Allgemein bewirkt der Treibhauseffekt, dass hinter Glasscheiben, also im Innenraum eines Gewächshauses die Temperatur ansteigt, solange die Sonne auf diese scheint. Durch diese zusätzlich entstehende Wärme können Pflanzen zeitiger "austreiben", blühen und Früchte tragen. Wir beschäftigen uns aber mit der Übertragung des Treibhauseffekts auf das Klima. Das ist der atmosphärische Treibhauseffekt. Dieser entsteht durch einen atmosphärischen Wärmestau, verursacht durch Treibhausgase, welche den Großteil der kurzwelligen Sonnenstrahlung zur Erdoberfläche durchlassen, jedoch die terrestrische Infrarotstrahlung absorbieren, was entscheidend zur Erderwärmung der Atmosphäre beiträgt. ¹  

 

Die Atmosphäre ist eine flache Gashülle der Erdkugel. Sie ist gekennzeichnet durch einen vertikalen Aufbau. Von unten nach oben gliedert sich die Atmosphäre in die Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre und Exosphäre. Für das Klima sind allerdings nur die beiden unteren "Stockwerke" von Bedeutung, da sich durch die rapide Abnahme des Luftdichte nach oben hin, hier der Großteil der Luftmasse befindet.

Innerhalb der Troposphäre läuft das gesamte Wettergeschehen ab, welches durch eine ungleiche Energieverteilung auf der Erdoberfläche angetrieben wird. Bei der Absorption von kurzwelliger Solarstrahlung an der Erdoberfläche wird diese in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt, welche an die umgebende Luft abgegeben wird. Die Temperatur nimmt innerhalb der Troposphäre Richtung Weltall ab. Erst in der Stratosphäre steigt die Lufttemperatur wieder an, da die Ozonschicht UV-Strahlung absorbiert und in Infrarot-Strahlung umwandelt, die die benachbarten Luftmoleküle erwärmt.

Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist einer der wichtigsten Faktoren, die auf das Klima wirken, denn sie beeinflusst den Strahlungshaushalt der Atmosphäre entscheidend. Die "Hauptgase" sind Stickstoff (78 %), Sauerstoff (21 %) und Argon (0,9 %), welche allerdings nicht relevant für das Klima sind, während Spurengase, wie Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Distickstoffdioxid (N₂O) und Ozon (O₃), die zusammen nicht mal 1 % der Luftmasse ausmachen, auf das Klima wirken und somit auch den Treibhauseffekt beeinflussen. Einfluss hat auch der Wasserdampf-Gehalt der Atmosphäre, der jedoch regional sehr verschieden sein kann und im Mittel mit 1 % angesetzt wird. Die Hauptbestandteile Stickstoff und Sauerstoff der Atmosphäre sind keine klimarelevanten Treibhausgase, da sie keine Infrarotstrahlung absorbieren.
 

Der natürliche Treibhauseffekt ist ein Resultat der Strahlungsvorgänge in der Atmosphäre, welche von der Einstrahlung der Sonne angetrieben werden. Die Gesamtstrahlung der Sonne beträgt 3,85 * 10²⁶ Watt. Aufgrund des mittleren Abstandes Erde-Sonne von ca. 150 Millionen km, liegt die Energie der kurzwelligen Sonnenstrahlung oberhalb der Erdatmosphäre bei 1367 W/m². Diese Größe nennt man Solarkonstante. Aufgrund der Kugelgestalt der Erde und der sonnenabgewandten Nachtseite jeweils einer Erdhälfte wird ein Quadratmeter Erdeoberfläche im Durchschnitt mit 342 Watt angestrahlt, also nur mit einem Viertel der Gesamtstrahlung.

Von den 342 W/m² tragen allerdings nur 235 W/m² zur Erwärmung der Erdoberfläche und der Atmosphäre bei, da 31 % der einfallenden Strahlung bzw. 107 W/m² sofort durch Aerosole, Wolken und die Erdoberfläche in den Weltraum zurück reflektiert werden.

Die Reflexion an der Erdoberfläche ist von deren Albedo-Wert abhängig, der besonders durch die Art und die Beschaffenheit des Bodens bestimmt wird. Die Albedo gibt das Verhältnis zwischen reflektierter und einfallender Strahlung an, wobei die planetare Albedo, oder Erdalbedo, auch die Atmosphäre mit Wolken und Aerosolen umfasst und ca. 31 % beträgt.² 

Also können gerade einmal 235 W/m² bzw. 69 % der gesamten einfallenden kurzwelligen Sonnenstrahlung zur Erwärmung der Erde und ihrer Gashülle beitragen. Die Atmosphäre wird durch die Absorption von 67 W/m² kurzwelliger Strahlung durch Wasserdampf, Aerosole, Ozon und Wolken direkt erwärmt. Es wird ersichtlich, dass Aerosole wie auch Wolken erwärmend als auch abkühlend wirken können. Diese beiden Einflüsse auf das Klima werden näher im Punkt 5. erläutert. 168 W/m² werden von der Erdoberfläche absorbiert und erwärmen nicht nur diese, sondern heizen durch die Wärmeabgabe der Erdoberfläche auch die Atmosphäre noch zusätzlich mit an.

Die bei der Absorption aufgenommene Energie der erwärmten Erdoberfläche und Atmosphäre wird als langwellige Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung ) wieder abgestrahlt. Die Summe der von der Erdoberfläche emittierten Wärmestrahlung und die von der Atmosphäre und der Erdoberfläche reflektierten Solarstrahlung, die an den Weltraum abgegeben wird, entspricht der aufgenommen Solarstrahlung von 342 W/m².

Allerdings verlassen die 235 W/m² Wärmestrahlung die Erde und ihre Atmosphäre nicht auf direktem Weg. Nur 40 W/m² der Strahlung können durch das atmosphärische Fenster direkt in den Weltraum entweichen. Die von der Erde emittierte Wärmestrahlung (390 W/m²) wird von natürlichen atmosphärischen Spurengasen, wie z. B. Kohlendioxid, und von Wolken absorbiert. Die dabei entstehenden Wärmeemissionen werden zu gleichen Teilen in Richtung Weltraum und in Richtung Erdoberfläche gestrahlt, wodurch es zu einer zusätzlichen Aufheizung der Atmosphäre kommt. Der Teil der langwelligen Strahlung, der Richtung Erdoberfläche emittiert wird, kann von dieser wieder aufgenommen und danach in der Atmosphäre absorbiert werden. Hierbei entsteht eine zusätzliche Aufheizung der Atmosphäre bzw. ein Wärmstau innerhalb der unteren Atmosphäre. Dies bezeichnet man als den natürlichen Treibhauseffekt.
 

Ohne den natürlichen Treibhauseffekt würde auf der Erde eine um 33 K kältere durchschnittliche Erdtemperatur herrschen. Dabei muss beachtet werden, dass derzeitig eine globale Mitteltemperatur von 15 °C vorliegt. Dies zeigt die Notwendigkeit dieses Effekts, der erst Leben auf der Erde ermöglicht. Schließlich wäre dies bei einer Erdmitteltemperatur von -18 °C nicht möglich. Die rechnerische Bestätigung der Ausstrahlung durch die Erde wird im Punkt 2.3. näher beschrieben.
 

Der anthropogene Treibhauseffekt ist die Verstärkung des natürlichen atmosphärischen Treibhauseffekts, der durch menschliche Eingriffe verursacht wird. Der Mensch stößt seit der Industrialisierung, die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts ihren Anfang nahm, immer stärker Treibhausgase aus, die die Treibhausgasanreicherung der Atmosphäre vergrößern, was dazu führt, dass mehr aufsteigende Wärmestrahlung im infraroten Bereich absorbiert und bei der Ausstrahlung ins Weltall gehindert werden kann. Folglich wird mehr Wärmeenergie in Richtung Erdoberfläche zurückgestrahlt, wodurch sich diese noch mehr als beim natürlichen Treibhauseffekt erwärmt. Der natürliche Treibhauseffekt wird also verstärkt und es kommt zum anthropogenen Treibhauseffekt.

Mit dem Beginn der Industrialisierung emittierte der Mensch immer mehr klimarelevante Treibhausgase. Die Biosphären auf der Erde sind nicht mehr in der Lage diese Spurengase aufzunehmen, weshalb sie sich in der Atmosphäre anreichern. Die Konzentration des Kohlendioxids in der Atmosphäre, dem wichtigsten anthropogenen Treibhausgas, steigt seit 1800 rasant an, wie Eisbohrkerndaten belegen.
 

In den oberen Abbildungen (Abb.2-4, Abb.2-5) ist ein Anstieg des Kohlendioxids (CO₂), des Methans (CH₄), des Distickstoffoxids (N₂O) und der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) zu erkennen. Bis auf das FCKW-Diagramm zeigen alle einen starken Anstieg der Konzentration und des positiven Strahlungsantriebes ab dem 18. Jahrhundert. Durch das starke Bevölkerungswachstum, den höher werdenden Lebensstandard und das Wachstum von Industrie und Verkehr, stieg auch der Energieverbrauch der Haushalte ständig an.
 

Da wir die Abstrahlung der Erdoberfläche von 390 W/m² im Strahlungshaushalt der Atmosphäre nicht begründen können und auch keine Informationen über diese Größe im originalen IPCC-Bericht 2001¹⁰  gefunden haben, haben wir versucht dies mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes und des Plankchen Strahlungsgesetzes zu belegen.
 

Das Stefan-Boltzmann-Gesetz ist ein physikalisches Gesetz, welches die abgestrahlte Leistung P eines schwarzen Körpers in Abhängigkeit der vierten Potenz seiner Temperatur und Oberfläche angibt. Mit diesem Gesetz lässt sich folglich die Leistung der abgestrahlten Strahlung von der Erde bei einer bestimmten Erdoberflächentemperatur bestimmen.



σ (griechisch.: Sigma) ist hierbei die Stefan-Boltzmann-Konstante. Sie ist eine Naturkonstante und beträgt:



Mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetz kann man die abgestrahlte Leistung der Erde berechnen. Ohne Treibhausgase würde im globalen Mittel eine Temperatur von -18 °C bzw. 255 K auf der Erde herrschen. Bei diesen Temperaturen würde die Erde eine Leistung von 240 W/m² abstrahlen.





Derzeitig beträgt das globale Mittel +15 °C bzw. 288 K. Dies sind beachtliche 33 K mehr als ganz ohne Treibhausgase in der Atmosphäre. Durch diese höheren Temperaturen strahlt die Erde eine Strahlung von 390 W/m² ab.




Das Stefan-Boltzmann-Gesetz wurde im Jahr 1879 von Josef Stefan entdeckt und 1884 von Ludwig Boltzmann theoretisch begründet. Das Plancksche Strahlungsgesetz, welches erst 1900 von Max Planck entdeckt wurde, bestätigt das Stefan-Boltzmann-Gesetz.
 

Eine Abwandlung des Planckschen Strahlungsgesetzes, welche die Leistung der gesamten Abstrahlung, d.h. alle Frequenzen, pro Quadratmeter erfasst lautet:





Die Rechnung mit dem Planckschen Strahlungsgesetz bestätigt uns die Werte, die wir mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz erhalten haben. 390 W/m² strahlt die Erde im Durchschnitt bei einem globalen Mittel von +15 °C ab.