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Die Sonne erwärmt die Erdoberfläche und der Atmosphäre mit kurzwelliger Strahlung. Von der direkten Sonneneinstrahlung werden ca. 45% von der Erdoberfläche und. ca. 25% von der Atmosphäre absorbiert, der Rest wird zu 5% vom Erdboden und 25% von der Atmosphäre in das Weltall reflektiert.
Die von der Erde und von der Atmosphäre absorbierte Energie ( ca. 70% der direkten Sonneneinstrahlung ) wird in Wärme umgesetzt und muß zur Gänze wieder in das Weltall abgestrahlt werden. Nur dann ist das Strahlungsgleichgewicht zwischen absorbierter Sonnenenergie und abgestrahlter Wärmeenergie gegeben.
Die Wärmeabstrahlung erfolgt im langwelligen ( IR ) Strahlungsbereich. Zum Teil gleicht die Erdoberfläche ihre Wärmebilanz durch turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme aus (29%). Nur ein Teil der Wärmestrahlung kann direkt in das Weltall abgegeben werden ( 4% ). Der größte Teil wird von Wolken und bestimmten atmosphärischen Gasen absorbiert. Von der Atmosphäre wird diese absorbierte Wärmestrahlung zum größten Teil wieder an die Erdoberfläche zurückgestrahlt ( 88% ), ein kleiner Teil wird ins Weltall abgegeben ( 12% ). Diese Rückreflexion führt zu einer Erwärmung der Erde.
Steigt die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre durch anthropogene Emissionen, so wird zusätzlich Wärmeenergie an die Erdoberfläche zurückreflektiert. Die Temperatur der Erde muß ansteigen, damit auf noch höherem Temperaturniveau wieder ein Strahlungsgleichgewicht gegeben ist. Diesen Vorgang nennt man anthropogenen Treibhauseffekt. Jede Änderung des Gehaltes von Treibhausgasen in der Atmosphäre wirkt sich somit auf den Strahlungshaushalt der Erde aus, beeinflußt die mittlere Temperatur der Erde und kann zu globalen Klimaänderungen führen.
Ob Gase zum Treibhauseffekt beitragen, hängt davon ab, ob sie im kurzwelligen Strahlungsbereich relativ schwach, im langwelligen jedoch stark absorbieren. Für Wasserdampf ( H2O ), dem wichtigsten natürlichen Treibhausgas, ist das der Fall. Die wichtigsten Treibhausgase sind: Kohlendioxid ( CO2 ), Methan ( CH4 ) und vom Menschen geschaffene Gase wie die halogenierten Kohlenwasserstoffe ( FCKWs ).
Durch die Störung des Strahlungshaushaltes muß mit einer Reihe von Rückkoppelmechanismen gerechnet werden, die die ablaufenden Klimaveränderungen entweder verstärken oder abschwächen können.
Eine Erhöhung der Treibhauskonzentration durch anthropogene Aktivitäten führt jedoch nicht sofort zu klimatischen Veränderungen. Durch die große thermische Trägheit vor allem der. Ozeane verzögert sich die Erwärmung der Atmosphäre um mehrere Jahre bis Jahrzehnte.
Die Ozeane sind durch ihre Klimastabilisierende Wirkung von enormer Bedeutung. Sie tragen aber auch dazu bei, daß die Folgen unseres Handelns erst dann für jedermann offensichtlich werden, wenn es für ein Gegensteuern vielleicht bereits zu spät ist. Denn zu diesem Zeitpunkt werden die ablaufenden Klimaveränderungen eine Eigendynamik erreicht haben, der wir dann nichts mehr entgegenzustellen haben.
2.1.Zusammensetzung der Luft
In chemischer Hinsicht setzt sich die Atmosphäre aus drei Komponenten zusammen: Erstens aus einem Gasgemisch, zu dessen wichtigsten Bestandteilen in trockener, nicht verunreinigter Luft der Stickstoff mit 78, der Sauerstoff mit 21, das Argon mit 0,9 und das Kohlendioxid mit 0,035 Prozent gehören. Zweitens aus festen und flüssigen Schwebeteilchen (\"Aerosole\") wie beispielsweise Staub, Ruß, Salze, Pflanzenpollen etc. sowie drittens aus Wassertropfen und Eispartikel (\"Hydrometeore\").
2.2. Klimawirksame Spurengase führen zur Erwärmung der Erdoberfläche
Der atmosphärische Wasserdampf ist auch als wichtigstes klimarelevantes Spurengas von Bedeutung. Spurengase kommen nur in sehr geringer Konzentration vor. Klimawirksame Spurengase besitzen zudem die Eigenschaft, die einfallende Sonnenstrahlung nahezu ungehindert passieren zu lassen, die von der Erdoberfläche ausgehende Infrarotstrahlung hingegen zu absorbieren, in Wärme umzuwandeln und teilweise wieder auf die Erde zurückzustrahlen. Durch diese \"Wärmerückführung\" kommt es zwischen der Erdoberfläche und der unteren Atmosphäre, wie in einem Treibhaus zu einer Erwärmung von ca. 33 Grad Celsius.
2.3. Ohne Treibhauseffekt gäbe es auf der Erde nur Dauerfrost
Ohne die Mitwirkung der Treibhausgase wäre die Erde eine lebensfeindliche Eiswüste mit einer mittleren Temperatur von -18 Grad Celsius. Statt dessen garantiert der Treibhauseffekt angenehme + 15 Grad Celsius, woran allein der Wasserdampf mit 62 Prozent und das Kohlendioxid mit 22 Prozent beteiligt sind. Dennoch darf der Einfluß der übrigen Treibhausgase nicht unterschätzt werden. Sobald nämlich ihre Konzentration und damit die Lufttemperatur zunimmt, verdunstet auf der Erde mehr Wasser, was wiederum den atmosphärischen Wasserdampfgehalt erhöht und den Treibhauseffekt verstärkt.
2.4. Methan, Lachgas, Ozon und FCKW verstärken ebenfalls den Treibhauseffekt!
Noch höhere Zuwachsraten werden bei den übrigen, bereits genannten Spurengasen, verzeichnet, die aber eine erheblich niedrigere atmosphärische Konzentration aufweisen als das Kohlendioxid. So hat sich das vorindustrielle Mischungsverhältnis von Methan (CH4) bis heute mit einer jährlichen Steigerung von 0,75 Prozent von 0,8 auf 1,74 ppm mehr als verdoppelt. Die Ursache dafür liegt hauptsächlich im globalen Bevölkerungswachstum begründet und geht im einzelnen auf die Ausweitung des Reisanbaus und der Rinderhaltung, die Emissionen aus Mülldeponien sowie auf die Verluste bei der Erdgas- und Erdölgewinnung zurück. Ähnlich verhält es sich beim Distickoxid oder Lachgas (N2O), dessen atmosphärische Anreicherung pro Jahr 0,25 Prozent beträgt.
Seine Zunahme beruht vor allem auf dem überhöhten Einsatz von stickstoffhaltigem Dünger und der Verbrennung von Biomasse.
In unmittelbarem Zusammenhang mit der anhaltenden Luftverschmutzung, insbesondere dem Verkehrsbedingten \"Photosmog\", steht dagegen das verstärkte Aufkommen des bodennahen und überaus treibhauswirksamen Ozons (O3). Seine Konzentration steigt jährlich um 0,5 bis 1 Prozent - im Unterschied zum lebenswichtigen Ozon in der oberen Atmosphäre - und erreicht immer häufiger gesundheitsschädliche Spitzenwerte. Um ein absolut künstliches und ausschließlich vom Menschen geschaffenes Produkt handelt es sich bei den Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW). Sie dienten bisher als Treibgase für Spraydosen, zur Herstellung von Kunststoffschäumen sowie als Reinigungsmittel in der Elektronikindustrie. Trotz ihres äußerst geringen Volumenanteils und des eingeleiteten Produktionsverbots bis zum Jahr 2000 tragen die FCKW heute schon über 20 Prozent zum \"Zusatz\"-Treibhauseffekt bei.
Im Wärmeabsorptionsvermögen liegt die Gefährlichkeit vieler Spurengase
Dies beweist jedoch auch, daß die Wirksamkeit eines Treibhausgases nicht allein von dessen atmosphärischem Mischungsverhältnis abhängt. Ein ebenso großer Einfluß kommt der Molekülstruktur eines Spurengases und dem sich daraus ergebenden Wärmeabsorptionsvermögen zu. Das heißt, die Fähigkeit die von der Erdoberfläche reflektierte Wärmestrahlung aufzunehmen und treibhauswirksam umzusetzen. Darüber hinaus spielt die atmosphärische Verweilzeit der Treibhausgase eine maßgebliche Rolle. Sie beschreibt die durchschnittliche atmosphärische Aufenthaltsdauer der Gasteilchen, bevor diese wieder durch chemische Reaktion oder durch den Übergang in die Biosphäre aus der Atmosphäre verschwinden. Deshalb werden die niedrigen Konzentrationen vieler Spurengase durch Wärmeabsorptionsvermögen und ihre lange atmosphärische Verweilzeit mehr als ausgeglichen. So ist etwa die Treibhaus-Wirksamkeit eines Methanmoleküls Siebenundzwanzigmahl, die eines Lachgasmoleküls zweihundertsechsmal und die von FCKW-Molekülen Sechzehntausendmahl höher als die eines Kohlendioxid-Moleküls. Das erklärt auch, warum bereits 50 Prozent des zusätzlichen Treibhauseffekts den \"Nicht-CO2-Spurengasen\" zuzuschreiben sind. Dieser Prozentsatz dürfte sich, trotz Einstellung der FCKW-Produktion, auf absehbare Zeit kaum verringern, sondern aufgrund der langen atmosphärischen Verweilzeit der \"Nicht-CO2-Spurengase\" eher noch vergrössern. Nichtsdestoweniger bleibt das Kohlendioxid mit seinem 50-Prozent-Anteil am zusätzlichen Treibhauseffekt das wichtigste Spurengas anthropogenen Ursprungs.
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