denen von Wasser, Zuckern und Ölen), auf die sie treffen, absorbiert werden können (während diverse Feststoffe wie Glas oder Keramik sie kaum absorbieren). Absorbiert ein Molekül so eine Mikrowelle, nimmt die deren Energie auf und setzt sie in Bewegung um. Tun das genug Moleküle im Essen, wird das Essen warm. Die elektromagnetische Welle wird also in Wärme umgewandelt.

Aber warum kochen die Mikrowellen uns nicht mit? Immerhin haben wir ja auch viel Wasser im Körper. Die Sache ist: Würden sie natürlich tun, wenn sie zu uns kommen. Aber während das Gehäuse so gebaut ist, dass die Mikrowellen nicht herausstrahlen können und stattdessen reflektiert werden, finden wir in der Tür einer Mikrowelle immer so ein Gitter. Dieses Gitter hat nur kleine Öffnungen. Und weil diese Öffnungen so klein sind, kommen die Mikrowellen, deren Wellenlänge halt länger ist, da nicht durch, sondern werden vom Gitter in den Ofen zurückreflektiert.

Und was hat das mit dem Klima zu tun?

Warum erzähle ich das? Nun, weil all das mit dem Klima zu tun hat und mit den Treibhausgasen. Denn unsere Atmosphäre ist ein wenig wie das Gitter im Mikrowellenofenfenster. Es hat Öffnungen, durch die bestimmte elektromagnetische Strahlungen aus dem Weltall durchkommen und andere nicht. Wir sprechen bei denen, die durchkommen sogar davon, dass es für diese Wellenlängen ein „atmosphärisches Fenster“ gibt. Wärmestrahlung wird dabei dank den Treibhausgasen kaum aus dem Weltall zu uns gelassen, da unsere Atmosphäre dafür kaum durchlässig ist – im Gegensatz zu kurzwelligerer elektromagnetischer Strahlung wie Licht und UV-Strahlung.

Teile dieser Strahlung passieren die Atmosphäre, werden von Material, auf das sie hier treffen, absorbiert, und können die Atome hier damit dazu bringen, sich mehr zu bewegen. Wenn diese das tun, geben sie eben auch eine elektromagnetische Welle ab: Wärmestrahlung. Diese wird von der Erde aus abgegeben – Richtung Weltall. Doch wie gesagt: Für diese ist die Atmosphäre kaum durchlässig, so dass sie wie die Mikrowellen vom Gitter im Mikrowellenfenster einfach reflektiert wird.

Das ist an sich für uns übrigens super gewesen. Denn es verhindert auch ein Abstrahlen von Wärme auf der Erde ins All. Dadurch pendelt sich zwischen eingehender kurzwelliger Strahlung und rausgehender, langwelliger Wärmestrahlung ein Gleichgewicht, das die Durchschnittstemperatur auf der Erde bestimmt. Wäre die Atmosphäre ursprünglich für Wärmestrahlung durchlässiger gewesen, hätten wir auf der Erde eine Durchschnittstemperatur von -18°C gehabt, was ein wenig zu kalt für Leben ist. Erst dank dieser Undurchlässigkeit konnte die Erde sich auf Durchschnittstemperaturen um die 12-14°C aufwärmen, was sehr gute Temperaturen für das Leben hier sind.

Das Problem ist aber, dass die ganzen Gase, die wir durch Verbrennung (und auch bspw. Landwirtschaft) freisetzen, sich in der Atmosphäre sammeln und dafür sorgen, dass da Wärmestrahlung noch weniger durchkommt. Und das ist diesmal schlecht für uns, weil sich dadurch die Erde immer weiter aufwärmt und immer weniger von dieser Wärme ins Weltall abstrahlen kann. Und dadurch entsteht ein Teufelskreislauf, da sich die Wärme hier sammeln kann. Denn neue kommt immer dazu.

Das ist übrigens auch ein Grund, warum Eis so wichtig ist: Eis reflektiert viel Strahlung, ohne diese vorher in Wärme umzuwandeln und was so reflektiert wird, kann einfach wieder aus der Atmosphäre raus. Das heißt, wenn wir mehr große Eis- und Schneeflächen haben, entsteht weniger Wärme, die sich hier sammeln kann. Weshalb halt schmelzende Gletscher so problematisch sind.

Zusammengefasst

Um hier wieder den Beitrag zusammenzufassen:

  • Was von der Sonne auf die Erde gestrahlt wird – sowohl als sichtbares Licht, als auch unsichtbar – sind größtenteils elektromagnetische Wellen.
  • Je nach Wellenlänge können sich elektromagnetische Wellen durch Materialien bewegen und dabei mit mehr oder weniger Atomen kollidieren.
  • Unterschiedliche Materialien absorbieren oder reflektieren elektromagnetische Wellen abhängig vom Material und der Wellenlänge.
  • Manche Materialien wandeln absorbierte Wellen in Wärmeenergie um.
  • Auch Wärmeenergie wird in Form einer elektromagnetischen Welle abgegeben.
  • Unsere Atmosphäre ist für bestimmte Wellenlängen durchlässig (atmosphärisches Fenster), für andere nicht.
  • Dank Treibhausgasen ist die Atmosphäre speziell für Wärmestrahlung wenig durchlässig. Das hat das Leben auf der Erde ermöglicht, da so die Erdoberflächentemperatur im Durchschnitt über 0°C ist.
  • Vermehrter Ausstoß von Treibhausgasen sorgt dafür, dass die Atmosphäre noch weniger durchlässig für Wärmestrahlung wird. So kommt es, dass zwar immer weiter Wärmestrahlung erzeugt wird, aber immer weniger in den Weltraum abgegeben werden kann.

Ich weiß, diese Themen klingen oftmals sehr theoretisch, gerade wenn wir bedenken, dass wir zwar elektromagnetische Wellen visualisieren, aber nie direkt sehen können. Ich hoffe aber dennoch, hiermit ein wenig die Zusammenhänge zwischen Sonne, Atmosphäre, Treibhausgasen und Temperatur deutlich gemacht zu haben. Vielen Dank für‘s Lesen!