Treibhauseffekt

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70 bis 75 % der von der Sonne emittierten kurzwelligen Strah­lung (rot) gelangen durch die Atmosphäre auf die Erdober­fläche, die sich dadurch erwärmt und langwellige Infrarot­strah­lung aussendet (blau), deren Abstrahlung ins All von Treibhaus­gasen behindert wird. Eingezeichnet sind drei Strahlungskurven der Infrarotstrahlung von Körpern zwischen −63 °C und +37 °C (violett, blau, schwarz). Die Grafiken darunter zeigen, welche Treibhausgase welche Teile des Spektrums absorbieren.

Der Treibhauseffekt ist die Wirkung von Treibhausgasen in einer Atmosphäre auf die Temperatur der Planetenoberfläche wie die der Erde. Er bewirkt dort eine Temperaturerhöhung. Der Effekt entsteht dadurch, dass die Atmosphäre weitgehend transparent für die von der Sonne ankommende kurzwellige Strahlung ist, jedoch wenig transparent für die langwellige Infrarotstrahlung, die von der warmen Erdoberfläche und von der erwärmten Luft emittiert wird.

Die Analogie zwischen dem atmosphärischen Treibhauseffekt und einem Gewächshaus besteht in der Gemeinsamkeit, dass Licht nahezu ungehindert in das System eindringt, während die daraus entstehende Wärme das System weniger leicht verlassen kann. Je stärker der Wärmefluss nach draußen gedämmt wird, desto höher steigt im Inneren die Temperatur, bis ein Gleichgewicht zwischen umgewandelter Lichtenergie und Wärmeverlust erreicht wird. Die Mechanismen sind dabei verschieden: Im Gewächshaus kann die vom Boden aufsteigende Warmluft durch die Glaswände nicht nach draußen entweichen. Als Folge steigt die Lufttemperatur so weit an, bis die erwärmten Glaswände die entsprechende Wärmeleistung an die Umgebung abgeben. In der Atmosphäre beruht der Effekt dagegen auf Wärmestrahlung und der Rückstreuung durch Treibhausgase.

Forschungsgeschichte

Entdeckung

Der Treibhauseffekt wurde 1824 von dem französischen Mathematiker und Physiker Joseph Fourier entdeckt, verbunden mit der Annahme, dass die Erdatmosphäre isolierende Eigenschaften besitzt, die einen Teil der einfallenden Wärmestrahlung daran hindert, in den Weltraum reflektiert zu werden.[1] Darauf aufbauend konnte der britische Naturforscher John Tyndall im Jahr 1862 mittels präziser Messungen einige für den Treibhauseffekt verantwortlichen Gase wie Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid identifizieren. Dem schwedischen Physiker und Chemiker Svante Arrhenius (1859–1927) gelang es in einer 1896 veröffentlichten Publikation, den atmosphärischen Treibhauseffekt unter Berücksichtigung der Eis-Albedo-Rückkopplung erstmals quantitativ genauer zu beschreiben.[2] Der erste Nachweis des Anstiegs der atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-Konzentration und damit des anthropogenen Treibhauseffekts gelang 1958 Charles D. Keeling. Auf Keelings Initiative wurde eine Vielzahl von Messstationen für Kohlenstoffdioxid aufgebaut; die bekannteste befindet sich auf dem Mauna Loa auf Hawaii.[3] Neben einem weltweiten Stationsnetz sind mehrere Erdbeobachtungssatelliten in Betrieb oder in Planung, deren Aufgabe unter anderem darin besteht, Daten zu Treibhausgas-Konzentrationen, Strahlungshaushalt oder Wolkenbildung beziehungsweise Aerosolverteilung zu sammeln.[4]

Historischer Verlauf

Seit Beginn des Industriezeitalters wurden durch menschliche Aktivitäten zusätzliche Treibhausgas-Anteile in der Atmosphäre aus Verbrennungsprozessen und der Landwirtschaft freigesetzt: Kohlenstoffdioxid, Methan, Lachgas sowie die indirekt bewirkte Entstehung von troposphärischem Ozon. Dieser Anstieg wird anthropogener Treibhauseffekt genannt und ist der Grund für die seit Beginn des Industriezeitalters auftretende und im bisherigen 21. Jahrhundert weiter zunehmende globale Erwärmung. Mehrere Komponenten des Treibhauseffekts sind inzwischen messtechnisch belegt, wie zum Beispiel die Zunahme des Strahlungsantriebs aufgrund anthropogener Treibhausgas-Emissionen,[5] ebenso wie die bereits 1908 publizierte Annahme, dass sich die Tropopause bei zunehmender CO2-Konzentration nach oben verschiebt.[6] Das gegenwärtige Kohlenstoffdioxid-Level ist das höchste seit mindestens 800.000 Jahren.[7] Paläoklimatologischen Analysen zufolge traten auch während der letzten 14 Millionen Jahre (seit dem Klimaoptimum des Mittleren Miozäns) keine signifikant höheren CO2-Werte auf.[8]

Mögliche Entwicklungen

Die wichtigsten auf der Erde heute für den Treibhauseffekt verantwortlichen Treibhausgase sind Wasserdampf (Anteil 62 %), gefolgt von Kohlenstoffdioxid (Anteil 22 %). Durch die Erderwärmung erhöht sich zudem z. B. durch die Wasserdampf-Rückkopplung oder die Abnahme der CO2-Speicherung im wärmeren Ozean die Konzentration dieser Treibhausgase weiter. Immer wieder wird diskutiert, ob durch diese positiven Rückkopplungen im Klimasystem prinzipiell ein galoppierender Treibhauseffekt in Gang gesetzt werden kann[9], der in der Vergangenheit beispielsweise auch auf dem Planeten Venus stattgefunden haben muss. Selbst ohne eine vollständig destabilisierende Rückkopplung können als Folge der Erwärmung leicht ein oder mehrere Kipppunkte im Erdklimasystem überschritten werden, ab denen sich das Klima auf einen neuen Gleichgewichtszustand einpendelt, mit steigendem Meeresspiegel und einer deutlichen Abnahme der Biodiversität.[10] Eine derartige Entwicklung würde das Bild der Erde gravierend verändern, vor allem durch die damit gekoppelte Verlagerung der Klima- und Vegetationszonen und das weitgehende Abschmelzen des westantarktischen und des grönländischen Eisschilds.[11]

Physikalische Wirkungsweise

Strahlungsbilanz

Sankey-Diagramm der Energiebilanz der Erdatmosphäre: Die wesentlichen Energieströme

Grundlegend für das physikalische Verständnis der Temperatur der Erde ist deren Strahlungsbilanz. Von der Sonne strahlt Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung in Richtung Erde. Davon empfängt die Erde auf der Querschnittsfläche der Tagseite pro Quadratmeter eine Leistung von 1367 Watt – etwa die einer Kochplatte. Die Materie, auf die die Strahlung trifft, reflektiert im Fall der Erde rund 30 % davon direkt zurück. Der restliche absorbierte Teil erwärmt die Materie so weit, bis sie ihrerseits die gleiche Menge an Wärmeleistung abgibt. Global strahlt die Erde etwa die gleiche Leistung elektromagnetischer Energie zurück ins Weltall, die sie auch von der Sonne im Mittel empfängt.

Mittlere Gleichgewichtstemperatur

Man kann die mittlere Gleichgewichtstemperatur, die sich auf der Erde einstellt, zunächst mit der vereinfachten Annahme berechnen, dass es keine Atmosphäre gäbe: Sie würde in diesem Fall im globalen, sowie tages- und jahreszeitlichen Mittel −18 °C betragen. Nur bei dieser mittleren Temperatur ergibt sich ein Gleichgewicht, bei dem im Mittel genauso viel Wärmestrahlung an das −270 °C kalte Weltall abgegeben wird, wie auch Strahlungsenergie der Sonne aufgenommen wird.

Ist eine Atmosphäre vorhanden, muss an ihrer Außenseite ebenfalls die gleiche effektive Temperatur von −18 °C herrschen, damit das Strahlungsgleichgewicht bestehen kann. Vom All aus würden Wärmebilder der Erde diese mittlere Temperatur von −18 °C auch bestätigen. Unterhalb der Atmosphäre auf der Erdoberfläche misst man jedoch eine deutlich höhere mittlere Temperatur von +14 °C.[12] Die Differenz von 32 °C wird dem Treibhauseffekt zugeschrieben.

Vergleich mit anderen Planeten

Vergleiche mit anderen Planeten oder Rechnungen zu idealisierten Planetenmodellen verdeutlichen die Auswirkungen des Treibhauseffekts.

Ein Beispiel ganz ohne Atmosphäre findet man beim Mond. Er bekommt pro Fläche die gleiche Strahlungsleistung wie die Erde ab und hat eine mittlere Oberflächentemperatur von −55 °C. Sie ist niedriger als die zu erwartenden −18 °C der Erde, da der Mond auf der Schattenseite einen halben Monat lang Wärme abstrahlen kann, während die Temperatur auf der Sonnenseite in Sättigung geht.[13]

Ein gewaltiger Unterschied findet sich bei unserem Nachbarplaneten Venus: Statt der berechneten –46 °C des Strahlungsgleichgewichts wurden tatsächlich im Mittel 464 °C unter der dichten und fast reinen CO2-Atmosphäre auf der Planetenoberfläche gemessen.[14] Die Ursache ist hier sehr deutlich: Der Treibhauseffekt.

Spektren emittierter Strahlung

Die häufigsten Wellenlängen der Photonen des Sonnenlichtes liegen um 500 nm. Das entspricht grünem Licht, wobei die Summe aller sichtbaren Sonnenstrahlen als weißes Licht empfunden wird. Aus diesem Strahlungsmaximum kann man auf die Oberflächentemperatur der Sonne rückschließen: etwa 5600 °C oder 5900 K. Ähnliches gilt für Wärmestrahlung, die bei irdischen Temperaturen in Form von elektromagnetischen Wellen von erwärmten Gegenständen abgestrahlt wird und deren häufigste Wellenlänge bei etwa 10.000 nm liegt (Infrarotstrahlung). Den entscheidenden Zusammenhang beschreibt das Wiensche Verschiebungsgesetz: Je geringer die Temperatur eines Strahlers, desto größer ist die Wellenlänge der von ihm emittierten Strahlung. Unterhalb des Maximums ist das Spektrum zu langen Wellen hin flach auslaufend, so dass auch Sonnenlicht zur Hälfte aus Infrarotstrahlung besteht.

Mechanismus des Treibhauseffekts

Im Spektralbereich des sichtbaren Sonnenlichts absorbiert die Lufthülle der Erde (so wie auch Glasscheiben eines Treibhauses) nur wenig Strahlung – man spricht von hoher Transparenz. Die Strahlung kann also fast ungehindert in das Treibhaus eindringen. Nur der Infrarotanteil kann Teile der Atmosphäre direkt erwärmen. Die Materie innerhalb des Treibhauses, also im Wesentlichen die Erdoberfläche, absorbiert einen Großteil der Photonen und erwärmt sich dadurch. Die Wärme wird von dort direkt oder durch die erwärmte Luft indirekt wieder nach oben elektromagnetisch abgestrahlt.

Nachdem die vom Erdboden zurück gestrahlte Energie zum größten Teil nur noch aus Infrarotstrahlung besteht, macht sich der Treibhauseffekt bemerkbar: Für die Infrarotstrahlung ist aufgrund der Treibhausgase die Atmosphäre weniger durchlässig. Ähnliches gilt im Analogon des Glasdaches, das sowohl Wärmestrahlung als auch aufsteigende Warmluft aufhält. In der Atmosphäre spielen die Treibhausgase die entscheidende Rolle. Sie haben die Eigenschaft, aufgrund einer Asymmetrie der Ladungsverteilung sehr effizient vom elektromagnetischen Feld Energie der Wärmestrahlung aufzunehmen. Die Energie wird zur Anregung innerer Vibrationen verwendet, bei der negative und positive Ladungen gegeneinander schwingen oder umeinander rotieren. Die einzelnen Moleküle vermitteln damit einen beidseitigen Energie-Austausch zwischen der Wärmestrahlung und den umgebenden Gasen. Netto wird dabei Energie von der Erdoberfläche an das Treibhausgas und schließlich an das Weltall transportiert. Die thermischen Fluktuationen, die Energie auch entgegen dem Temperaturgradient in Richtung Erde abstrahlen, reduzieren dadurch die effektive Kühlleistung der Oberfläche, was eine höhere Gleichgewichtstemperatur zur Folge hat.

Treibhausgase

Kurzwellige Strahlung der Sonne trifft auf die Atmosphäre und Erdoberfläche. Langwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche abgestrahlt und in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Im thermischen Gleichgewicht wird die absorbierte Energie der Atmosphäre je zur Hälfte in Richtung Erde und Weltall abgestrahlt. Die Zahlen geben die Leistung der Strahlung in Watt/Quadratmeter für den Zeitraum 2000–2004 an. Die Erde befindet sich aktuell nicht im thermischen Gleichgewicht. Sie heizt sich auf durch die infolge menschlicher Aktivität erhöhte Konzentration von Treibhausgasen. Der Einstrahlung in Höhe von 341,3 W/m² steht eine Abstrahlung von 340,4 W/m² gegenüber. Die Darstellung ist ein Sankey-Diagramm.
Durchlässigkeit der Atmosphäre für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen. Der gelbe Bereich heißt Atmosphärisches Fenster; dort ist die Atmosphäre durch­lässig für elektromagnetische Wellen des Infrarot-Bereiches.

In der Erdatmosphäre bewirken Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon seit Bestehen der Erde einen Treibhauseffekt, der entscheidenden Einfluss auf die Klimageschichte der Vergangenheit und das heutige Klima hat. Die Treibhausgase sind durchgängig für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung, langwellige Wärmestrahlung wird hingegen je nach Treibhausgas in unterschiedlichen Wellenlängen absorbiert und emittiert.

Moleküle eines Treibhausgases zeichnen sich physikalisch durch eine bestimmte Asymmetrie aus. Dabei muss der Schwerpunkt aller positiven Ladungen von dem der negativen Ladungen etwas entfernt liegen, was einem Dipolmoment entspricht. Dadurch kann ein äußeres elektrisches Wechselfeld Teile des Moleküls in entgegengesetzte Richtungen periodisch auslenken und so zum Schwingen anregen. Die Amplitude dieser Schwingung wird besonders stark, wenn die Resonanzfrequenz gut mit der Anregungsfrequenz übereinstimmt, was bei Treibhausgasen und der Wärmestrahlung der Fall ist. Die Molekülschwingung nimmt dabei Energie auf und strahlt sie in verschiedene Richtungen wieder ab, zum Teil zurück in Richtung Erde. Symmetrische Moleküle wie O2 und N2 besitzen kein solches Dipolmoment und sind daher für die Wärmestrahlung nahezu vollständig transparent.

Der größte Teil des Treibhauseffekts wird mit einem Anteil von ca. 36–70 % (ohne Berücksichtigung der Effekte der Wolken) durch Wasserdampf in der Atmosphäre verursacht. Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre trägt ca. 9–26 % zum Treibhauseffekt bei, Methan ca. 4–9 % und troposphärisches Ozon ca. 3–7 %.[15][16] Die Klimawirkung von Ozon unterscheidet sich stark zwischen stratosphärischem Ozon und troposphärischem Ozon. Stratosphärisches Ozon absorbiert den kurzwelligen UV-Anteil im einfallenden Sonnenlicht und hat so einen kühlenden Effekt (bezogen auf die Erdoberfläche). Troposphärisches Ozon entsteht aus den Produkten anthropogener Verbrennungsprozesse und hat, ähnlich wie andere Treibhausgase, aufgrund seiner IR-Absorption einen erwärmenden Effekt.

Ein exakter prozentualer Wirkungsanteil der einzelnen Treibhausgase auf den Treibhauseffekt kann nicht angegeben werden, da der Einfluss der einzelnen Gase je nach Breitengrad und Vermischung variiert (die jeweils höheren Prozentwerte geben den ungefähren Anteil des Gases selbst an, die niedrigeren Werte ergeben sich aus den Mischungen der Gase).[15]

Bei der großen Masse der Erde spielt die Wärmespeicherung eine erhebliche Rolle, was daran zu erkennen ist, dass auf der Erde die wärmste Zeit im Sommer erst nach dem Sonnenhöchststand (der "Sonnenwende") eintritt. Der Sonnenhöchststand ist auf der Nordhalbkugel am 21. Juni, auf der Südhalbkugel am 21. Dezember. Wegen dieser großen Speicherwirkung wird bei den Energiebilanzen in der Atmosphäre immer mit dem Mittelwert über die ganze Erdoberfläche gerechnet.

Energiebilanz

Angetrieben werden die Wärmevorgänge an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre von der Sonne. Die Stärke der Solarstrahlung in der Erdbahn wird als Solarkonstante bezeichnet und hat etwa einen Wert von 1367 W/m². Je nach Erdentfernung und Sonnenaktivität schwankt dieser zwischen 1325 W/m² und 1420 W/m²; in der Grafik rechts wurde mit einer Solarkonstanten von 1365,2 W/m² gerechnet.

Sogenannte Energiebilanzen werden mit einem Mittelwert der Einstrahlung auf die Erdoberfläche gerechnet: Die Erde erhält Solarstrahlung auf der Fläche des Erdquerschnitts und hat eine Oberfläche von . Diese beiden Flächen haben ein Verhältnis von 1:4, d. h. gemittelt über die ganze Erdkugel erreicht eine Strahlung von 341,3 W/m² die Oberfläche. Durch Wolken, Luft und Boden (vor allem Eis und Schnee, siehe Albedo) wird ein Anteil von etwa 30 % der eingestrahlten Sonnenenergie wieder in den Weltraum reflektiert – das sind etwa 102 W/m². Die restlichen 70 % werden absorbiert (78 W/m² von der Atmosphäre, 161 W/m² vom Boden) – das sind zusammen 239 W/m². Würde der Erdboden nur von einer Strahlung in Höhe von 239 W/m² bestrahlt, so würde die Erdoberfläche im Mittel eine Temperatur von etwa −18 °C annehmen, wenn sich die Wärme gleichmäßig über die Erde verteilen würde.

Denn nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz gilt:

,

mit  Leistung,  Fläche, Stefan-Boltzmann-Konstante. Die Erde hat eine Albedo von 0,3, d. h. 30 % der einfallenden Strahlung wird reflektiert. Die wirksame Strahlung ist also und die Gleichung für das Strahlungsgleichgewicht der Erde ohne Atmosphäre wird zu:

.

Umgestellt nach ergibt sich

und mit den Parametern des Planeten Erde:

.

Aber es gibt eine weitere Bestrahlung durch die aufgeheizten Treibhausgase mit 333 W/m², die so genannte atmosphärische Gegenstrahlung. Damit absorbiert die Erdoberfläche insgesamt 161 W/m²+333 W/m²=494 W/m² – und die werden bei der tatsächlichen mittleren Erdoberflächentemperatur von +14 °C auf mehreren Wegen abgegeben. Ein Teil davon wird durch Strahlung abgegeben, das wird wieder durch das plancksche Strahlungsgesetz beschrieben.

Die von der Erdoberfläche abgestrahlte Energie hat eine andere Spektral-(Farb)verteilung als das einfallende Sonnenlicht, das eine Spektralverteilung entsprechend einer Farbtemperatur von etwa 6000 K hat und von den atmosphärischen Gasen kaum absorbiert wird. Die Spektralverteilung der von der Erdoberfläche abgestrahlten Energie wird durch die +14 °C der Erdoberfläche bestimmt, so dass nur etwa 40 W/m² direkt von der Erdoberfläche in den Weltraum gestrahlt werden. Die restlichen 199 W/m² werden teilweise durch Strahlung an die für diesen Wellenlängenanteil undurchsichtige Atmosphäre (verursacht durch die Treibhausgase) durch Emission abgegeben; durch Konvektion werden 17 W/m² in obere Luftschichten verbracht, wo diese Energie dann abgestrahlt wird; durch Evapotranspiration werden 80 W/m² abgegeben. Die Atmosphäre hat zwei Oberflächen: eine zum Weltraum hin und eine zur Erde hin. Die Abstrahlung aus der Atmosphäre ist auf jeder Seite gleich groß, wenn die Temperatur der Erde konstant ist. Eine Energie von 338 W/m² wird also auf jeder Seite der Atmosphäre zur Hälfte – also jeweils 169 W/m² abgestrahlt. Zum Vergleich: Ein schwarzer Körper mit einer Abstrahlung von 150 W/m² hat etwa eine Temperatur von −40 °C. Ist die Abstrahlung in eine Richtung größer als in der anderen, kommt es zur Erwärmung bzw. Abkühlung der Erde. Der Unterschied ist der Strahlungsantrieb. Mit dieser Größe kann einfach die aus der geänderten Bilanz resultierende, neue Gleichgewichtstemperatur der Erde errechnet werden.

Wasserdampf-Verteilung in der Erdatmosphäre. Angabe der Höhe der Wassersäule bei Kondensation in Zentimeter

Durch die Abstrahlung in den Weltraum von der Atmosphäre mit 169 W/m², die Abstrahlung der Wolken mit 30 W/m², den 40 W/m² von der Erdoberfläche und dem Albedo-Anteil von 102 W/m² ist das etwa gleich der mittleren Einstrahlung von 342 W/m², d. h., Einstrahlung ist etwa gleich Ausstrahlung. Das zeigt sich auch in der Tatsache, dass sich die Temperatur der Erde nur langsam ändert – woraus zwingend folgt, dass die Erde die absorbierte Sonnenenergie wieder abgibt – aber wegen der niedrigen Erdtemperatur wird die Energie hauptsächlich als langwellige Infrarotstrahlung emittiert (wiensches Verschiebungsgesetz).

Der Wärmestrom aus dem Erdmantel spielt praktisch keine Rolle. Er beträgt etwa 0,06 W/m².

Der Wärmestrom (Leistung) aus vom Menschen verfeuerten Brennstoffen ist noch geringer und liegt bei 0,026 Watt pro Quadratmeter. Er errechnet sich aus dem Weltenergieverbrauch (im Jahr 2004) in Höhe von 432 Exajoule und der Größe der Erdoberfläche von rund 510 Millionen km².[17]

Zusammengefasst ergibt sich: Die Rückstrahlung aus der Atmosphäre zur Erde führt zur zusätzlichen Erwärmung der Erdoberfläche. Dies erklärt die durchschnittlich gemessene globale Temperatur von 14 °C statt der theoretisch berechneten Gleichgewichtstemperatur ohne Atmosphäre von −18 °C.

Atmosphäre
Restanteil
Treibhaus-
effekt
wie bisher 100 %
ohne H2O, CO2, O3 050 %
ohne H2O 064 %
ohne Wolken 086 %
ohne CO2 088 %
ohne O3 097 %
ohne alle Treibhausgase 000 %
Quelle: Ramanathan and Coakley (1978)[18] s. a.[19]

Wichtig ist auch die Höhenverteilung, von wo die Wärmestrahlung die Erdoberfläche erreicht. Für den Treibhauseffekt direkt bedeutsam ist nur der Anteil der Abstrahlung aus niedrigen Höhen, weil nur diese Abstrahlung den Erdboden erreicht, ohne vorher von den Treibhausgasen wieder absorbiert zu werden (siehe nächster Absatz). Dabei ist das „niedrig“ sehr wellenlängenabhängig, denn die Länge, nach der die Strahlung wieder absorbiert wird (Absorptionslänge) ist wellenlängen- und konzentrationsabhängig. Ist die Absorptionslänge größer als die Atmosphärendicke, so ist die Atmosphäre bei diesen Wellenlängen fast durchsichtig. Da die Stärke einer Strahlung von der Temperatur der Quelle abhängig ist, steigt die Strahlstärke, wenn die Absorptionslänge kürzer wird: wegen der Temperaturabnahme mit der Höhe steigt die mittlere Temperatur über der kürzeren Absorptionslänge. Damit kann die atmosphärische Gegenstrahlung in einem Wellenlängenbereich bei zunehmenden Treibhausgasmengen auch dann noch stärker werden, wenn die Atmosphäre in diesem Wellenlängenbereich bereits so gut wie undurchsichtig ist.

Der Temperaturverlauf bis zu einer Höhe von ca. 11 km ist dabei praktisch nur adiabatisch bedingt, die durch die Abstrahlung der Treibhausgase verlorengehende Energie wird durch Konvektion und Strahlungsabsorption ersetzt. Dabei kommt die absorbierte Strahlung von verschiedenen Quellen:

  • Solarstrahlung (sehr geringer Anteil)
  • Abstrahlung von der Erdoberfläche
  • Abstrahlung aus tieferliegenden Schichten
  • Abstrahlung aus höherliegenden Schichten

Der Anteil an dem Aussenden von langwelliger Wärmestrahlung durch Treibhausgase wie

und anderen Gasen wird trockener Treibhauseffekt genannt. Die Einbeziehung von Wasserdampf führt zum feuchten Treibhauseffekt. Etwa 62 % des Treibhauseffekts werden durch Wasserdampf verursacht, etwa 22 % durch Kohlenstoffdioxid.

Bei der vollständigen Verbrennung von (anthropogenen) Kohlenwasserstoffen der Summenformel CxHy entstehen x Moleküle CO2 und y/2 Moleküle H2O, wobei beiderlei Moleküle zum globalen Treibhauseffekt beitragen.

Temperaturverlauf der Atmosphäre als Funktion der Druck­höhe (Erdoberfläche = 1,013 bar) – die Tropopause wird am besten mit einem Isentropenexponenten von 0,19 angenähert.

Interessant ist der Temperaturverlauf als Funktion der Druckhöhe (an der Erdoberfläche ist der höchste Druck 1,013 bar). Nach oben nimmt der Druck ab, weil die Gasmasse geringer wird. Gleichen Druckänderungen entsprechen gleiche Anzahl von Gasteilchen. In der Troposphäre wird der Temperaturverlauf am besten durch eine Adiabate mit dem Exponenten 0,19 beschrieben. Oberhalb der Troposphäre ist die Gasmasse gering und es liegt kein adiabatischer Verlauf mehr vor. Die Spitze der Realatmosphäre bei niedrigen Drücken wird durch die UV-Absorption des Sauerstoffs (Ozon-Bildung und -Zerfall) verursacht. Durch die Krümmung der Kurve in der Troposphäre ist auch die Existenz der Troposphäre erklärlich: Wäre die Kurve eine Gerade, so wäre im Mittel die von den Treibhausgasen absorbierte Energie gleich der emittierten Energie – wegen der Krümmung und ihrer Art ist aber die emittierte Energie größer als die absorbierte Energie, die Luft wird also gekühlt und sinkt nach unten. Dadurch wird eine Vertikalzirkulation in Gang gesetzt, die nach den Gasgesetzen mit konstantem Wärmeinhalt (der Strahlungsverlust ist klein zum Wärmeinhalt) zum adiabatischen Verlauf führt.

Die Bedeutung des globalen Treibhauseffektes kann man somit auch an den extrem unterschiedlichen Oberflächentemperaturen der Planeten Venus, Erde und Mars erkennen. Diese Temperaturunterschiede hängen nicht nur von der Entfernung zur Sonne ab, sondern vor allem von den (aufgrund verschiedener Ursachen) unterschiedlichen Atmosphären.

Anthropogener Treibhauseffekt

Funktionsweise des Treibhauseffekts. Erklärvideo von Terra X

Als anthropogener Treibhauseffekt wird die Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts durch menschliche Aktivitäten bezeichnet. Dieser resultiert vor allem aus der Freisetzung verschiedener Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), Lachgas (N2O) und troposphärischem Ozon (O3). Seine Folge ist die Globale Erwärmung, d. h. ein Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur seit Beginn der Industrialisierung, bzw. besonders stark in den letzten 30 Jahren, um ca. 1 Grad Celsius. Dieser Effekt ist inzwischen nicht nur theoretisch verstanden, sondern kann z. B. mit Satelliten gemessen werden, die die Energieeinstrahlung auf die Erde und die Energieabstrahlung der Erde aufzeichnen.[20][5] Dabei zeigen Satellitendaten, dass die Wärmeabstrahlung von der Erde in das Weltall mit steigender Konzentration von Treibhausgasen zurückgeht, so wie es bei einer erhöhten Treibhausgas-Konzentration erwartet wird. Der Rückgang findet dabei im Wellenlängenbereich von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon statt, deren atmosphärischer Anteil durch anthropogene Emissionen zunimmt.[21]

CO2-Konzentration der Atmosphäre: Dargestellt sind die letz­ten 100 Mio. Jahre sowie eine Prognose der nächsten 300 Jahre.
Temperaturrekonstruktionen sowie instrumentell gemessene Temperaturen für die letzten 2000 Jahre.

Geschwindigkeit

Im Gegensatz zu den auf geologischen Zeitskalen stattfindenden natürlichen Klimaveränderungen läuft der anthropogene Klimawandel in extrem kurzer Zeit ab. Neueren Studien zufolge vollzieht sich die gegenwärtig zu beobachtende Freisetzung von Kohlendioxid rascher als in allen bekannten Erwärmungsphasen der letzten 66 Millionen Jahre.[22] Das gleiche gilt für die gegenwärtig beobachtete Rate der Temperaturveränderung.[23] Die globale Erwärmung von der letzten Eiszeit zur heutigen Warmzeit war eine Erwärmung um etwa ein Grad pro 1000 Jahre.[24] Die Erhöhung der Treibhausgaskonzentration in den letzten 100 Jahren führte zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um ca. 0,85 Grad. Die bei einem „business as usual“-Szenario (repräsentativer Konzentrationspfad RCP 8.5) wahrscheinlichste zukünftige Temperaturerhöhung von ca. 5 °C bis 2100 würde sogar mit einer Geschwindigkeit von 5 °C/100 Jahre ablaufen.[23]

Mechanismus

Netto-Wärmeabstrahlung von der Erde ins All erfolgt nur zu einem kleineren Teil aus bodennahen Atmosphärenschichten, denn in unteren Luftschichten wird Infrarotstrahlung meist von darüber liegenden Luftschichten wieder absorbiert. Sie erfolgt auch nicht in einem eng umgrenzten Gebiet, sondern in einem Bereich, der von bodennahen Gebieten bis in eine Höhe von ca. 15 km reicht und im Mittel aus einer Höhe von 5,5 km.[25] Die Strahlungsgleichgewichtstemperatur der Erdoberfläche läge ohne Atmosphäre bei −18 °C. Aus Gründen der Thermodynamik sinkt die Temperatur in der Atmosphäre um 6,5 K/km, wenn man sich nach oben bewegt. Eine Vergrößerung der Treibhausgaskonzentration bewirkt, dass die Schicht, in der die −18 °C Strahlungsgleichgewichtstemperatur herrscht, nach oben wandert. Pro Kilometer Anstieg der Schicht, in der Strahlungsgleichgewicht herrscht, erhöht sich die Temperatur an der Erdoberfläche ebenfalls um 6,5 °C.[26] Bereits 1901 postulierte Nils Ekholm den Anstieg der Tropopause: „Strahlung von der Erde ins All geht nicht direkt vom Boden dorthin, sondern von einer Schicht, die sich in beträchtlicher Höhe über dem Boden befindet. Diese Schicht liegt umso höher, je stärker die Kraft ist, mit der Luft die vom Boden emittierte Strahlung absorbieren kann. Mit steigender Höhe sinkt jedoch die Temperatur dieser Schicht. Da kältere Luft weniger Wärme abstrahlen kann, erwärmt sich der Boden umso mehr, je höher sich diese abstrahlende Schicht befindet.“[27][28] Der britische Meteorologe Ernest Gold publizierte im Jahr 1908, dass zu erwarten sei, dass die Tropopause mit wachsender CO2-Konzentration durch den dadurch verstärkten Treibhauseffekt höher steigt.[29] Dies konnte Anfang des 21. Jahrhunderts messtechnisch bestätigt werden.[6] Entgegen mancher Darstellung in den Medien lässt sich der Treibhauseffekt nicht sättigen,[27][28] weil die Wärmestrahlung beliebig oft absorbiert und re-emittiert werden kann; jede zusätzliche Absorption erhöht den Wärmedurchgangswiderstand. Wie bereits beschrieben, erfolgt die Abstrahlung zu großen Teilen nicht bodennah, sondern in mehreren tausend Metern Höhe. Dort ist es erheblich kälter als in Bodennähe. Der Wasserdampfgehalt von Luft ist stark temperaturabhängig, so dass kalte Luft erheblich weniger von diesem Treibhausgas enthalten kann als warme Luft. Eine Erhöhung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid wirkt sich stärker aus, als es Messungen auf Meereshöhe vermuten lassen, denn dort, wo die Energieabstrahlung der Erde ins All hauptsächlich stattfindet, befindet sich kaum Wasserdampf. Die Wirkung des Treibhauseffektes durch Änderung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid würde daher selbst dann zunehmen, wenn auf Meereshöhe keinerlei Absorptionsänderung messbar wäre.[27][30]

Bereits im Jahr 1856 untersuchte Eunice Foote die Treibhauswirkung verschiedener Gase. Foote durfte – als Frau – ihre Ergebnisse nicht selbst bei der "American Association for the Advancement of Science" vortragen[31], es gelang ihr aber die Publikation ihrer Forschung im Wissenschaftsjournal „The American Journal of Science and Arts[32]. Foote schloss aus ihren Daten: „Wenn, wie manche annehmen, irgendwann in der Geschichte der Erde der Luft ein größerer Anteil davon [von Kohlendioxid] beigemischt war als heute, dann hätte sich daraus zwangsläufig eine erhöhte Temperatur ergeben müssen.“[31]

Kritik und Missverständnisse

Die Ergebnisse der Klimaforschung zum anthropogenen Treibhauseffekt und zur globalen Erwärmung können von Einzelpersonen und Laien kaum überprüft werden und wirken daher abstrakt. Gleichzeitig basiert der Effekt in der Atmosphäre trotz des anschaulichen Analogons zum Glashaus auf ebenfalls abstrakten physikalischen Vorgängen, die aus der Alltagserfahrung nicht bekannt sind. Der vermeintlich gesunde Menschenverstand kann hier täuschen und verführt manche Menschen zur Skepsis oder gar zur Leugnung weltweit anerkannter Forschungsergebnisse (siehe auch Klimaleugnung).

Die Kritik fußt meist auf Missverständnissen und Fehleinschätzungen. Z. B. wird aus der sehr niedrigen Konzentration des CO2 in der Atmosphäre irrtümlich auf eine schwache Wirkung geschlossen.[33] Dabei ist allein die Gesamtmenge der in der Atmosphäre vorhandenen CO2-Moleküle für die Rückstreuung entscheidend, während neutrale Gase von der Strahlung nahezu ungehindert wie Vakuum durchdrungen werden. Ohne die anderen Gase entspräche das reine CO2 der Atmosphäre unter Normaldruck einer 3 Meter dicken Schicht, wobei davon ein Meter seit der Industrialisierung hinzukam.[34] Das CO2 wird zwar in der Durchmischung mit den neutralen Gasen auch thermisch durch Stöße beeinflusst, jedoch kann pro Zeiteinheit nur eine begrenzte Zahl von Stößen stattfinden, so dass die resultierende Kühlleistung der Umgebungsluft mit zunehmender Verdünnung nicht beliebig ansteigt.

Einige Skeptiker des Treibhauseffekts argumentieren, dass Treibhausgase, die in Richtung der Erdoberfläche Wärme abstrahlen (169 W/m²), Energie von einem kühleren Körper (etwa −40 °C) zu einem wärmeren Körper (Erdoberfläche etwa +14 °C) leiten würden, was angeblich dem II. Hauptsatz der Thermodynamik widerspräche.[35][36] Tatsächlich fließt aber auch bei einer erhöhten Treibhaustemperatur insgesamt mehr Energie von der erwärmten Erdoberfläche zum kühleren Treibhausgas. Der thermische Strahlungsaustausch mittels Infrarot-Photonen erfolgt jedoch grundsätzlich in beide Richtungen. Das wird aus der physikalischen Deutung der Temperatur ersichtlich, die in einem System beschreibt, welche Energie seine Freiheitsgrade im Mittel aufnehmen. Beim Molekül sind das die Vibrationsanregungen und Geschwindigkeitskomponenten. Diese Energie ist jedoch selbst bei einer ausgeglichenen Temperatur mikroskopisch gesehen nicht gleichverteilt, sondern überlagert sich ständig zu zufälligen Fluktuationen gemäß der Boltzmann-Statistik. Wendet man den Temperaturbegriff auf einzelne Moleküle an, so findet man eine ganz bestimmte Menge Moleküle, die selbst im kalten Treibhausgas wärmer gegenüber der Erdoberfläche sind. Diese geben ihre Wärmeenergie mit einer bestimmen Wahrscheinlichkeit an die kälteren Atome der Erdoberfläche weiter, so dass ein Energiestrom von 169 W/m² zustande kommt. Der umgekehrte Fall ist jedoch viel häufiger, so dass gemäß dem II. Hauptsatz der Thermodynamik netto mehr Energie von der warmen Erdoberfläche zu den kälteren Treibhausgasen transportiert wird. Gegenüber dem vollen Temperaturgefälle zum −270 °C kalten Weltall ist durch das Treibhausgas die effektive Kühlleistung deutlich reduziert, so dass sich im Gleichgewicht eine erhöhte Temperatur im Treibhaus Erde einstellt.[37][38]

Treibhauseffekt im Glashaus

→ Hauptartikel: Glashauseffekt

Im Treibhaus können in gemäßigten Breiten tropische Pflanzen gedeihen.

Seit mehr als 100 Jahren ist bekannt, dass die Erwärmung eines Treibhauses zum größten Teil nicht daraus resultiert, dass wie beim atmosphärischen Treibhauseffekt die Wärmestrahlung schlechter hinaus dringt als die Sonnenstrahlung hinein. Hinter Glas geschieht Folgendes: Die Stoffe im Raum absorbieren die Sonneneinstrahlung und heizen sich und in Folge auch die Innenraumluft über das Niveau der Umgebungstemperatur auf. Durch das Glas wird eine Abkühlung durch Unterbindung der Konvektion verhindert. Um beide Effekte voneinander abzugrenzen, wird der Effekt im Treibhaus mitunter als Glashauseffekt bezeichnet. Im englischen Sprachraum sowie in der internationalen Fachliteratur wird durchgehend der Begriff Greenhouse effect verwendet, allerdings fast immer in Bezug auf den atmosphärischen Treibhauseffekt.

Neben der Nutzung des Effekts in Unterglaskulturen und Treibhäusern wird über die passive Sonnennutzung auch in der Architektur Heizenergie eingespart. Durch eine Südausrichtung großer Glasfronten und Wintergärten wird die Baumasse des Gebäudes durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Insbesondere bei gut gedämmten Niedrigenergie- und Passivhäusern ist mittags sogar eine Verschattung der Glasflächen nötig, damit die Gebäude nicht überhitzen. Auch in einem in der Sonne geparkten Auto tritt diese Wirkung auf.

Literatur

Weblinks

Commons: Treibhauseffekt – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Treibhauseffekt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Vorträge (Youtube, englisch)

Einzelnachweise

  1. J. B. J. Fourier: Remarques Générales Sur Les Températures, in: Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires. In: Burgess (Hrsg.): Annales de Chimie et de Physique. Band 27, 1824, S. 136–167.
  2. Svante Arrhenius: On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground. In: Philosophical Magazine and Journal of Science. 41, Nr. 251, April 1896, S. 237–276.
  3. Tagesaktuelle und historische CO2-Werte (Mauna-Loa-Observatorium, Hawaii).
  4. Cristen Adams, Céline Boisvenue, Adam Bourassa, Ryan Cooney, Doug Degenstein, Guillaume Drolet, Louis Garand, Ralph Girard, Markey Johnson, Dylan B.A. Jones, Felicia Kolonjari, Bruce Kuwahara, Randall V. Martin, Charles E. Miller, Norman O’Neill, Aku Riihelä, Sébastien Roche, Stanley P. Sander, William R. Simpson, Gurpreet Singh, Kimberly Strong, Alexander P. Trishchenko, Helena van Mierlo, Zahra Vaziri Zanjani, Kaley A. Walker. Debra Wunch: The Atmospheric Imaging Mission for Northern Regions: AIM-North. In: Canadian Journal of Remote Sensing. 45, Nr. 3–4, September 2019, S. 423–442.
  5. a b D. R. Feldman, W. D. Collins, P. J. Gero, M. S. Torn, E. J. Mlawer, T. R. Shippert: Observational determination of surface radiative forcing by CO2 from 2000 to 2010. (PDF) In: Nature. 519, Februar 2015, S. 339–343. doi:10.1038/nature14240.
  6. a b B. D. Santer, M. F. Wehner, T. M. L. Wigley, R. Sausen, G. A. Meehl, K. E. Taylor, C. Ammann, J. Arblaster, W. M. Washington, J. S. Boyle, W. Brüggemann: Contributions of Anthropogenic and Natural Forcing to Recent Tropopause Height Changes. (PDF) In: Science. 301, Nr. 5632, Juli 2003, S. 479–483. doi:10.1126/science.1084123.
  7. Animation von CIRES/NOAAː Darstellung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Atmosphäre anhand verschiedener Zeitskalen.
  8. Yi Ge Zhang, Mark Pagani, Zhonghui Liu, Steven M. Bohaty, Robert DeConto: A 40-million-year history of atmospheric CO2. (PDF) In: The Royal Society (Philosophical Transactions A). 371, Nr. 2001, September 2013. doi:10.1098/rsta.2013.0096.
  9. Leconte, J., Forget, F., Charnay, B. et al.: Increased insolation threshold for runaway greenhouse processes on Earth-like planets. In: Nature. Band 504, 268–271, 2013, doi:10.1038/nature12827. In dieser Veröffentlichung wird argumentiert, dass die Schwelle für einen solchen Effekt auf der Erde nicht erreicht wird.
  10. David L. Kidder, Thomas R. Worsley: A human-induced hothouse climate?. (PDF) In: GSA Today (The Geological Society of America). 22, Nr. 2, Februar 2012, S. 4–11. doi:10.1130/G131A.1.
  11. Peter U. Clark, Jeremy D. Shakun, Shaun A. Marcott, Alan C. Mix, Michael Eby, Scott Kulp, Anders Levermann, Glenn A. Milne, Patrik L. Pfister, Benjamin D. Santer, Daniel P. Schrag, Susan Solomon, Thomas F. Stocker, Benjamin H. Strauss, Andrew J. Weaver, Ricarda Winkelmann, David Archer, Edouard Bard, Aaron Goldner, Kurt Lambeck, Raymond T. Pierrehumbert, Gian-Kasper Plattner: Consequences of twenty-first-century policy for multi-millennial climate and sea-level change. (PDF) In: Nature Climate Change. 6, April 2016, S. 360–369. doi:10.1038/nclimate2923.
  12. P. D. Jones, M. New, D. E. Parker, S. Martin, I. G. Rigor: Surface air temperature and its changes over the past 150 years. In: Reviews of Geophysics. Band 37, Nr. 2, 1999, S. 173–199, doi:10.1029/1999RG900002 (Online, PDF).
  13. Eine schnelle Rotation kann die eingestrahlte Leistung für beide Seiten höchstens effektiv halbieren, während eine lange einseitige Bestrahlung mit der vollen Leistung wegen dem Strahlungsgesetz der vierten Potenz der Temperatur nur eine geringfügig höhere Temperatur benötigt, um diese wieder abzustrahlen, was einen kleineren Durchschnitt mit der Nachtseite ergibt. Nähere Erläuterung siehe z. B. The Faster a Planet Rotates, the Warmer its Average Temperature, Roy W. Spencer, 28. September 2016
  14. NASA, Venus Fact Sheet. 23. Dezember 2016.
  15. a b J. T. Kiehl, Kevin E. Trenberth: Earth's Annual Global Mean Energy Budget. In: Bulletin of the American Meteorological Society. Band 78, Nr. 2, Februar 1997, ISSN 1520-0477, S. 197–208, doi:10.1175/1520-0477(1997)078<0197:EAGMEB>2.0.CO;2, bibcode:1997BAMS...78..197K.
  16. Water vapour: feedback or forcing? RealClimate, 6. April 2005, abgerufen am 1. Mai 2006.
  17. N. Nakicenovic, A. Grübler, A. McDonald: Global Energy Perspectives. Cambridge University Press, New York 1998.
  18. Veerabhadran Ramanathan, J. A. Coakley: Relative contributions of H20, CO2 and 03 to the greenhouse effect. In: Rev. Geophys and Space Phys. Band 16, 1978, S. 465.
  19. RealClimate.org
  20. Der Klimawandel ist keine Glaubenssache. Universität Hamburg. Abgerufen am 28. September 2019.
  21. John E. Harries et al.: Increases in greenhouse forcing inferred from the outgoing longwave radiation spectra of the Earth in 1970 and 1997. In: Nature. Band 410, 2001, S. 355–357, doi:10.1038/35066553.
  22. Richard E. Zeebe, Andy Ridgwell, James C. Zachos: Anthropogenic carbon release rate unprecedented during the past 66 million years. In: Nature Geoscience. Band 9, Nr. 4, April 2016, S. 325–329, doi:10.1038/ngeo2681 (englisch, nature.com).
  23. a b Noah S. Diffenbaugh, Christopher B. Field: Changes in Ecologically Critical Terrestrial Climate Conditions. In: Science. Band 341, Nr. 6145, August 2013, S. 486–492, doi:10.1126/science.1237123 (englisch, sciencemag.org).
  24. J. Legett: Dangerous Fiction, Review of Michael Crichton's State of Fear. In: New Scientist. 2489, 5. März 2005, S. 50.
  25. R. Tuckermann: Skript Atmosphärenchemie. (PDF; 1,8 MB). Folie 32.
  26. The Copenhagen Diagnosis (PDF; 3,5 MB), S. 10.
  27. a b c Spencer Weart: The Discovery of Global Warming: Simple Models of Climate. Center of History am American Institute of Physics - online
  28. a b Nils Ekholm: On the Variations of the Climate of the Geological and Historical Past and Their Causes. In: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. Band 27, Nr. 117, 1901, S. 1–62, doi:10.1002/qj.49702711702 (online). online (Memento vom 29. April 2012 im Internet Archive)
  29. E. Gold: The Isothermal Layer of the Atmosphere and Atmospheric Radiation. In: Proceedings of The Royal Society of London. Volume 82, issue 551, 16. Februar 1909, S. 43–70.
  30. Lewis D. Kaplan: On the Pressure Dependence of Radiative Heat Transfer in the Atmosphere. In: Journal of Meteorology. Band 9, Nr. 1, Februar 1952, S. 1–12, doi:10.1175/1520-0469(1952)009<0001:OTPDOR>2.0.CO;2.
  31. a b Otto Wöhrbach: Eine Frauenrechtlerin fand heraus, dass CO2 die Erde aufheizt. In: Der Tagesspiegel. Verlag Der Tagesspiegel GmbH, 17. Juli 2019, abgerufen am 17. Januar 2020 (deutsch).
  32. Eunice Foote: Circumstances affecting the heat of the Sun’s rays. In: American Journal of Science and Arts, 2ndSeries, v. XXII/no. LXVI, November 1856, p. 382–383. 1. November 1856, abgerufen am 17. Januar 2020 (englisch).
  33. So eine große Wirkung hat so wenig CO2, von Mathias Tertilt, 26. Oktober 2018, bei www.quarks.de.
  34. CO2-Schichtdicke = Luftdruck / Fallbeschleunigung * CO2-Massenanteil / CO2-Massendichte = 1bar / 9.8 m/s² * 0.06% / 1.98kg/m³ = 3.09 m. Vor der Industrialisierung: 0.04% CO2.
  35. Siehe z. B. Mojib Latif, Bringen wir das Klima aus dem Takt? Hintergründe und Prognosen. Fischer-Taschenbuch-Verlag, Frankfurt 2007, ISBN 978-3-596-17276-4., Siehe Kapitel Die öffentliche Diskussion.
  36. G. Thomas Farmer, John Cook: Climate Change Science. A modern Synthesis. Volume 1 – The Physical Climate. Dordrecht 2013, S. 21.
  37. Weitere Erklärung siehe auch Kann eine Bettdecke den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen? von Stefan Rahmstorf, 20. Sep 2016, bei scilogs.spektrum.de.
  38. Zu Grundlagen der Physik siehe z. B. eines der Standardlehrbücher für das Physikstudium: D. Meschede, Gerthsen Physik, 23. Überarbeitete Auflage, 2006, ISBN 3-540-25421-8, Springer-Verlag, besonders die Kapitel 11.2 Strahlungsgesetze und 5.5.5 Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre.