Der Treibhauseffekt, physikalisch erklärt

Der Treibhauseffekt ist kein Schaden, sondern die Voraussetzung dafür, dass es auf der Erde flüssiges Wasser gibt. Ohne ihn läge die mittlere Temperatur der Oberfläche bei etwa minus 18 Grad statt bei rund plus 15. Die Differenz von etwa 33 Grad erzeugen wenige Spurengase, die zusammen weniger als ein Prozent der Luft ausmachen. Genau deshalb reicht eine kleine Änderung ihrer Menge, um sehr viel zu bewegen.

Was physikalisch passiert

Die Sonne strahlt überwiegend im sichtbaren und kurzwelligen Bereich. Diese Strahlung geht fast ungehindert durch die Atmosphäre, trifft auf Boden, Wasser und Vegetation und wird dort in Wärme umgewandelt. Die Erdoberfläche gibt diese Wärme wieder ab, aber bei ihrer viel niedrigeren Temperatur geschieht das im langwelligen Infrarotbereich.

Und hier liegt der Unterschied: Für langwellige Strahlung ist die Luft nicht durchsichtig. Bestimmte Moleküle absorbieren sie, geraten in Schwingung und geben die Energie in alle Richtungen wieder ab, ein Teil davon zurück nach unten. Die Wärme braucht dadurch länger, um ins Weltall zu entkommen. Die Oberfläche muss wärmer werden, bis Zufuhr und Abgabe wieder im Gleichgewicht sind.

Warum ausgerechnet CO2 und nicht Sauerstoff

Stickstoff und Sauerstoff stellen zusammen 99 Prozent der Luft, spielen aber kaum eine Rolle. Ihre Moleküle bestehen aus zwei gleichen Atomen und haben keine Schwingungsform, die im infraroten Bereich nennenswert Energie aufnimmt. Moleküle aus drei oder mehr Atomen – Wasser, Kohlendioxid, Methan, Lachgas – können sich dagegen so verbiegen und strecken, dass sie genau in den Wellenlängen absorbieren, in denen die Erde abstrahlt.

Es geht also nicht um die Menge eines Gases, sondern um seine Bauform. Ein Bestandteil im Promillebereich kann mehr bewirken als die 78 Prozent Stickstoff darüber.

Die wichtigsten Gase und wie lange sie bleiben

Zwei Größen entscheiden über die Wirkung: wie stark ein Molekül absorbiert und wie lange es oben bleibt. Die zweite Größe wird meist unterschätzt.

Gas	Konzentration	Typische Verweildauer	Wirkung über 100 Jahre
Kohlendioxid	über 420 ppm	Teil über Jahrhunderte bis Jahrtausende	1
Methan	rund 1.900 ppb	etwa 12 Jahre	rund 30
Lachgas	rund 335 ppb	etwa 110 Jahre	rund 270
Schwefelhexafluorid	Spuren	über 3.000 Jahre	rund 24.000
Wasserdampf	stark schwankend	Tage	wirkt als Verstärker

Die Tabelle erklärt, warum Methan und CO2 politisch unterschiedlich behandelt werden. Wer Methan reduziert, sieht die Wirkung innerhalb von ein bis zwei Jahrzehnten. Wer CO2 reduziert, verhindert vor allem, dass die Last weiter wächst – der bereits vorhandene Bestand baut sich kaum ab.

Wasserdampf verstärkt, treibt aber nicht an

Warme Luft kann mehr Wasser aufnehmen, grob sieben Prozent mehr pro Grad. Steigt die Temperatur aus anderem Grund, steigt der Wasserdampfgehalt mit, und der zusätzliche Dampf wärmt weiter. Dieser Mechanismus verdoppelt die Wirkung von CO2 ungefähr. Von allein kann Wasserdampf aber nichts anstoßen, weil überschüssige Feuchte binnen Tagen abregnet. Er reagiert auf die Temperatur, er setzt sie nicht.

Was sich seit 1850 verändert hat

Die CO2-Konzentration lag über die letzten Jahrtausende recht stabil bei etwa 280 ppm. Heute liegt sie über 420 ppm, ein Plus von rund der Hälfte. Methan hat sich mehr als verdoppelt, Lachgas ist um etwa ein Fünftel gestiegen. Parallel dazu ist die globale Mitteltemperatur um gut ein Grad gestiegen.

Dass der Anstieg aus fossilen Quellen stammt, lässt sich am Kohlenstoff selbst ablesen. Fossiler Kohlenstoff enthält kein Radiokohlenstoff-Isotop mehr und hat ein charakteristisches Verhältnis der stabilen Isotope. Genau diese Signatur zeigt die Luft, und der Sauerstoffgehalt sinkt exakt in dem Maß, in dem Verbrennung ihn verbraucht.

Warum kleine Zahlen große Wirkung haben

Ein Grad klingt harmlos. Der Vergleichsmaßstab ist aber nicht das Wetter von gestern zu heute, sondern der Abstand zwischen Eiszeit und Warmzeit: der beträgt global etwa vier bis fünf Grad. Ein Grad globale Änderung ist ein Viertel dieser Spanne, erreicht in gut hundert statt in zehntausend Jahren.

Dazu kommt, dass sich Landflächen und die Arktis deutlich stärker erwärmen als der globale Mittelwert. Was sich im Alltag zeigt, sind deshalb weniger die Durchschnittswerte als die Extreme: Hitzetage, Trockenperioden, Starkregen. Wie sich das auf Wälder auswirkt, steht unter Wälder und CO2, was es für die Meere bedeutet, unter Meere und Fischbestände.

Was daraus für den eigenen Haushalt folgt

Aus der Physik folgt keine Handlungsanweisung, aber eine Reihenfolge. Weil CO2 lange bleibt, zählt jede vermiedene Tonne dauerhaft. Weil der Strom- und Wärmebereich in Deutschland den größten Einzelposten stellt, liegt dort auch der größte Hebel im Haushalt – nachzurechnen unter CO2-Fußabdruck berechnen und praktisch umzusetzen über Ökostrom oder ein Balkonkraftwerk.

Wie das Thema vor fünfzehn Jahren diskutiert wurde, lässt sich im Archiv nachlesen. Die Physik in den Beiträgen von damals ist unverändert geblieben, die Konzentrationen sind es nicht.