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Treibhauseffekt der Atmosphäre 12:22 min

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Transkript Treibhauseffekt der Atmosphäre

Hallo und ganz herzlich willkommen. In diesem Video geht es um den Treibhauseffekt der Atmosphäre. Du kennst bereits das Strahlungsgleichgewicht und das Stefan-Boltzmann-Gesetz. Nachher kennst du den Treibhauseffekt, ein Modell zur Berechnung der mittleren Temperatur an der Erdoberfläche, den Begriff anthropogener Treibhauseffekt und den realistischen Strahlungshaushalt. Das Video gliedert sich in vier Abschnitte. 1. Wesen des Effekts. 2. Der anthropogene Effekt. 3. Oberflächentemperatur an der Erdoberfläche. Und 4. Realistischer Strahlungshaushalt. Kommen wir also gleich zum Wesen des Effekts. Stellen wir uns vor im Sommer, im geschlossenen Auto. Oder aber auf einem kalten Berg. Beide werden von der Sonne bestrahlt und dabei wird es erheblich wärmer. Besonders im Auto wird es warm wie im Treibhaus. Aber auf dem Berg habe ich schon häufig gehört: „Oh ist das warm, ich schwitze, ich muss den Pullover ausziehen.“ Was hat es nun mit diesem Treibhaus auf sich? Zum ersten einmal durchdringt das Glas, erwärmt die Luft aber nicht. Das Licht erwärmt die festen Stoffe im Treibhaus, diese wiederum erwärmen die Luft und das Wasser innerhalb des Treibhauses. Innerhalb des Treibhauses wird es wärmer, denn Glas ist für infrarote Strahlen undurchlässig. Den Ablauf der Ereignisse und das Ergebnis, das ich hier geschildert habe, bezeichnet man als Treibhauseffekt. Den Herrn hier kennt ihr vielleicht als Mathematiker, es ist Josef Fourier, er war es, der den Treibhauseffekt entdeckte. Das war 1824. Der Treibhauseffekt hat immense Bedeutung für die Erde, die Strahlen der Sonne erreichen praktisch ungehindert die Erde. Dadurch kommt es zu einer erheblichen Temperaturerhöhung. Durch den Treibhauseffekt erhöht sich die Temperatur um etwa 20 bis 30 Kelvin. Das Leben wird auf der Erde dadurch erst möglich. Wie hat man sich das Ganze schematisch vorzustellen? Hier, die Erdoberfläche. Darauf fällt Sonnenlicht ein. Interessant im Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt sind die atmosphärischen Gase, Wasser und Kohlenstoffdioxid. Von diesen wird das Sonnenlicht problemlos durchgelassen. Das Sonnenlicht erwärmt die Erde. Vom Erdboden wird Infrarotstrahlung emittiert. Das gasförmige Wasser und CO2 sind nicht durchlässig für Infrarotstrahlen und absorbieren diese. Die Gase erwärmen sich und emittieren daher Infrarotstrahlen in alle Richtungen. Als Ergebnis wird ein Teil der Strahlung in den Weltraum gestrahlt und ein anderer Teil zurück zur Erdoberfläche. Durch die Rückstrahlung der Atmosphäre stellt sich das Strahlungsgleichgewicht bei einer höheren Temperatur der Erdoberfläche ein. Diese Verschiebung der Temperatur bezeichnen wir als Treibhauseffekt. Wichtige Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon. Der Treibhauseffekt hat verschiedene Ursachen. Eine Ursache davon ist der anthropogene Effekt. Gemeint damit ist der durch den Menschen hervorgerufene Treibhauseffekt. Im Gegensatz zum natürlichen Treibhauseffekt. Zunächst: Der Wassergehalt der Atmosphäre hat Folgen für das Klima. Denn das Wasser in der Luft hat neben vielerlei Bedeutung hier eine Doppelfunktion. Zum einen leistet das einen großen Beitrag zum Treibhauseffekt, der führt zur Erwärmung auf der Erde, und daher können wir hier leben. Ein Teil des Wassers ist aber direkt in den Wolken gespeichert. Wolken reflektieren das Sonnenlicht und das führt zur Abkühlung, die wir mitunter herbeisehnen. Das zweitwichtigste Treibhausgas bereitet den Menschen viel mehr Kopfzerbrechen. Ihr wisst was ich meine, Kohlenstoffdioxid. Der beobachtete Anstieg von 0,03 Prozent Anteil an der Luft auf 0,04 Prozent erfolgte im zwanzigsten Jahrhundert. Das ist ein Zuwachs von beachtlichen 30 Prozent der gesamten Menge an Kohlenstoffdioxid. Die Ursachen sind einfach auszumachen. Das Bevölkerungswachstum kombiniert mit einer zunehmenden Industrialisierung. Kohlenstoffdioxid wird in großer Menge produziert: durch Kohlekraftwerke und durch Autoabgase. In den letzten Jahren ist auch zunehmend Methan in den Verdacht geraten, zum Treibhauseffekt beizusteuern. Methan ist ein Treibhausgas, es wird von Rindern bei der Verdauung produziert. In solchen Behältnissen wird es dabei nicht aufgefangen. Es gelangt leider in die Luft und trägt zum Treibhauseffekt bei. Und jetzt kommen wir zu einem ganz interessanten Problem, nämlich der Oberflächentemperatur an der Erdoberfläche. Um diese zu berechnen, benutzen wir ein ganz einfaches Modell. Das ist die Erdoberfläche, das sind die einkommenden Sonnenstrahlen, 100 Prozent. 30 Prozent davon werden reflektiert, die verbleibenden 70 Prozent werden vom Erdboden absorbiert und als Infrarotstrahlung emittiert. Durch den Treibhauseffekt wird ein Teil dieser Infrarotstrahlung immer wieder zum Erdboden zurückgestrahlt. Verantwortlich dafür sind die Treibhausgase. 70 Prozent des einfallenden Lichtes werden von der Erde absorbiert und müssen daher auch abgestrahlt werden, da die Erde im Strahlungsgleichgewicht ist. Das geschieht durch Infrarotabstrahlung der Atmosphäre. So kann man sich in einem einfachen Modell das Gleichgewicht der Strahlen, das Strahlungsgleichgewicht, vorstellen. Die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche kann nun mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz berechnet werden. Die Erde wird wieder als schwarzer Körper angenommen. Wir wissen, dass die Energiestromstärke proportional zur Energiestromdichte ist. Und diese ist nach Stefan Boltzmann gleich SigmaT4. Aus der Proportionalität von p zu SigmaT4 können wir folgende Verhältnisgleichung formulieren: (SigmaTm4)/ (SigmaT04) = 1,4Pa/0,7Pa. 1,4 ist die relative Energiestromstärke mit Treibhauseffekt, 0,7 ohne. Ihr Verhältnis ist gerade zwei. Wir kürzen Sigma. Nun stellen wir nach Tm um. Tm= 4Wurzel2254K. 254K haben wir berechnet für eine Erde ohne Atmosphäre, also ohne Treibhauseffekt. Für Tm erhalten wir 302 Kelvin, oder 29 Grad Celsius. Wir berechnen also, dass die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche 29 Grad Celsius beträgt. Wir berücksichtigen dabei natürlich die Atmosphäre. Es muss gesagt werden, dass hier die Wolken nicht berücksichtigt werden. Daher wird der tatsächliche Wert von 15 Grad Celsius durch unser einfaches Modell überbewertet. Ungeachtet dessen, ich finde 29 Grad Celsius ist ein schönes Ergebnis. Es geht aber noch besser. Realistischer Strahlungshaushalt. Kann man die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche genauer berechnen? Ja, man muss dafür den relativen auf die Erdoberfläche auftreffenden Energiestrom kennen. Versuchen wir es einmal. Die Sonneneinstrahlung beträgt Pa, das sind gerade die 100 Prozent. Der absorbierte Anteil davon ist 0,7. So, und dann haben wir noch den auf die Erdoberfläche auftreffenden Energiestrom unter Berücksichtigung des Treibhauseffekts. Also, nochmal ran an Tm. Wie gehabt benutzen wir die Proportionalität von P zu SigmaT4, das Stefan Boltzmannsche Gesetz. Die Näherung findet unter Berücksichtigung der Treibhausgase statt. Dabei werden die vorgestellten, realistischen Werte verwendet. Wir setzen wie gehabt SigmaTm4 und SigmaT04 ins Verhältnis, das ist 1,46/0,7. Wir stellen nach Tm um. Das ergibt 305 Kelvin, beziehungsweise 32 Grad Celsius. Warum ist dieser Wert zu hoch? So, und nun noch die letzte Verfeinerung. Wir berücksichtigen die Treibhausgase und einen zusätzlichen Energieverbrauch. Von unseren 1,46 Pa muss nämlich noch Energie abgezogen werden. Und zwar durch Konvektion 0,05 Pa. Für die Verdunstung des Wassers auf der Erdoberfläche werden 0,027 Pa verwendet. Wir bilanzieren und erhalten 1,14Pa. Wir rechnen nun in bewährter Weise. Für Tm erhalten wir 287 Kelvin oder 14 Grad Celsius. Der experimentelle Wert, das heißt die Messung, ergibt 15 Grad Celsius. Ich denke, das ist einen super Smiley wert. Für die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche erhält man unter Berücksichtigung des Treibhauseffekts einen Wert von 32 Grad Celsius. Trägt man zusätzlich der Konvektion in der Atmosphäre und der Verdunstung des Wassers Rechnung, ergibt sich 14 Grad Celsius in guter Übereinstimmung mit dem Messwert von 15 Grad Celsius. Das war ein weiterer Film von André Otto, ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg, tschüss!

Treibhauseffekt der Atmosphäre Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Treibhauseffekt der Atmosphäre kannst du es wiederholen und üben.

  • Benenne die Bestandteile des Treibhauseffekts.

    Tipps

    Was wird wie erwärmt?

    Lösung

    Der Treibhauseffekt ist einer der populärsten Ursachen für die Erderwärmung.

    Dabei kann der Effekt, der auf der Erde auftritt, auch in einem Gewächshaus beobachtet werden. Dabei wird das Glas durch die Sonne erwärmt. Genau wie andere feste Stoffe. Überleg doch mal, wie schnell Gegenstände im Sommer in der Sonne heiß werden.

    Die Gegenstände erwärmen wiederum die Luft oder auch das Wasser in der Umgebung. Genau das passiert auch in einem Treibhaus.

    Da Glas die Besonderheit hat, dass es für infrarote Strahlung (Wärmestrahlung) nicht durchlässig ist, wird das Glas deutlich stärker erwärmt.

    Neben dem Treibhauseffekt, gibt es auch bedeutende Schwankungen bei der Energieproduktion der Sonne. Anhand der Sonnenflecken kann man diese Schwankungen beobachten. Sind viele dieser Flecken sichtbar, produziert die Sonne mehr Energie. Diese Schwankungen finden periodisch wiederholend statt und sind ganz normal für den Lebenszyklus eines Sterns. Der Effekt auf die Erde ist dabei das Auftreten von Wärmeperiode und Eiszeiten.

    Durch diesen Effekt der Sonne konnte in der mittelalterlichen Wärmeperiode (von ca. 1050 - 1150) in Schottland Wein angebaut werden. Dies war ganz ohne Treibhauseffekt möglich. Heute wäre ein Weinanbau in Schottland unmöglich.

    Ein Anstieg der Sonnenaktivität ist meistens ein Warnzeichen vor einer kommenden Eiszeit.

    Hierzu gibt es jedoch widersprüchliche Aussagen. 2004 wurde noch prognostiziert, dass eine Eiszeit noch 150.000 Jahre auf sich warten ließe. Neuste Untersuchungen sagen aber voraus, dass es schon 2030-2040 zu einer Mini-Eiszeit kommen könnte. Ein solches Phänomen trat zuletzt 1645 bis 1715 auf.

    Doch durch unsere heutigen Möglichkeiten, Lebensbedingungen, etc. brauchen wir diese Naturphänomene weniger zu fürchten als die Menschen 1645-1715.

  • Beschreibe den Treibhauseffekt auf der Erde.

    Tipps

    Welche Bestandteile sind relevant für den Treibhauseffekt?

    Überlege, welche Eigenschaften das Glas beim Gewächshaus im Bezug zum Treibhauseffekt hat.

    Lösung

    Die Strahlung der Sonne zur Erdoberfläche durchdringt die Treibhausgase problemlos. Die Erdoberfläche wird durch die Sonnenstrahlung erwärmt und emittiert dadurch Infrarotstrahlung (IR-Strahlung). Die Treibhausgase jedoch lassen nicht die gesamten IR-Strahlen passieren, sondern nur einen Anteil. Der Großteil der IR-Strahlung, die langwelligere sogenannte Wärmestrahlung, wird von den Treibhausgasen zurück zur Erdoberfläche gestrahlt und erwärmt wiederum die Erdoberfläche. Die erwärmte Erdoberfläche gibt ihre Wärme an die Umgebung (Luft und Wasser) ab. So wird die Luft auf der Erde um ca. 20-30 K erwärmt und das Leben ist dadurch nur durch den natürlichen Treibhauseffekt möglich.

  • Erläutere den anthropogenen Treibhauseffekt.

    Tipps

    Beginne mit den Gründen für den anthropogenen Treibhauseffekt.

    Das Fazit steht am Ende dieser Erläuterung.

    Lösung

    Der anthropogene Treibhauseffekt ist im Gegensatz zum natürlichen Treibhauseffekt ein vom Menschen verursachtes Phänomen. Dabei ist der natürliche Treibhauseffekt wichtig, damit überhaupt das Leben auf der Erde möglich ist. Dagegen ist der anthropogene Treibhauseffekt gefährlich für das Leben auf der Erde. Durch die ständige Erhöhung der Temperatur auf der Erdoberfläche wird es in den nächsten Jahren/Jahrzehnten/Jahrhunderten zu Auswirkungen kommen, die dem Menschen schaden werden.

    Der anthropogene Effekt wird durch den vermehrten Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid und Methan verursacht. Die Strahlungsgleichgewichtstemperatur auf der Erdoberfläche ohne Treibhausgase in der Atmosphäre liegt bei $-18 °C$. Durch die Treibhausgase wird diese Luftschicht weiter nach oben in die Atmosphäre verschoben. Bei dieser Verschiebung nach oben nimmt die Temperatur auf der Erdoberfläche pro $km$ um $6,5 °C$ zu.

    Erhöht sich jetzt die Konzentration der Treibhausgase wird die Luftschicht mit $-18 °C$ weiter nach oben verdrängt. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur auf der Erde.

    Aus diesem Grund wird der Treibhauseffekt durch den Menschen versucht einzudämmen. Dabei wird versucht, Kohlekraftwerke, die besonders viel Kohlenstoffdioxid ausstoßen, durch erneuerbare Energieformen wie Wind- oder Solarenergie zu ersetzen. Auch wird der Ausstoß der Abgase von Verkehrsmitteln versucht zu reduzieren (Elektroautos, Hybridwagen, Solarflugzeuge).

  • Setze die Eigenschaften des Wassergehalts in der Atmosphäre in Beziehung.

    Tipps

    Welche Auswirkungen hat Wasser in der Atmosphäre?

    Ist Wasserdampf ein Treibhausgas?

    Lösung

    Wasser beziehungsweise Wasserdampf spielt eine sehr große Rolle in der Atmosphäre. Der größte Anteil des Treibhauseffektes mit ca. 36-70 % wird durch Wasserdampf verursacht (ohne Beachtung von Wolken). Wolken in der Atmosphäre dagegen können den Treibhauseffekt abdämpfen.

    Wenn der Wassergehalt in der Luft sehr hoch ist, dann wirkt der Wasserdampf als Treibhausgas und führt zur Erwärmung der Erdoberflächentemperatur.

    Ist der Wassergehalt allerdings in den Wolken, dann sorgen diese für die Reflexion der Sonnenstrahlen. Dadurch gelangen diese nicht mehr an die Erdoberfläche und der Treibhauseffekt wird nicht verstärkt. Ganz im Gegenteil: Die Wolken führen zu einer Abkühlung der Erdoberfläche.

  • Schildere die Rechnung für die mittlere Temperatur der Erdoberfläche.

    Tipps

    Wie beginnt man eine Rechnung?

    Wie lautet die Umformung? Was ist gesucht?

    Lösung

    Die Berechnung der mittleren Temperatur auf der Erdoberfläche kann mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes erfolgen.

    Dafür wird die relative Energiestromstärke mit und ohne Treibhauseffekt ins Verhältnis gesetzt. Gleichzeitig werden natürlich auch die dazugehörigen Temperaturen ins Verhältnis gesetzt.

    Anschließend müssen die Werte für die relative Energiestromstärke eingesetzt werden. Die Energiestromstärke ohne Treibhauseffekt ist $0,7 Pa$. Die Energiestromstärke mit Treibhauseffekt ist $1,46 Pa$. Davon muss jedoch die Konvektion mit $0,05 Pa$ und die Verdunstung des Wassers mit $0,27 Pa$ abgezogen werden, und man erhält $1,14 Pa$.

    Nun wird die Gleichung nach $T_m$ umgestellt. Als Ergebnis erhält man $287 K$ und das sind $14 °C$.

  • Wende die Berechnung der mittleren Erdoberflächentemperatur an.

    Tipps

    Wie lauten die Umformungen?

    Welche Größe ist gesucht?

    Lösung

    Die Berechnung der mittleren Temperatur auf der Erdoberfläche kann mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes erfolgen. Dafür werden die relative Energiestromstärke mit und ohne Treibhauseffekt ins Verhältnis gesetzt. Gleichzeitig werden natürlich auch die dazugehörigen Temperaturen ins Verhältnis gesetzt. Anschließend müssen die Werte für die relative Energiestromstärke eingesetzt werden. Die Energiestromstärke ohne Treibhauseffekt ist $0,7 Pa$. Die Energiestromstärke mit Treibhauseffekt ist $1,46 Pa$. Davon muss jedoch die Konvektion mit $0,05 Pa$ und die Verdunstung des Wassers mit $0,27 Pa$ abgezogen werden, und man erhält $1,14 Pa$. Nun wird die Gleichung nach $T_m$ umgestellt. Als Ergebnis erhält man $287 K$. Das sind $14 °C$.