Die Treibhausgase bewirken, dass kurzwellige Strahlung, welche von der Sonne auf der Erde ankommt von der Erdoberfläche und der erwärmten Luft wieder emittiert wird. Die Atmosphäre ist transparent für die ankommende Strahlung der Sonne allerdings wenig transparent für die wieder abgehende Strahlung der Erde. Dies liegt an den unterschiedlichen Wellenlängen der eingehenden und ausgehenden Strahlungen. Auf diese Art und Weise wird die wärmende Strahlung der Erde innerhalb der Atmosphäre festgehalten und so entsteht der Treibhauseffekt. Dieses Phänomen wurde im Jahr 1824 von Joseph Fourier entdeckt, wird jedoch erst seit 1958 systematisch erforscht. Im Rahmen dieser systematischen Forschung wurde festgestellt, dass der Treibhauseffekt nicht nur durch das Einwirken des Menschen entsteht. So gibt es diverse natürliche Quellen von Kohlendioxid und Wasserdampf, welche die Hauptverursacher des Treibhauseffektes sind. Im Rahmen der Erforschung des Treibhauseffekts, wurde deswegen eine Unterscheidung zwischen dem natürlichen Treibhauseffekt und dem anthropogenen Treibhauseffekt vorgenommen. Hierbei bezeichnet der anthropogene Treibhauseffekt den Anteil des Treibhauseffekts, der durch das menschliche Wirken entsteht.

Der natürliche Treibhauseffekt in der Atmosphäre

Das heutige Klima der Erde ist ein eindeutiges Resultat des Treibhauseffektes. Seit dem Bestehen der Erde hat dieser die Temperaturen auf der Erde entscheidend beeinflusst. Hierbei spielen die Gase Wasserdampf, Methan, Ozon und Kohlenstoffdioxid, die wichtigste Rolle in der natürlichen Erderwärmung. Diese Gase sind der Bestandteil der Atmosphäre. Sie sind durchlässig für Sonnenstrahlen von der Sonne, absorbieren und emittieren jedoch reflektierende Strahlungen von der Erde. In diesem Sinne spielen sie eine ähnliche Rolle, wie das Glas in einem Treibhaus, denn sie bewahren die Wärme innerhalb der Atmosphäre. So trägt der natürliche Treibhauseffekt zu der Erderwärmung bei. Die stärkste Wirkung hat dabei Wasserdampf. Dieses Gas verursacht zwischen 36 Prozent und 70 Prozent des Treibhauseffektes. Danach folgt Kohlendioxid als zweitstärkstes Treibhausgas, mit 9 Prozent bis 26 Prozent Anteil am Treibhauseffekt und Methan mit 4 Prozent bis 9 Prozent Anteil. Das Gas Ozon hat lediglich einen Anteil von 3 bis 7 Prozent. Allerdings spielt es trotzdem eine sehr wichtige Rolle, aufgrund seines Effektes auf die Stratosphäre. Diese Angaben sind keine exakten prozentualen Angaben, denn der Anteil der Wirkung der verschiedenen Gase auf den Treibhauseffekt, variiert stark nach dem Breitengrad und der Vermischung. Allerdings ergeben sich die höheren Werte durch die Gase selbst, während sich die niedrigeren Werte durch Mischungen ergeben.

Der Vorgang der Erwärmung wird an der Oberfläche der Erde und in der Sonnenatmosphäre angetrieben. Die Stärke der Sonnenstrahlung in die Erdbahn wird generell als Konstante beschrieben und wird fachmännisch auch als Solarkonstante bezeichnet. Ihr Wert schwankt zwischen 1325 Watt pro Quadratmeter und 1420 Watt pro Quadratmeter. Die Schwankungen erfolgen aufgrund von Variationen der Erdentfernung und der Sonnenaktivität. Vor allem die hohe Masse der Erde ist des Weiteren wichtig für den natürlichen Treibhauseffekt. Denn nur die hohe Masse erlaubt die Wärmespeicherung, die im Rahmen des natürlichen Treibhauseffektes zu sehen ist.

Energiebilanz und Energiehaushalt der Erde

Aufgrund dieses Phänomens der Wärmespeicherung, werden Energiebilanzen der Atmosphäre durch einen Mittelwert über die ganze Erde berechnet. So stehen die Fläche des Querschnitts der Erde und die Oberfläche der Erde in einem Verhältnis von 1:4. Aufgrund dieser Erkenntnis konnten Wissenschaftler ableiten, dass bei einer Sonneneinstrahlung von etwa 1367 Watt pro Quadratmeter, etwa 342 Watt pro Quadratkilometer von der Erde wieder zurück in den Weltall gestrahlt werden können. Doch Wolken, Bodenbeschaffenheit und die Luft verändern dies, denn durch diese Elemente wird ein Anteil von etwa 30 Prozent – was etwa 410 Watt pro Quadratmeter entspricht – der Sonnenenergie wieder in den Weltraum zurück reflektiert. Die restlichen 70 Prozent, also etwa 957 Watt pro Quadratmeter werden absorbiert. Diese absorbierte Strahlung würde zu einer Grundtemperatur von etwa -18 Grad Celsius führen. Die Abweichungen von den oberen Grenzwerten und der Durchschnittstemperatur wird von der Hölder’schen Ungleichung beschrieben. Die erwärmten Treibhausgase ergeben eine weitere Strahlung.

Diese Strahlung wird als Gegenstrahlung der Atmosphäre bezeichnet. So kann die Oberfläche der Erde weiter 389 Watt pro Quadratmeter absorbieren. Auf diese Art und Weise ergibt sich die tatsächliche mittlere Temperatur der Erdoberfläche von 14 Grad Celsius. Diese Energieabgabe erfolgt durch verschiedene Mechanismen. Einer davon ist die Strahlung. Der Vorgang der Strahlung wird durch das Plank’sche Strahlungsgesetz beschrieben. Weitere Vorgänge beinhalten des Weiteren die Konvektion. So ist die Erdoberflächentemperatur der Lufttemperatur in der Nähe des Bodens gleich. Die spektrale Farbverteilung der Energie, die von der Erde abgestrahlt wird, entspricht einer Farbtemperatur von ungefähr 6000 K. So wird diese von den Gasen in der Atmosphäre fast nicht absorbiert. So wird die Farbverteilung von der Bodentemperatur bestimmt. So werden 299 Watt pro Quadratmeter durch die Strahlung und durch die undurchsichtige Atmosphäre abgegeben. Dies führt zu der Erwärmung und Aufheizung der Atmosphäre. Man kann die Vorgänge des Treibhauseffektes also kurz zusammenfassen und dabei ergibt sich folgendes Bild: aus der Atmosphäre erfolgt eine Rückstrahlung, welche die Oberfläche der Erde um mindestens 33 Grad erwärmt. Dies ergibt den Unterschied zwischen den -18 Grad Celsius ohne den Treibhauseffekt und den 14 Grad durchschnittlich mit dem Treibhauseffekt.

Regelungsmechanismus des Treibhauseffektes durch die Erde

Von einem geschichtlichen Standpunkt ist der Treibhauseffekt entscheidend, denn die Leuchtkraft der Sonne ist seit ihrer eigenen Entstehung um mehr als 30 Prozent gestiegen. Aus diesem Grund ist das Vorhandensein von Wasser in flüssiger Form im frühen Stadium der Erde sehr schwierig nachzuvollziehen. Das Paradoxon der „Schwachen jungen Sonne“ beschäftigt sich mit diesem Thema und hat die Forschung stark vorangetrieben. Diese Erkenntnis führte zu der Entdeckung des Selbstregulierungsmechanismus der Erde, denn die Konzentration von Methan und Kohlendioxid in der Erde hat in der weiten Vergangenheit stark abgenommen. Dieser Mechanismus erfolgt über die Abgabe von Kohlendioxid in Form von Kalk im Meer. So sank auch die Temperatur der Erde wieder. Auch die Sauerstoffkatastrophe regulierte den Treibhauseffekt, denn so verschwand das Methan relativ rasch aus der Atmosphäre. Allerdings folgte eine lange Eiszeit auf dieses atmosphärische Phänomen. Vulkane regulierten jedoch auch diese Eiszeit wiederum, denn sie gaben Kohlendioxid ab, welches die Temperatur wieder erhöhte. Dies erfolgte aufgrund des Faktes, dass das Kohlendioxid nicht mehr in den Meeren als Kalk abgelagert werden konnte. Diese Phänomene lassen sich durch zwei klare Regulierungsmechanismen bezeichnen. Ersteres ist der Vulkanismus und letzteres ist die Plattentektonik.