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Treibhauseffekt

OberschuleGeografieEinschichtiges Energiebilanzmodell: Sonnenlicht hinein, Infrarotstrahlung hinaus; CO₂-Antrieb ΔF = 5.35 ln(C/280) W/m², optionale Wasserdampfrückkopplung

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Über dieses Experiment

Ohne ihre Atmosphäre wäre die Erde eine gefrorene Kugel mit etwa −18 °C. Sonnenlicht durchdringt die Luft leicht und erwärmt den Boden. Der erwärmte Boden gibt jedoch Infrarotstrahlung ab, von der Gase wie Wasserdampf und Kohlendioxid einen großen Teil absorbieren und teilweise zurück zur Erde abstrahlen. Dieser Treibhauseffekt hält die durchschnittliche Oberflächentemperatur bei etwa 15 °C. Verfolgen Sie die Energieströme, fügen Sie Kohlendioxid hinzu, ändern Sie, wie viel Sonnenlicht reflektiert wird, und beobachten Sie, wie sich die Oberfläche einem neuen Gleichgewicht erwärmt.

Lernziele

  • Beschreiben Sie die Ströme von Sonnen- und Infrarotstrahlung zwischen der Sonne, der Atmosphäre und der Oberfläche.
  • Erklären Sie, wie Treibhausgase die Oberfläche erwärmen, ohne Energie zu erzeugen.
  • Erklären Sie die Strahlungsbilanz und warum sich ein Planet erwärmt, bis die abgegebene Strahlung der absorbierten Sonnenstrahlung entspricht
  • Erklären Sie die Rolle der Albedo und der Wasserdampf-Rückkopplung
  • Interpretieren Sie die erwartete Erwärmung bei einer Verdopplung des Kohlendioxidgehalts

Anleitung

  1. 1Schalten Sie die Atmosphäre aus. Wie hoch ist die Oberflächentemperatur? Schalten Sie sie wieder ein. Um wie viel ist die Erde mit einer Atmosphäre wärmer?
  2. 2Betrachten Sie die Pfeile im Gleichgewicht. Prüfen Sie, ob die an der Oberfläche ankommende Energie der von ihr abgegebenen Energie entspricht.
  3. 3Wählen Sie „Verdoppelt“ (560 ppm). Um wie viel erwärmt sich die Oberfläche, und wie lange dauert es?
  4. 4Schalten Sie die Wasserdampf-Rückkopplung aus und wiederholen Sie den Vorgang. Welcher Anteil der Erwärmung wird durch die Rückkopplung verursacht?
  5. 5Erhöhen Sie die Albedo auf 0,4, als wäre ein größerer Teil der Erde von Eis oder Wolken bedeckt. Was passiert?
  6. 6Stellen Sie den Kohlendioxidgehalt auf den heutigen Wert ein. Vergleichen Sie die Erwärmung mit den seit etwa 1850 beobachteten 1,2 °C.

Das Modell

Gleichgewicht an der Obergrenze der Atmosphäre: absorbierte Sonnenstrahlung entspricht der abgegebenen Infrarotstrahlung
Oberflächentemperatur des Ein-Schichten-Modells
Strahlungsantrieb durch Kohlendioxid
Der Ozean speichert Wärme, deshalb dauert die Erwärmung eine Weile

Annahmen

  • Eine einzelne atmosphärische Schicht absorbiert einen Anteil ε der Infrarotstrahlung von der Oberfläche und strahlt denselben Anteil mit ihrer eigenen Temperatur nach oben und unten ab. Sie lässt das Sonnenlicht ungehindert hindurch.
  • Die Schicht absorbiert bei vorindustriellem CO₂ 77,9 % der Infrarotstrahlung, was 15 °C ergibt. CO₂ verändert diesen Anteil so, dass der standardmäßige Strahlungsantrieb entsteht.
  • Die Wasserdampfrückkopplung erhöht die Infrarotabsorption für jedes Grad Erwärmung um 1 %, sodass sich bei einer Verdopplung des CO₂ etwa 3 °C Erwärmung ergeben, nahe am zentralen Schätzwert der Klimawissenschaft. Wolken und Eis werden nur durch den Albedo-Regler dargestellt.
  • Die Wärmekapazität entspricht der von etwa 100 m Ozean. Der tiefe Ozean, der die Erwärmung um Jahrhunderte verzögert, bleibt unberücksichtigt.

Im Unterricht ausprobieren

  1. Q1Verwenden Sie das Stefan-Boltzmann-Gesetz, um zu zeigen, dass die Erde ohne Atmosphäre etwa 255 K warm wäre.
  2. Q2Warum erwärmt ein Treibhausgas die Erdoberfläche, kühlt aber die obere Atmosphäre ab?
  3. Q3Erklären Sie, warum die Wasserdampfrückkopplung die durch Kohlendioxid verursachte Erwärmung verstärkt.
  4. Q4Warum steigt die Temperatur noch mehrere Jahre weiter, nachdem die Kohlendioxidkonzentration nicht mehr zunimmt?
  5. Q5Schmelzendes Meereis verringert die Albedo. Ist das eine positive oder negative Rückkopplung? Erkläre es.

Häufig gestellte Fragen

Verletzt der Treibhauseffekt den Energieerhaltungssatz?

Nein. Die Erdoberfläche erhält Sonnenlicht und zusätzlich die Rückstrahlung der Atmosphäre. Daher muss sie wärmer sein, um all diese Energie wieder abzugeben. Am oberen Rand der Atmosphäre gibt die Erde weiterhin genau so viel Energie ab, wie sie aufnimmt.

Warum wirkt sich Kohlendioxid logarithmisch aus?

Das Zentrum des wichtigsten CO₂-Absorptionsbandes ist bereits nahezu undurchlässig, sodass zusätzliches Gas das Band hauptsächlich an seinen Rändern verbreitert. Jede Verdopplung erzeugt ungefähr denselben Strahlungsantrieb: etwa 3,7 W/m².

Wie realistisch ist ein Ein-Schichten-Modell?

Es gibt die Stärke des natürlichen Treibhauseffekts und die Erwärmung bei einer Verdopplung des CO₂-Gehalts ungefähr richtig wieder und eignet sich daher gut als Lehrmodell. In realen Klimamodellen werden zahlreiche Schichten, Wolken, Ozeane und Eissysteme berücksichtigt. Für eine Verdopplung des CO₂-Gehalts ergibt sich dabei eine wahrscheinliche Spanne von 2,5 bis 4 °C.