Wasserdampf

Der Treibhauseffekt ist in keiner Weise ein auschließlich vom Menschen künstlich erzeugter Effekt. Es handelt es sich vielmehr um die natürliche Fähigkeit der Atmosphäre, die von der Erdoberfläche abgestrahlte Wärme bei ihrem Weg zurück ins Weltall für einige Zeit zu speichern und uns so mit einer wärmeren bodennahen Lufthülle zu umgeben (im weltweiten Mittel +15°C), als dies ohne diesen Effekt der Fall wäre. Dann nämlich läge der Temperaturdurchschnitt in der unteren Atmosphäre bei -18°C und es wäre auf der gesamten Erde bitter kalt.

Die Atmosphäre umgibt die nackte, der Kälte des Weltraums ausgesetzte Mutter Erde also wie ein natürlicher Pulli, der die von ihr abgestrahlte Wärme zurückhält. Dadurch spürt sie unter diesem Pulli auf der Haut statt eines eisigen Winters von -18° einen milden Frühling von +15°C.
Der Unterschied zwischen Mutter Erde und uns selbst liegt darin, dass die Erde die Wärme, die sie abstrahlt, direkt von der Sonnenstrahlung bezieht, die auf ihre Oberfläche fällt. Wir halten unsere Körperwärme vor allem durch Verbrennung von Nahrung.

Grundsätzlich bringt der natürliche Treibhauseffekt also die Erde nicht zum Kochen, wie oft in vielen Bildern dargestellt, sondern bewahrt uns vor dem Erfrieren.

Freilich haben wir Menschen dazu beigetragen, dass der natürliche Pulli in den letzten 150 Jahren zu einem dickeren Mantel geworden ist. Das nun könnte uns in der Tat bald mehr ins Schwitzen bringen, als es menschliche Hochkulturen jemals erlebt haben.

*Wir verzichten hier auf eine ausführliche Beschreibung des Strahlungshaushaltes der Erde, die zu weit vom Thema Wasser wegführen würde. Der Treibhauseffekt ist in verschiedensten Quellen (auch im Internet) detailliert beschrieben.

Etwa die Hälfte der Sonnenenergie, die aus dem Weltraum den äußeren Rand der Atmosphäre erreicht, gelangt schließlich bist zur Erdoberfläche. Die andere Hälfte des Lichtes wird schon vorher entweder zurückgeworfen (reflektiert) oder aufgenommen (absorbiert).
Durch diese verbleibende Hälfte nun, wird die Erdoberfläche aufgeheizt. Jeder aufgeheizte Körper aber strahlt auch wieder ab und zwar umso mehr, je wärmer er ist. Wir kennen das von der Herdplatte. Je mehr Energie (in Form von Strom) wir hineinstecken, desto heisser wird sie und desto deutlicher spüren wir die Wärmestrahlung, wenn wir die Hand darüber halten.

Nach den Gesetzen der Physik kann man berechnen, in welchem Bereich die Wärmestrahlung bei einer bestimmten Temperatur erfolgt. Der bunte Bereich in der folgenden Abbildung zeigt uns, wie die Wärmestrahlung sich verteilt, wenn die Temperatur des Körpers bei 280 Kelvin* liegt (+7°C). Dies ist fast so warm wie die Erde im Mittel. Es handelt sich um ein Spektrum der Infrarotstrahlung zwischen etwa 400 und 1800 cm^-1. (cm^-1 ist eine Angabe für die Energie der Infrarotstrahlung in Wellenzahlen.)

*Die Kelvin Skala ist eine um 273 Grad verschobene Temperaturskala. 0°C = 273 K

rot+gelb+blau = Gesamtabstrahlung der Erde bei +7°C von 400-1800 cm^-1
blau = Strahlung, die von Treibhausgasen absorbiert wird.
gelb = Strahlung, die von den Treibhausgasen durchgelassen wird
(rot = messtechnisch bedingtes Fehlen des Absorptionsspektrums)

Aber: im Bereich von ca. 500-1800 cm^-1 in blau eingezeichnet ist die Summe der Absorption der wichtigen Gase Wasserdampf (H₂O), Kohlendioxid (CO₂) und Ozon (O₃) in der Atmosphäre.

Diese Gase machen sozusagen die Wolle des Pullis aus, in den die Erde gehüllt ist. Hier bleibt die abgestrahlte Wärme gleich wieder hängen. Nur bei bestimmten Energien (gelb) kann die Wärmestrahlung ungebremst durch die Atmosphäre in den Weltraum verschwinden.

Wir sehen hier sehr gut, dass Wasserdampf über einen weiten Bereich des Spektrums absorbiert.
Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas!

In grober Näherung tragen zum natürlichen Treibhauseffekt bei:
60% Wasser
20% Kohlendioxid
Rest: Ozon, Distickstoffmonoxid, Methan, u.a.

Umstritten ist in der Wissenschaft der Beitrag des Wassers zum anthropogenen (= durch den Menschen erzeugten) Treibhauseffekt. Während auf den zahlreichen Umweltkonferenzen zurecht vor allem über Treibhausgase wie Kohlendioxid CO2 und Methan CH4 und ihre Reduktion diskutiert wird, wird oft nicht erwähnt, dass auch Wasser nicht nur beim natürlichen Treibhauseffekt die Hauptrolle spielt, sondern auch beim von uns Menschen gemachten an der zusätzlichen Absorption beteiligt ist. Es geht dabei nicht darum, dass wir riesige Mengen von Wasserdampf in die Luft blasen würden. Vielmehr handelt es sich um einen Sekundäreffekt. D.h.: Wenn sich die mittlere Temperatur der bodennahen Luftschichten (durch Kohlendioxid und Methan) erhöht, erhöht sich auch die Verdunstung. Damit gelangt mehr Wasserdampf in die Luft. Dieser absorbiert nun wiederum selbst. Unsicher allerdings ist, welche Konzentrationen an welchen Orten und in welcher Höhe in der Troposphäre am meisten zum Treibhauseffekt beitragen und wie sich diese Konzentrationen durch die Erderwärmung ändern werden. Derzeitiger Stand (IPCC-Report): Momentan hat sich eine Mehrheit der Forscher auf internationaler Ebene darauf geeinigt, dass der Beitrag des Wasserdampfes an der anthropogenen Erwärmung derzeit mit etwa 50% angenommen wird. Diese Annahmen beruhen auf Modellrechnungen. Dies bedeutet: Die globale Erwärmung, bedingt durch andere Treibhausgase, wird um etwa 50% höher angenommen als dies der Fall wäre, wenn die Wasserdampfverteilung in der Luft gleich bleiben würde. Dies bedeutet aber nicht, dass Wasserdampf tatsächlich eine zusätzliche 50%ige Erwärmung erzeugt, denn diese Berechnung enthält nicht den Einfluß von Wolken.

Wir stellen fest, dass Wasserdampf zu einer positiven Rückkopplung (engl.: Feedback) beim Treibhauseffekt führt. Lösen andere Treibhausgase eine Erwärmung aus, so wird sie durch Wasserdampf verstärkt. Dadurch wird es noch wärmer. Wenn es noch wärmer wird, verdunstet wieder mehr Wasser. Der Wasserdampfgehalt der Luft nimmt zu. Es wird noch wärmer ...

NEIN! SO NICHT!
... denn wir haben in unserem Bild die Wolken vergessen!

Mehr Wasserdampf in der Luft bedeutet auch eine stärkere Entwicklung von Wolken in der Troposphäre. Wolken bestehen zwar auch aus kleinen Wassertröpfchen. Sie absorbieren daher auch die Wärmestrahlung. Aber sie haben auch eine bremsende Wirkung auf die Erderwärmung, denn sie werfen einen Teil des einstrahlenden Sonnenlichtes zurück. Dadurch erreicht es nicht mehr die Erdoberfläche und diese heizt sich weniger stark auf.

Damit wird zwar durch ein positives Feedback des Wasserdampfes die Erderwärmung begünstigt. Gleichzeitig ist aber der Effekt der Wolken (als Summe aus Absorption der Erdstrahlung und Reflexion der Sonnenstrahlung) insgesamt negativ. Die Wolken wirken kühlend.

Eine bessere Darstellung des Geschehens, wenn auch immer noch stark vereinfacht, sähe also so aus:

Eines der Hauptprobleme der Klimaforscher ist heute, dass die Wolkenbildung in Klimamodellen noch nicht realistisch zu berechnen ist. Dies macht eine genaue Vorhersage des Wasserdampfeinflusses auf die zukünftige Erderwärmung, ja, eine Vorhersage der Erwärmung überhaupt, sehr unsicher. Auf diesem Gebiet besteht noch sehr grosser Forschungsbedarf.