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Warum CO2 schädlich für das Klima ist


Verglichen mit den anderen wichtigen Bestandteilen der Luft ist der Anteil an Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Erdatmosphäre verschwindend gering. Er beträgt gerade einmal 0,04 Prozent. Verglichen mit Sauerstoff (ca. 21%) und Stickstoff (ca. 78%), den Hauptbestandteilen der Luft, ist das beinahe nichts. Wie kann es sein, dass sich dieser unfassbar geringe Anteil, so schädlich auf unser Klima auswirkt?

Dass es mit Physik zu tun hat dürfte nicht überraschen oder? Aber von vorne, oder besser von oben.

Alles beginnt mit der Sonne. Deren Strahlen, oder physikalisch korrekter: deren Strahlung, fällt auf die Erde ein und erwärmt diese. Sie erwärmt die Ozeane, den Erdboden und wenn wir uns im Sommer in die Mittagshitze legen sogar uns. Im Grunde genommen ein netter Mensch diese Sonne.

Das funktioniert aus zwei Gründen. Zum einen ist die Erdatmosphäre für Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässig. Der Hauptanteil dieses Wellenlängenbereiches ist der sogenannte optische. Es ist also das Licht, dass man sehen kann. Für unser Leben ist das praktisch, denn das sorgt zeitgleich dafür, dass ich etwas sehen kann, wenn ich nach draußen schaue. Nicht immer will man das, aber das ist ein anderes Thema.

Zum zweiten wird das Sonnenlicht von Gegenständen und Lebewesen aufgenommen und ist dann verschwunden. Was allerdings nicht verschwindet ist die Energie dieser Strahlung. Denn Energie verschwindet nicht einfach. Sie kann lediglich von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. Energieerhaltung. Man kennt das. Da die ganze Materie auf der Erde jetzt irgendwie nicht so richtig weiß, was sie mit der ganzen Energie anstellen soll, macht sie das Einzige, das ihr physikalisch gesehen übrig bleibt: sie wird wärmer.

Und jetzt? Jetzt können wir Treibhauseffekt machen! Denn einen Teil der aufgenommenen Energie gibt die Materie wieder ab. Ebenfalls in Form von Strahlung. Und? Ist das jetzt andere Strahlung? Nein. Genau wie beim Sonnenlicht handelt es sich auch bei dieser Wärmestrahlung um elektromagnetische Strahlung. Allerdings bei einer völlig anderen Wellenlänge und somit auch bei einer völlig anderen Energie. Die von der Sonne in Form von Licht eingestrahlte Energie, wird also in Form von Wärmestrahlung wieder zurück gestrahlt.

Gäbe es keine Treibhausgase, wäre hier Schluss. Die Wärmestrahlung würde komplett ins Weltall entweichen. Fertig. Aus. Feierabend.

Jetzt sind wir aber in der glücklichen Situation, dass es eben doch Treibhausgase gibt. Glücklich??? Ich hör euch schon wieder alle schreien. Und die Antwort lautet: Ja, glücklich. Denn ohne den natürlichen Treibhauseffekt, wäre es auf der Erdoberfläche ziemlich frisch. Knackig kalte -18°C nämlich. Was das bedeutet? Kalte Nasen, kalte Ohren, kalte Füße. Also im besten Fall. Im allerbesten.

Dafür, dass wir nicht andauernd frieren müssen, sorgt der Treibhauseffekt. Der natürliche wohlgemerkt. Dieser wird hauptsächlich von Wasserdampf verursacht und muss vom sog. anthropogenen Treibhauseffekt unterschieden werden.

Aber wieso CO2? Das habe ich immer noch nicht erklärt. Kohlenstoffdioxid kann die von der Erde abgestrahlte Infrarotstrahlung wieder aufnehmen. Wie das funktioniert und warum das bei CO2 und auch bei Methan funktioniert, nicht aber bei Sauerstoff und Stickstoff erkläre ich jetzt.

Besetzte und unbesetzte Energieniveaus in einem Atom.

Um das zu erklären benötigt man die Elektronen in der Hülle eines Atoms. CO2 ist zwar ein Molekül, also ein chemisches Gebilde, dass aus mehreren Atomen besteht, aber der Prozess ist der gleiche. In jedem Atom (und Molekül) gibt es sog. Energieniveaus. Die kann man sich vorstellen wie kleine Säulen. In dem Bild oben gibt es vier solcher Säulen (Energieniveaus). Die höchste Säule (blau) entspricht dabei dem höchsten Energieniveau, die niedrigste Säule (grün) dem niedrigsten. Zwischen den einzelnen Energieniveaus befinden sich Lücken. Diese können unterschiedlich groß sein und Elektronen halten sich dort nicht auf.

In der Regel sind nur die untersten Energieniveaus mit Elektronen gefüllt. Hier wird das mal durch einen pubertierenden Hip Hopper und einen Zoowärter dargestellt. Der aufmerksame Beobachter stellt fest: Die Säule des Zoowärters ist höher als die des Hip Hoppers. Der Zoowärter hat also mehr Energie als der Hip Hopper.

Passt genau in die Lücke: Ziege.

Nachdem die Energie aufgenommen wurde, hüpft der Zoowärter ein Niveau nach oben.

Elektronen in einem Atom können aber Energie aufnehmen. Die Energie ist hier durch eine Ziege dargestellt (ich hatte nichts Anderes, sorry). Im Falle des Treibhauseffektes ist diese Energie gerade die Energie der Infrarotstrahlung. Der „Trick“ dabei ist aber, dass die Elektronen dabei nur genau solche Strahlung aufnehmen (absorbieren) können, deren Energie exakt so groß ist wie die Lücke zwischen zwei Energieniveaus. Im Übrigen müssen diese Energieniveaus nicht notwendigerweise auch nebeneinander liegen. Um es kurz zu machen. Die Ziege ist genau so groß, dass sie zwischen zwei Säulen passt. Ihre Energie wird vom Zoowärter aufgenommen. Ergebnis: der Zoowärter steht auf einer höheren Säule und die Ziege ist verschwunden.

Passt nicht in die Lücke: Pferd.

Ist zu klein für die Lücke: putziger Tiger.

Ist die Energie der Strahlung zu groß oder zu klein, wird sie vom Elektron nicht aufgenommen. Das Pferd ist größer, als die Lücke zwischen den Säulen, der putzige Tiger (sooo putzig!) ist kleiner. Ergebnis: der Zoowärter bleibt wo er ist.

Wird wieder frei: Ziege.
Befindet sich ein Elektron auf einem höheren Energieniveau und gibt es eine tieferes auf dem noch ein Plätzchen frei ist, wird es dort nicht bleiben. Irgendwann wird es herunterfallen und die vorher aufgenommene Energie wird wieder frei. Erneut in Form von Strahlung. Hüpft unser Zoowärter also eine Säule herunter muss er die Ziege wieder frei lassen, die hat er ja vorher aufgenommen.

Und jetzt, jetzt wirklich, kommt das CO2 ins Spiel. Im CO2 Molekül sind die Energieniveaus nämlich genau so, dass die von der Erdoberfläche kommende Infrarotstrahlung aufgenommen wird, anstatt in den Weltraum zu entweichen. Nach einer Weile wird deren Energie dann wieder frei, weil sich die Elektronen zurück in ihre Ausgangsposition begeben. Die Richtung in welche diese Strahlung emittiert wird ist natürlich beliebig. Aber ein Teil, und das ist das Entscheidende, wird zurück in Richtung der Erdoberfläche gestrahlt und trägt dort zur Klimaerwärmung bei. Sauerstoff und Stickstoff tun das nicht, weil die Energieniveaus in diesen Molekülen eben so sind, dass Infrarotstrahlung nicht aufgenommen werden kann.

Und darum ist CO2 schädlich für das Klima.

Du willst es noch genauer wissen? Dann schau auf die Seite des Max Planck Instituts für Meteorologie.


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