Der Treibhauseffekt bewirkt, dass hinter Glasscheiben und dadurch im Innenraum eines verglasten Gewächshauses die Temperaturen ansteigen, solange die Sonne darauf scheint. Mithilfe dieser Wärme können Pflanzen vorzeitig austreiben, blühen und fruchten. Heute fasst man den Begriff jedoch viel weiter und bezeichnet davon abgeleitet den atmosphärischen Wärmestau der von der Sonne beschienenen Erde als atmosphärischen Treibhauseffekt, da die beiden Situationen physikalisch sehr ähnlich sind. Der Effekt im Gewächshaus wird auch spezifisch benannt durch den Begriff Glashauseffekt. Der durch menschliche Eingriffe vermutete Anteil am atmosphärischen Treibhauseffekt wird anthropogener Treibhauseffekt genannt. Zumeist ist jedoch verkürzt mit dem Begriff Treibhauseffekt der anthropogene Treibhauseffekt gemeint.
Der Treibhauseffekt tritt auf, wenn die Durchlässigkeits- und Absorptionskoeffizienten der Begrenzungen eines Volumens wellenlängenabhängig sind. Dazu muss der Hauptteil der inneren Strahlung im eingeschlossenen Volumen entsprechend der Temperaturen von den Begrenzungen reflektiert oder (hauptsächlich) absorbiert wird. Zu dieser inneren Strahlung kommt eine weitere Strahlung (hauptsächlich von der Sonne), der einen Teil der Begrenzung fast mühelos (Glasscheiben bzw. die Schicht der Treibhausgase) wegen der anderen Wellenlänge fast mühelos durchdringt und von einem anderen Teil der Begrenzungsfläche (z.B. Erdboden) absorbiert wird. Durch die Summe der beiden Strahlungen (innere Strahlung eines Hohlraums, die von allen Begrenzungsflächen ausgeht plus der durchgelassenen Strahlung) werden die getroffenen Stellen stärker erwärmt und diese stärkere Erwärmung breitet sich über das ganze Volumen aus. Ein Gasfüllung des Volumens ist dazu nicht notwendig, stört aber auch nicht.
Als Glashauseffekt (abgeleitet aus dem Französischen von effet de serre, wie er zuerst von Jean Baptiste Joseph Fourier genannt wurde) wird der Treibhauseffekt dann bezeichnet, wenn in einem Innenraum durch verglaste Fensteröffnungen oder Dächer Strahlungsenergie des Sonnenlichts absorbiert und zum Rest des Innenraum als Wärmeenergie verteilt wird, was zur Erwärmung des gesamten Innenraumes und nicht nur der getroffenen Stelle führt. Dabei hat auch die Innenseite der Glasflächen fast die Temperatur des Innenraums.
Zuweilen wird er nach den großen, architektonisch stilvollen Gewächshäusern von Botanischen Gärten und Schlossparks -den Orangerieen- auch Orangerieeffekt genannt.
Oft wird die Unterbindung der Luftkonvektion und -advektion als Ursache für den Treibhauseffekts genannt, was aber falsch ist: Ein geschlossener Innenraum aus undurchsichtigen Material zeigt keinen Treibhauseffekt obwohl die Konvektion auch unterbunden ist, außerdem kann auch im Glashaus durch Ventilatoren usw. eine heftige Konvektion erzeugt werden - am Treibhauseffekt ändert sich dadurch nichts.
Selektive Transparenz
Fensterglas ist für sichtbares Licht und nahes Infrarot transparent, hingegen für fernes Infrarot (langwellige Wärmestrahlung) (und auch UV-Strahlung) fast undurchlässig. Das durch verglaste Fensteröffnungen oder Dächer eindringende Sonnenlicht wird von den Materialien des Innenraumes absorbiert (der reflektierte Teil des Lichts verlässt das Treibhaus wieder) und in Wärmenergie umgewandelt. Die aufgeheizten Materialien senden dadurch entsprechend dem Stefan-Boltzmann-Gesetz eine verstärkte langwellige Wärmestrahlung aus. Aufgrund der geringen Durchlässigkeit von Glas für fernes Infrarot steigt dadurch auch die Temperatur der Innenseiten der Glasflächen des Raumes und damit die gesamte Raumtemperatur so lange an, bis die steigenden Wärmeverluste über die Raumbegrenzungflächen so hoch sind, wie die zusätzlich eingestrahlte Energie. Dabei ist der steigende Wärmeverlust zum geringsten Teil ein zusätzlicher Strahlungsverlust.
Fälschlich wird teilweise eine verhinderte Konvektion für den Treibhauseffekt verantwortlich gemacht, denn wenn man die (relativ kleinen) Dachluken eines Treibhauses öffnet sinkt innerhalb kurzer Zeit die Temperatur sehr deutlich. Grund: die entweichende warme Luft nimmt viel Wärme mit - deshalb steigt der Wärmeverlust stark. Wenn ohne Sonne im Glashaus ein Ofen aufgestellt wird, wird beim Öffnen von Luken auch die entweichende warme Luft die Temperatur im geheizten Raum senken, ohne das jemand bei geschlossenen Luken sagt, dass die behinderte Konvektion die Ursache der Raumerwärmung wäre. Den Effekt der Abkühlung kann man auch erreichen, wenn man die Wärmedämmung der Begrenzungsflächen stark reduziert (z.B. sehr dünnes Glas oder Kühlung der Außenseite der Begrenzungsflächen). Dagegen erhöht eine Vergrößerung der Wärmedämmung - ohne das sich an den Konvektionsverhältnissen etwas ändert - die erreichte Temperaturerhöhung.
Die gesteuerte Lüftung über Dachluken wird in Gewächshäusern auch ausgenutzt, um insbesondere tagsüber in heißen Sommermonaten überschüssige Wärmeenergie abzuleiten und somit im Inneren ein verträgliches Temperaturniveau (unter 40 °C) zu halten. Nachts kann es hingegen auch im Sommer recht kühl werden (sternklarer Himmel bewirkt große Abstrahlungsverluste in den Weltraum). Hält man nachts die Luken geschlossen verhindert man nun stärkere Auskühlung und somit insgesamt ein gleichmäßig warmes Mikroklima im Gewächshäus.
Nutzung
Der Effekt wird seit langem in Unterglaskulturen/Treibhäusern genutzt. Außer in Gewächshäusern wird der Glashauseffekt auch als passive Sonnennutzung in der Architektur gezielt eingesetzt um Brennstoff zum Heizen von Wohnräumen zu sparen. Dies wird durch eine Südausrichtung der großen Glasfronten und/oder Wintergärten des Gebäudes erreicht über die Luft des Hauses erwärmt wird. Insbesondere so genannte Niedrigenergiehäuser und Passivhäuser nutzen diesen Effekt zur drastischen Reduktion des Einsatzes einer zusätzlichen Heizung. Besonders intensiv lässt sich dieses Phänomen in einem in der Sonne geparkten Auto beobachten/erfühlen.
Atmosphärischer Treibhauseffekt
In der Erdatmosphäre bewirken Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Methan seit Bestehen der Erde einen Treibhauseffekt, der entscheidenden Einfluss auf die Klimageschichte der Vergangenheit und das heutige Klima hat. Die Rolle des Glases wird hier von den genannten Treibhausgasen übernommen, die durchgängig für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung sind und langwellige Wärmestrahlung hingegen reflektieren oder einfangen und zurückstrahlen. Im Unterschied zum Glashaus ist die Temperatur der Treibhausgase sehr niedrig - ca. -40°C.
Die Sonnenenergie, die die Erde erreicht, wird durch Wolken, Luft und Boden (vor allem Eis und Schnee, siehe Albedo) zu 30% wieder in den Weltraum reflektiert. Die restlichen 70% werden absorbiert. Würde diese absorbierte Energie als Infrarot-Strahlung wieder in den Weltraum abgestrahlt, würde die Lufttemperatur bei -18°C liegen.
Es werden aber nur 15% der absorbierten Energie wieder in den Weltraum direkt abgestrahlt. Die Erde strahlt aber nicht nur die restlichen 85% ab, sondern sogar fast das Doppelte (ca. 170%). Diese 170% werden von der Atmosphäre absorbiert und erwärmen diese auf ca. -40"C. Die erwärmte Atmosphäre (auf -40°C) strahlt diese Energie als Infrarot-Strahlung in etwa gleichen Teilen wieder zur Erdoberfläche als auch in den Weltraum. Die Rückstrahlung zur Erde führt zu einer Erwärmung um 33 K. Damit liegt die durchschnittliche globale Temperatur bei 15 °C. Verantwortlich für Absorption und Abstrahlung sind die sogenannten Treibhausgase.
Der Anteil an dem Einfangen von langwelliger Wärmestrahlung durch Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), Lachgas (N2O) und anderen Gasen wird trockener Treibhauseffekt genannt. Die Einbeziehung von Wasserdampf führt zum feuchten Treibhauseffekt.
(Nicht berücksichtigt ist der Treibhauseffekt von Ammoniak und der senkende Effekt von Schwefeldioxid)
Ohne die Gesamtheit der Treibhausgase in der Atmosphäre würde sich, gestützt auf einfache Strahlungstransfermodelle, auf der Erdoberfläche (genauer dem Oberrand der Atmosphäre) ein Temperaturgleichgewicht von -18°C einstellen. Bei dieser Oberflächentemperatur wäre Einfang von Sonneneinstrahlung and Abgang von Wärmestrahlung gleich, wobei eine unveränderte Reflexion der einkommenden Sonnenstrahlung durch die Erdoberfläche (Albedo) vorausgesetzt wird.
Durch die Wirkung der natürlichen Treibhausgase beträgt die globale Oberflächentemperatur im Durchschnitt etwa +15°C. Dabei werden etwa 66% dieses natürlichen Treibhauseffekts durch Wasserdampf und etwa 29% durch Kohlendioxid verursacht. [Anmerkung: die Zahlenangaben können je nach verwendeter Literatur schwanken.]
Die Bedeutung des globalen Treibhauseffektes kann man auch an den extrem unterschiedlichen Niveaus der Oberflächentemperatur der Planeten Venus, Erde und Mars ablesen. Diese Temperaturunterschiede hängen nicht nur von deren Entfernung von der Sonne ab sondern vor allem von deren unterschiedlichen Atmosphären.
Anthropogener Treibhauseffekt
Die Veränderung der Konzentration der Treibhausgase in den letzten 100 Jahren (CO2 um 20%, Methan um 90% durch Reisanbau, Rinderzucht und Müllfäulnis) führte zu einer Erhöhung um 2 K. Damit hat der Mensch einen Anteil von 6% am Treibhauseffekt. Das würde auch bedeuten, dass ohne den Menschen die globale Temperatur bei 13°C läge.
Aus der Analyse von Bohrungen im antarktischen Eis (blau Kurve) ergibt sich, dass die globale Kohlenstoffdioxid-Konzentration in den letzten 400000 Jahren nie 290 ppm überschritten hat. Während der Eiszeiten war sie mit 180 ppm niedriger als während der Warmzeiten. Mit Beginn der Industrialisierung stieg die Konzentration exponentiell an.
Im Jahre 2002 beträgt der Mittelwert bereitgs 375 ppm, die jährliche Zuwachsrate 1,5 ppm.
Die jahreszeitlichen Schwankungen spiegeln die Vegetationsperiode der Nordhalbkugel wieder: von April bis September wird durch die Photosynthese CO2 verbraucht. Von Oktober bis März, wenn die Photosyntheserate stark herabgesetzt ist, steigt der CO2-Gehalt auf Grund der jetzt überwiegenden Zellatmung und anthropogener Verbrennungsprozesse an.
Die Amplitude des Jahresganges hängt vom Standort der Mess-Station ab:
Zugspitze (2650 m): 11,4 ppm. Hier liegt die Mess-Station oberhalb der Vegetationszone.
Schauinsland (1200 m): 14,0 ppm. diese Mess-Station wird stärker von anhtropognen CO2-Quellen beeinflusst.
Häufig wird die Hypothese vertreten, die vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre, der so genannte anthropogene Treibhauseffekt, werde in den nächsten Jahrzehnten und Jahrhunderten eine globale Erwärmung und damit einen Klimawandel bewirken, beziehungsweise, dass dies schon eingetreten ist und sich weiter auswirken wird. Dieses wird aber von so genannten Klimakritikern bestritten.
Der anthropogene Treibhauseffekt ist nicht zu verwechseln mit der nach neuesten Forschungsergebnissen ebenfalls vom Menschen verursachten Schädigung der stratosphärischenOzonschicht, mehr dazu im Artikel Ozonloch.
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