Klimawandel und Treibhauseffekt einfach erklärt: Die Folgen

Stell dir vor, du steigst an einem heißen Sommertag in ein Auto, das stundenlang in der prallen Sonne stand. Die Hitze im Inneren ist fast unerträglich! Das Sonnenlicht konnte problemlos durch die Glasscheiben hineingelangen und hat die Sitze erwärmt. Die entstandene Wärme kann aber nicht mehr so leicht durch das Glas nach draußen entweichen.

Unsere Erde funktioniert beim Thema Klimawandel und der Treibhauseffekt ganz ähnlich. Anstelle von Glasscheiben hat sie eine unsichtbare Hülle aus Gasen, die uns wärmt. In diesem Artikel lernst du, wie dieser natürliche Schutzschild funktioniert, warum er für uns lebenswichtig ist und was passiert, wenn der Mensch dieses empfindliche Gleichgewicht stört.

Schnellantwort

Der Treibhauseffekt ist die Erwärmung der Erde durch Treibhausgase in der Atmosphäre, die die abgestrahlte Wärme (Infrarotstrahlung) zurückhalten. Diese Gase bewirken im Strahlungshaushalt der Erde, dass Energie zur Erde zurückgeführt wird. Dies erklärt die lebensfreundliche Gleichgewichtstemperatur von +15 °C. Der vom Menschen verursachte Klimawandel verstärkt diesen Effekt durch zusätzliche Gase wie CO2, was zu einer globalen Erwärmung führt.

Vorwissen

• Energie von der Sonne: Die Sonne sendet Energie in Form von Licht zu uns. Beispiel: Wenn du im Sonnenlicht stehst, spürst du, wie die Lichtenergie deine Haut wärmt.
• Thermische Energie (Wärme): Wenn Gegenstände Licht absorbieren (aufnehmen), wandeln sie dieses in thermische Energie um. Beispiel: Ein dunkler Stein in der Sonne wird nach einiger Zeit spürbar heiß.

Aufgabentyp 1: Der natürliche Treibhauseffekt und der Strahlungshaushalt

Um zu verstehen, warum es auf der Erde angenehm warm ist, müssen wir uns den Strahlungshaushalt ansehen. Das ist wie eine Buchhaltung für Energie.

Von der gesamten Sonnenstrahlung ($100 \text{ \%}$), die bei uns ankommt, werden etwa $30 \text{ \%}$ sofort von Wolken, der Luft und hellen Flächen (wie Eis) wie von einem Spiegel in den Weltraum reflektiert. Die restlichen $70 \text{ \%}$ werden von der Erdoberfläche und der Atmosphäre absorbiert (aufgenommen).

Die Erde wandelt diese aufgenommene Energie in thermische Energie (Wärme) um. Warme Körper leuchten zwar nicht im sichtbaren Licht, aber sie strahlen Energie ab: die sogenannte Infrarotstrahlung. Die Erde schickt diese Infrarotstrahlung zurück in Richtung Weltraum.

Hier kommt der natürliche Treibhauseffekt ins Spiel: Unsere Atmosphäre enthält bestimmte Gase, die Treibhausgase. Während die Sonnenstrahlung diese Gase fast ungehindert passieren kann, wird die aufsteigende Infrarotstrahlung von ihnen blockiert und teilweise wieder zur Erde zurückgestrahlt.

Präge dir dazu folgenden Merksatz ein: Die Treibhausgase in der Atmosphäre bewirken im Strahlungshaushalt der Erde, dass Energie zur Erde zurückgeführt wird. Dies erklärt die beobachtete Gleichgewichtstemperatur.

Ohne diesen natürlichen Schutzschild läge die durchschnittliche Temperatur auf der Erde bei eisigen $-18 \text{ °C}$. Dank der Treibhausgase liegt sie bei lebensfreundlichen $+15 \text{ °C}$.

Aufgabentyp 2: Folgen der Erwärmung und der steigende Meeresspiegel

Seit dem Jahr 1880 hat sich die Erdoberfläche im Durchschnitt um ca. $1 \text{ °C}$ erwärmt. Forscher haben herausgefunden, dass dieser Temperaturanstieg direkt mit der Menge an CO2 in der Luft zusammenhängt. Schwankungen der Sonnenaktivität sind viel zu gering, um diese starke Erwärmung zu erklären.

Diese Erwärmung hat sichtbare Folgen: Extreme Wetterereignisse (wie Dürren oder Überschwemmungen) nehmen zu, und das Eis an den Polen schmilzt. Eine der messbarsten Folgen ist der Meeresspiegelanstieg. Seit 1900 ist der Meeresspiegel um etwa $20 \text{ cm}$ gestiegen.

Viele Menschen denken, dass der Meeresspiegel hauptsächlich steigt, weil das Eis schmilzt. Das ist aber nur der zweitwichtigste Grund! Die physikalische Hauptursache ist die thermische Ausdehnung des Meerwassers. Wenn die Atmosphäre wärmer wird, überträgt sie thermische Energie auf die Ozeane. Wenn Wasser wärmer wird, bewegen sich die Wasserteilchen schneller, brauchen dadurch mehr Platz und das Wasser dehnt sich aus. Da die Ozeane riesig sind, führt schon eine kleine Ausdehnung zu einem weltweiten Anstieg des Wasserspiegels.

Sichtbare thermische Ausdehnung

Zweck: Wir machen sichtbar, wie warmes Wasser mehr Platz benötigt als kaltes Wasser.

Materialien: Erlenmeyerkolben, durchbohrter Gummistopfen, dünnes Glasrohr, Wasser (mit etwas Lebensmittelfarbe), Heizplatte.

⚠️ Sicherheitshinweis: Vorsicht im Umgang mit der heißen Heizplatte und dem heißen Wasser. Verbrennungsgefahr!

Durchführung:

1. Fülle den Erlenmeyerkolben randvoll mit dem gefärbten Wasser.
2. Stecke das Glasrohr durch den Stopfen und verschließe den Kolben fest damit. Das Wasser wird ein kleines Stück in das Glasrohr gedrückt.
3. Markiere den Wasserstand am Glasrohr.
4. Stelle den Kolben auf die Heizplatte und schalte sie ein.

Beobachtung: Sobald das Wasser im Kolben wärmer wird, steigt die farbige Flüssigkeit im dünnen Glasrohr stetig nach oben, weit über die ursprüngliche Markierung hinaus.

Erklärung: Das Wasser nimmt thermische Energie auf. Die Wasserteilchen bewegen sich schneller und stoßen sich stärker voneinander ab. Dadurch dehnt sich das Wasser aus. Da der Kolben aus Glas sich kaum dehnt, muss das Wasser in das dünne Rohr ausweichen. Genau dieser Effekt der thermischen Ausdehnung lässt weltweit die Ozeane ansteigen, wenn sich die Erde erwärmt.

Aufgabentyp 3: Der Mensch und die Treibhausgase

Der natürliche Treibhauseffekt ist gut für uns. Aber seit der industriellen Revolution (im späten 18. Jahrhundert) verbrennen Menschen massenhaft Kohle, Öl und Gas. Dadurch entsteht der anthropogene (vom Menschen verursachte) Treibhauseffekt. Wir fügen der Atmosphäre zusätzliche Treibhausgase hinzu, wodurch die Isolationsschicht der Erde immer dicker wird.

Um zu messen, wie viel von einem Gas in der Luft ist, nutzen Forscher die Einheit ppm (parts per million). Das bedeutet „Teile pro Million“. Wenn wir sagen, die Konzentration beträgt $1 \text{ ppm}$, dann ist unter $1.000.000$ Luftteilchen genau ein einziges Teilchen dieses speziellen Gases.

Die CO2-Konzentration ist durch den Menschen von $280 \text{ ppm}$ auf über $400 \text{ ppm}$ gestiegen. Es gibt drei Hauptübeltäter unter den anthropogenen Treibhausgasen:

• Kohlenstoffdioxid (CO2): Entsteht vor allem bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas), zum Beispiel in Kraftwerken, beim Heizen oder beim Autofahren.
• Methan (CH4): Entsteht in der Landwirtschaft (besonders beim Reisanbau und durch das Aufstoßen von Rindern bei der Verdauung) sowie durch Lecks bei der Erdgasförderung.
• Lachgas (Distickstoffmonoxid, N2O): Wird hauptsächlich in der Landwirtschaft freigesetzt, wenn Felder mit Kunstdünger oder Gülle gedüngt werden.

Diese Gase bleiben oft Jahrhunderte in der Atmosphäre. Selbst wenn wir heute sofort aufhören würden, sie auszustoßen, würde die Temperatur nicht sofort wieder sinken, sondern auf dem hohen Niveau bleiben.

Wichtige Erkenntnisse

• Strahlungsbilanz: $70 \text{ \%}$ der Sonnenstrahlung werden absorbiert, erwärmen die Erde und werden als Infrarotstrahlung abgegeben.
• Merksatz: Die Treibhausgase in der Atmosphäre bewirken im Strahlungshaushalt der Erde, dass Energie zur Erde zurückgeführt wird. Dies erklärt die beobachtete Gleichgewichtstemperatur (ohne: $-18 \text{ °C}$, mit: $+15 \text{ °C}$).
• Meeresspiegelanstieg: Die physikalische Hauptursache ist die thermische Ausdehnung des wärmer werdenden Meerwassers, nicht nur das schmelzende Eis.
• Anthropogene Gase: Der Mensch verstärkt den Effekt durch CO2 (Verbrennung), Methan (Rinder, Reisanbau) und Lachgas (Dünger).
• ppm: Steht für „parts per million“ (ein Teilchen auf eine Million Teilchen).