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Beschreibung: Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist das instabilste und sich am schnellsten ändernde Subsystem des Klimasystems. Sie ist der Ort des sich rapide ändernden Wettergeschehens.

Das gesamte Klimasystem funktioniert wie eine riesige Wärmekraftmaschine, die ihre Energie von der Sonne bezieht. Der unterschiedliche Einfallswinkel, mit dem die Sonnenstrahlung auf die Erdkugel trifft, ist letztlich der Grund dafür, dass es verschiedene Klimazonen auf der Erde gibt (tropisches und subtropisches Klima, gemässigtes Klima, kaltes und polares Klima). Darauf weist auch die Bedeutung des Wortes 'Klima', das dem Griechischen entstammt und "ich neige" bedeutet.

In niederen Breiten ist der Neigungswinkel der Sonnenstrahlung steil, in höheren dagegen flach.

Daher empfangen die niederen Breiten beiderseits des Äquators relativ viel solare Energie pro Flächeneinheit, die höheren Breiten zu den Polen hin zunehmend weniger, was einen Energieüberschuss in den tropischen Regionen und ein Defizit nördlich und südlich davon zur Folge hat.

Die sich daraus ergebenden kalten und warmen Zonen bedingen Unterschiede im Luftdruck, wodurch unter Einwirkung der Erddrehung das atmosphärische Zirkulationssystem entsteht, das im Mittel Energie von den tropischen in die höheren Breiten transportiert. Hinzu kommen die Einstrahlungsunterschiede zwischen Tag und Nacht, Sommer und Winter, die die atmosphärische Zirkulation weiter beeinflussen. Auch die Sonneneinstrahlung selbst ist über mittlere und grössere Zeiträume nicht gleichbleibend.

Kleinräumige Unterschiede zwischen warmen und kalten Luftmassen, z.B. zwischen Land- und Seegebieten, werden in der Regel schnell ausgeglichen. Aufeinandertreffende Luftmassen können zu heftigen Wetterreaktionen führen (Stürme, Gewitter, starke Niederschläge oder Dürren). Nicht zuletzt spielt auch die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre, die sich im Laufe der Erdentwicklung deutlich verändert hat, für das Klima eine grosse Rolle.

Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre

Der Treibhauseffekt

Bei einer Erde ohne Atmosphäre wäre die Oberflächentemperatur ausschliesslich durch die Bilanz zwischen eingestrahlter Sonnenenergie und der vom Boden abgestrahlten Wärmestrahlung festgelegt. Bei gleicher Albedo (Reflexionsvermögen) des Planeten wie heute würde diese Oberflächentemperatur im globalen Mittel etwa -18°C betragen. Selbst eine Atmosphäre aus reinem Sauerstoff und Stickstoff, die ja die Hauptkomponenten unserer Atmosphäre (zu ca. 99%) bilden, würde daran nichts wesentliches ändern, da diese Gase die beiden genannten Strahlungsarten nur unwesentlich beeinflussen.

Dagegen absorbieren Wasserdampf und in geringerem Masse auch Kohlendioxid CO2 (und andere Spurengase) die Sonnenstrahlung zum Teil und geben selbst Wärmestrahlung ab. In Richtung zum Erdboden übertrifft diese zusätzliche Wärmestrahlung aus der Atmosphäre die Reduktion der Sonnenstrahlung und bewirkt so am Erdboden eine höhere Energieeinstrahlung, als dies ohne solche Gase der Fall wäre. Diese vermehrte Einstrahlung führt zu einer Erwärmung des Erdbodens und (infolge verschiedener Transportvorgänge) auch der unteren Atmosphäre.

Diese Erwärmung des Bodens führt aber auch zu einem Ausgleich der Strahlungsbilanz am Atmosphärenoberrand, denn im längerfristigen Mittel muss die Erde ja genau so viel Wärmestrahlung in den Weltraum abgeben, wie sie Strahlung von der Sonne absorbiert. Die vom Erdboden nach oben gestrahlte Energie wird von den atmosphärischen Treibhausgasen (teilweise) auch absorbiert, gelangt also nur zum Teil direkt in den Weltraum. Dafür emittieren die Treibhausgase selbst entsprechend ihrer Temperatur, die aber wegen der Temperaturabnahme mit der Höhe in der Atmosphäre geringer ist als die des Erdbodens.

Daher verlässt mit zunehmender Menge an Treibhausgasen bei konstanter Bodentemperatur immer weniger Energie in Form von Wärmestrahlung die Erde in den Weltraum. Durch die erhöhte Bodentemperatur wird dieses Defizit in der Strahlungsbilanz aber wegen der erhöhten Wärmestrahlungsmenge vom Boden wieder ausgeglichen. Für diesen Ausgleich ist vor allem das atmosphärische Strahlungsfenster hilfreich, ein Spektralbereich bei 10 µm Wellenlänge innerhalb dessen die Strahlung von der Oberfläche bei wolkenloser Atmosphäre überwiegend in den Weltraum entweichen kann.

Wegen der Analogie mit den Vorgängen in einem Treibhaus, dessen Glasdach ebenfalls die Sonne gut durchlässt, die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche aber nicht hinauslässt, ist das hier beschriebene Phänomen auch als natürlicher Treibhauseffekt bekannt. Die dafür in der Atmosphäre verantwortlichen Gase werden häufig als Treibhausgase bezeichnet.

Bei der Interpretation verschiedener Klimavorgänge ist aber Vorsicht geboten vor der allzu direkten Übertragung des Treibhausbildes. Insbesondere die Vernachlässigung von gleichzeitiger Absorption und Emission von Wärmestrahlung in verschiedenen Höhen der Atmosphäre, bei Argumentation mit einer Glasplatte in fester Höhe, führt hier immer wieder zu Verwirrung. Ausserdem sind natürlich die Verhältnisse in der strömenden Atmosphäre mit Bewölkung viel komplizierter als im Glashaus eines Gärtners.

Werden die natürlich vorhandenen Treibhausgase (z.B. CO2) durch anthropogenen (menschlichen) Einfluss vermehrt oder durch neue Stoffe (z.B. FCKW) ergänzt, so übertrifft die dadurch verursachte zusätzliche Wärmestrahlung aus der Atmosphäre ebenfalls die verstärkte Reduktion von Sonnenstrahlung am Erdboden. Daher erhöht sich auch infolge dieses verstärkten (anthropogenen) Treibhauseffektes die Temperatur des Bodens und der unteren Atmosphäre.

Ausmass des anthropogenen Treibhauseffektes


Um wie viel die wichtigen Treibhausgase die Oberflächentemperatur der Erde anheben, ist nicht einfach zu bestimmen. Jetzt mögliche Messungen der Wärmeabstrahlung in den Weltraum durch Satelliten lassen auf eine Temperaturerhöhung des Bodens durch den natürlichen Treibhauseffekt um etwa 33°C schliessen. Ohne diesen läge die Bodentemperatur im globalen Mittel bei etwa -18°C.

Zu dieser lebenserhaltenden Erwärmung trägt Wasserdampf den weitaus grössten Teil, etwa zwei Drittel, bei; es folgen Kohlendioxid (CO2) mit einem Anteil von ca. 15%, Ozon mit etwa 10% und schliesslich Distickstoffoxid (N2O) und Methan (CH4) mit je etwa 3%.

Zur genauen Berechnung der Anteile müsste neben der Höhen- und Breitenabhängigkeit aller Gase auch die Wirkung der Bewölkung und der Schwebeteilchen (Aerosole) auf die Sonnen- und Wärmestrahlung bekannt sein.

Die Konzentration der langlebigen Treibhausgase nimmt systematisch zu: seit Beginn der Industrialisierung bis heute bei Kohlendioxid (CO2) um ca. 30%, bei Methan (CH4) um 120% und bei Distickstoffoxid (N2O) um ca. 10%. Hierdurch wird eine langfristige Erwärmung der unteren Atmosphäre und der Erdoberfläche angestossen, deren Ausmass mit der Konzentrationsänderung ansteigt, aber auch stark von der Reaktion des Wasserkreislaufs (Wasserdampf, Bewölkung, Niederschlag, Verdunstung, Schneebedeckung, Meereisausdehnung) bestimmt wird.

Der Wasserkreislauf kann sowohl verstärkend wie dämpfend eingreifen, weil viele seiner Zweige stark temperaturabhängig sind. Da die Erwärmung regional und innerhalb eines Jahres unterschiedlich ist und weil die Strahlungsbilanzstörung bei einer Konzentrationsänderung von der Struktur der Atmosphäre, der Jahreszeit und vom Oberflächentyp abhängt, führt ein erhöhter Treibhauseffekt auch zu veränderten Werten des Niederschlags, der Bewölkung, der Meereisausdehnung, der Schneebedeckung und des Meeresspiegels sowie zu anderen Wetterextremen, d.h. im Letzten zu einer globalen Klimaveränderung.

Falls die CO2 Emissionen ungebremst weiter ansteigen, so wie im ungünstigsten Szenario angenommen, erwarten wir in unserem Klima-Modell eine weitere Erwärmung bis zum Jahr 2100 um 4 Grad im globalen Mittel.

Die Folgen wären sehr vielfältig. Wir würden weltweit mehr, länger anhaltende und auch drastischere Hitzewellen haben. Der Meeresspiegel würde weiter ansteigen. Wir würden aber auch wichtige und durchgreifende Veränderungen in Niederschlagsmustern haben, z.B. erwarten wir, dass der Mittelmeerraum deutlich trockener sein wird als er es heute ist.

Prof. Dr. Jochem Marotzke, Max-Planck-Institut für Meteorologie Hamburg

Quellen:

http://www.mpimet.mpg.de/aktuelles/presse/faq-haeufig-gestellte-fragen/wie-funktioniert-der-treibhauseffekt.html

Nach Dr. Dieter Kasang, http://bildungsserver.hamburg.de/das-klimasystem/2064130/kryosphaere-artikel.html

Quelle: Text Deutsches Klimarechenzentrum (DKRZ)und Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg, Februar 2012

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