Der Treibhauseffekt & die Strahlungsbilanz

1859 hielt der irische Physiker John Tyndall die Infrarotabsorption der Atmosphärengase nebeneinander und stieß auf einen scharfen Bruch: Stickstoff und Sauerstoff, die den Löwenanteil der Luft stellen, ließen die Wärmestrahlung glatt durch; Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Ozon — dem Volumen nach bloße Spurengase — verschluckten sie kräftig. Tyndall zog daraus den richtigen Schluss: Ändert sich die Konzentration dieser Spurengase, ändert sich das Klima der Erde. Siebenunddreißig Jahre später, 1896, legte der schwedische Chemiker Svante Arrhenius die erste quantitative Klimarechnung überhaupt vor und kam auf 5 bis 6 °C Erwärmung bei verdoppeltem CO₂ — für Schweden, fand er, wäre das ein Gewinn. Der Wert lag zu hoch, aber im heutigen Rahmen (beste Schätzung inzwischen rund 3 °C je Verdoppelung), und an der Physik dahinter hat ein Jahrhundert nichts umgestoßen.

Im Flächenmittel treffen rund 340 W/m² Sonnenstrahlung auf die Erde. Etwa 30 % werfen Wolken, Eis und helle Flächen sofort zurück — das ist die Albedo der Erde —, die restlichen rund 240 W/m² nimmt der Planet auf und muss sie als Infrarot wieder ins All loswerden. Ohne Atmosphäre bräuchte er dafür nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz eine Temperatur von etwa 255 K, also −18 °C. Tatsächlich liegt die Oberfläche im Mittel bei 288 K. Diese Differenz von 33 °C ist der natürliche Treibhauseffekt. Der größte Teil der abgehenden Wärmestrahlung läuft ungehindert durch die Luft; nur in bestimmten Absorptionsbanden greifen Treibhausgasmoleküle zu, strahlen in beliebige Richtungen wieder ab und schicken einen Teil zur Oberfläche zurück. Die Strahlung wird also verzögert und umgelenkt, und damit die Bilanz mit der einfallenden Sonne aufgeht, muss die Oberfläche wärmer sein. Den größten Einzelbeitrag liefert Wasserdampf, doch bei einer Verweildauer von etwa neun Tagen kann er nichts Langfristiges antreiben — er folgt der Temperatur, über Clausius-Clapeyron rund 7 % pro °C, und wirkt damit als Rückkopplung. Den dominierenden Antrieb trägt Kohlendioxid, das Jahrhunderte bis Jahrtausende in der Luft bleibt: vorindustriell 280 ppm, 2024 rund 420 ppm — und weiter steigend. Methan wirkt pro Molekül auf zwanzig Jahre gerechnet rund 80-mal stärker, ist nach etwa 12 Jahren aber wieder heraus. Die Klimasensitivität — die Erwärmung im Gleichgewicht bei verdoppeltem CO₂ — bleibt die zentrale offene Zahl; der IPCC AR6 nennt als wahrscheinlichen Bereich 2,5 bis 4 °C, und die Restunsicherheit steckt vor allem in den Wolkenrückkopplungen. Der Einwand, CO₂ sei ohnehin gesättigt, verfehlt die Bandenphysik: Mehr CO₂ hebt die Höhe, aus der die Erde tatsächlich ins All abstrahlt, weiter in die kältere Luft hinauf.