Basiswissen

Der Treibhauseffekt oder auch Glasshauseffekt bezieht sich zunächst auf tatsächliche Treibhäuser für Pflanzen. Im übertragenen Sinn wird er auch für das Phänomen genutzt, dass Treibhausgase in der Atmosphäre eines Himmelskörpers, zum Beispiel der Erde, einen ganz ähnlichen Effekt auf die Temperatur der Lufthülle, der Oberfläche und möglicher Gewässer des Himmelskörpers ausüben.^[1] Der Effekt wird hier Schritt für Schritt auf der Ebene atomarer, mikroskopischer Vorgänge erklärt.

Das Treibhaus als Namensgeber

Energiereiche Strahlung von der Sonne kann von außen durch das Glas gelangen. Im Inneren wird diese Strahlung dann von Gegenständen aufgenommen und in Wärme umgewandelt. Durch die Glaswände kann die wärmere Luft aber nicht nach außen entweichen. Die mechanische Blockierung verhindert damit den Transport von Wärme durch die sogenannte Konvektion. Dadurch steigt im Inneren des Treibhauses die Temperatur an. Im übertragenen Sinn steht das Wort Treibhauseffekt auch für den menschgemachten Klimawandel. Die physikalischen Gründe des globalen Treibhauseffektes sind jedoch gänzlich andere als bei dem namensgebenden Treibhaus, auch wenn das Endresultat ähnlich ist.

Zur Physik des irdischen Treibhauseffekts

Um den Treibhauseffekt auf der Ebene eines Himmelskörpers wie der Erde zu verstehen, muss man sich die Physik von zwei getrennten Vorgängen näher ansehen: a) die Streuung von elektromagnetischer Strahlung an Gasteilchen in der Atmosphäre und b) die Umwandlung kurzwelliger Strahlung in langwellige Strahlung im flüssigen (Wasser) oder festen (Land) Erdkörper. Erst das passende Zusammenspiel dieser zwei Vorgänge ergibt im Endeffekt den Treibhauseffekt.

Schritt 1: von der Sonne zur Erde

Die Sonne strahlt ständig große Mengen an Energie (z. B. Licht) und auch Materie (Sonnenwind) in den Weltraum ab. Für den Treibhauseffekt auf der Erde wichtig ist nur das Licht oder allgemeiner gesagt die elektromagnetische Strahlung, die ja auch unsichtbare Anteile enthalten kann. Das Licht kann man sich auf zwei Weisen vorstellen: a) als kleine Lichtteilchen, die sogenannten Photonen oder b) als Kugelwelle, die von der Sonne in den Weltraum fortschreitend sich ausbreitet. An sich widersprechen sich diese beiden Veranschaulichungen. Man spricht vom Welle-Teilchen-Dualismus.^[4] Doch um den Treibhauseffekt zu verstehen, kann man sich eine der beiden Denkbilder auswählen. Sie passen beide.

Die Energie der Sonne trifft nach etwa 8 Minuten und 20 Sekunden Reise durch den Weltraum auf die Lufthülle der Erde, die Erdatmosphäre. Es sind nun verschiedene Szenarien denkbar: die Strahlung wird vollständig von der Atmosphäre geschluckt, die Strahlung wird teilweise geschluckt oder sie wieder gar nicht geschluckt. Das Fachwort für das Verschlucken von Strahlung ist Absorption.

Eine starke Absorption hat man etwa, bei sehr dichten Wolken oder Nebel. Ohne Wolken oder Nebel aber gelangt der größte Anteil der Strahlung von der Sonne letzten Endes auch auf die Oberfläche der Erde.

Man muss sich nun noch näher ansehen, was das Schlucken, die Absorption auf der Ebene einzelner Atome oder Moleküle bedeutet. Wesentlich dafür ist der physikalische Prozess der Streuung.

DEFINITION:

Streuung ist die "Ablenkung eines Teiles einer gebündelten Teilchen- oder Wellenstrahlung aus seiner ursprünglichen Richtung beim Durchgang durch Materie infolge der Wechselwirkung mit einem Streuzentrum."^[5]

Im Wellenbild

Im Wellenbild kann man sich vorstellen, dass ein Teil einer Wellenfront aus dem Weltraum auf ein Luftteilchen trifft. Unter geeigneten Umständen kann das Luftteilchen einen Teil der Energie der Wellenfront absorbieren. Kurz darauf strahlt das Teilche, das sogenannte Streuzentrum aus der Definition oben, die Energie ab. Und jetzt kommt der springende Punkt: die abgestrahlte Energie verteilt sich kugelförmig auf alle Richtungen des Raumes gleichzeitig. Man spricht von einer Kugelwelle. Die einfallende Wellenfront aber bewegte sich in der Umgebung des Teilchens nur in Richtung Erde. Im Endeffekt wird also ein Teil der einfallenden Energie von der Richtung her so umgelenkt, gestreut, dass es nach der Streuung in Richtungen geht, die vorher nicht enthalten waren. Im Endeffekt kommt dann weniger in Richtung der ursprünglichen Wellenbewegung an als ohne Streuung.

Im Teilchenbild

Im Teilchenbild kann man sich das sichtbare Licht (Spektralfarben) oder auch das unsichtbare Licht (Infrarot, UV) als sogenannte Photonen, kleinste Teilchen aus Licht vorstellen. Trifft ein solches Photon auf ein geeignetes Teilchen der Lufthülle, so wird das Photon zunächst vom Luftteilchen geschluckt. Anschließend wird es in irgendeiner beliebigen, zufälligen Richtung wieder ausgestoßen, man sagt auch emittiert. Für sehr viele Teilchen hat man dann den statistischen Effekt, dass von der Vielzahl der Teilchen die zunächst Richtung Erdoberfläche fliegen, ein Teil in eine andere Richtung abgelenkt, gestreut wird.

Gesamteffekt

Unter dem Strich als Endeffekt gelangt aber der weitaus größte Teil der Energie von der Sonne ungestreut auf die Oberfläche der Erde. Zu einer Streuung kommt es nämlich nur, wenn die Frequenz beziehungsweise Wellenlänge der einfallenden Wellen gut zu einer sogenannten Resonanzfrequenz der Luftteilchen passt.

MERKSATZ:

1.0 Im großen zeitlichen Durchschnitt gelangt ein Großteil der Sonnenenergie ungehindert durch die Lufthülle der Erde auf die Oberfläche der Erde.

Das gilt auch für das Teilchenbild von Licht. Im Teilchenmodell muss der Energieinhalt eines Photons gut zu möglichen erlaubten Mengen an Energie passen, die ein Streuzentrum aufnehmen kann. Ein Luftteilchen kann nicht Energiepakete beliebiger Energiemengen absorbieren. Es gibt nur wenige passende solche Energiemengen.

Einschub

An dieser Stelle des Gedankengangs kann ein scheinbarer Widerspruch auftreten. Diesen muss man sich zunächst klar machen. Er kann dann aber aufgelöst werden.

Wenn man sich vorstellt, dass ein Teilchen auf einer geraden Bahn durch die Atmosphäre der Erde fliegen soll, dann kann man sich fragen, ob das Teilchen nicht in jedem Fall früher oder später mit einem der vielen Aberbillionen von Luftteilchen auf seiner Wegstrecke kollidieren müsste. Oder anders gefragt: wie weit würde ein kleines Teilchen auf gerader Flugbahn kommen, bevor es wieder mit einem Luftteilchen zusammenstößt? Diese durchschnittliche Flugstrecke zwischen zwei Kollisionen nennt man mittlere freie Weglänge ↗

Für die Atmosphäre der Erde kommt man auf Werte im Bereich einiger Nanometer, zum Beispiel 64 bis 68 Nanometer oder etwa bis zu 0,000068 Millimeter.^[6] Wichtig ist hier nicht der exakte Wert sondern die Größenordnung: sehr, sehr wenig. Das heißt umgekehrt: ein Lichtteilchen, das so gedacht auf geradliniger Bahn durch die Luft nahe der Oberfläche fliegt, würde pro Millimeter zigtausende Mal mit Luftteilchen kollidieren. Wie kann dann weiter oben behauptet werden, dass als Teilchen gedachtes Licht weitgehend ungehindert durch die Lufthülle geht? Das erscheint angesichts der extrem niedrigen mittleren freien Weglänge als geradezu absurd.

Dasselbe Problem tauchte schon um das Jahr 1921 bei einem Versuch mit Elektronen auf ihrem Weg durch ein Gas auf: man hatte beobachtet, dass langsame Elektronen fast kollisionsfrei durch ein Gas hindurchgehen können, obwohl das nach ihrer mittleren freien Weglänge völlig unmöglich sein müsste.^[7] Wie Elektronen scheinbar ungehindert durch Gasatome gehen ist beschrieben im Artikel zum Ramsauer-Effekt ↗

Die Antwort auf das Rätsel des ungestörten Elektronenflugs durch ein Gas fand man in einer quantenphysikalischen Deutung: die Elektronen, eigentlich klassische Teilchen mit Masse, konnte man sich auch als sogenannte Materiewellen vorstellen. Und eine Kollision wird in diesem Wellenbild der Materie zu einer möglichen Wechselwirkung zwischen zwei Teilchen. Man kann dem Elektron als Teilchen eine Wellenlänge zuordnen. Und mit dieser Wellenlänge kann man dann die Wahrscheinlichkeit für eine Wechselwirkung, etwa mit Gasteilchen berechnen. In dem Versuch von 1921 hat sich gezeigt: je größer die Wellenlänge, desto kleiner die Wahrscheinlichkeit für eine Wechselwirkung. Zum quantenphysikalischen Hintergrund siehe unter Elektronenwelle ↗

Diesen Befund, dass die mittlere freie Weglänge von Elektronen durch ein Gas von einer zumindest rechnerisch hinzugefügten Wellenlänge abhängt, kann man auf die Photonen bei ihrem Flug durch die Atmosphäre übertragen: ihre mittlere freie Weglänge und damit die Wahrscheinlichkeit für eine Streuung hängt von der Wellenlänge des Photons ab.^[8]

MERKSATZ:

2.0 Auf ihrem Flug durch die Atmosphäre können Photonen bei geeigneter Wellenlänge sich so verhalten, als wären sie ungehindert geradeaus durch Moleküle hindurch geflogen.^[9]

Schritt 2: auf der Erde

Wir gehen jetzt also davon aus, dass ein großer Teil der Energie von der Sonne ungehindert durch die Atmosphäre gegangen ist. Er erreicht nun also die Oberfläche der Erde. In vielen Erklärungen zum Treibhauseffekt kommt an dieser Stelle der Hinweis, dass die einfallende und absorbierte Strahlung eine kleinere Wellenlänge (das heißt höhere Frequenz) hatte als die Strahlung, die von der Erdoberfläche wieder emittiert, das heißt abgestrahlt wird: die Wellenlängen der Strahlung von der Oberfläche der Erde zurück Richtung Atmosphäre und Weltraum hat eine größere Wellenlänge (kleinere Frequenz) als die ursprünglich absorbierte Strahlung. Doch warum?

Sucht man die Lösung zur Erhöhung der Wellenlänge bei der Reflexion der Strahlung auf der Oberfläche der Erde im Bohrschen Atommodell, kommt man nicht weiter. In Zeichnungen zum Bohrschen Modell des Atoms sieht man oft, wie ein Photon auf das Atom auftrifft und mit seiner Energie ein Elektron auf ein höheres Energieniveau anhebt. Das Atom nennt man jetzt angeregt. Kurz darauf fällt das Elektron wieder zurück auf sein ursprüngliches Niveau, den Grundzustand des Atoms. Dabei sendet es wieder ein Photon mit genau der Wellenlänge ab wie sie das eintreffende Photon auch hatte. Es gibt Ausnahmen wie etwa die die Fluoreszenz und Phosphoreszenz, aber diese spielen für die Effekte beim Treibhauseffekt keine nennenswerte Rolle. Bleibt man also in der Vorstellung des Bohrschen Atommodells, findet man keinen Grund dafür, dass sich die Wellenlänge der Photonen von der Absorption auf der Erdoberfläche hin zum Emission zurück nach oben maßgeblich ändern sollte. Aber genau das tut sie. Warum?

Um hier zu einer Erkärung zu kommen, warum sich die Wellenlänge beim Aufenthalt der Photonen auf der Erdoberfläche stark vergrößeren kann, hin zum Infraroten, muss man weitere Mechanismen hinzudenken.

MERKSATZ:

3.0 Das mikroskopische Modell der Speicherung, des Transports und von Wechselwirkungen entsteht aus der Betrachtung grundlegender Träger von Energie, namentlich sind das: Phononen, Elektronen, Flüssigkeitsteilchen und Photonen.^[2]

Mit dieser Betrachtung begibt man sich in die sogenannte Festkörperphysik, zu deren Gebiet auch die Flüssigkeiten zählen. Während die Moleküle der Gase in der Atmosphäre Energie in nur recht wenigen erlaubten Paketen aufnehmen und abgeben können, ist die Anzahl dieser möglichen Energiepakete in Festkörpern, zu denen hier auch das Wasser gezählt wird, anzahlsmäßig sehr viel größer.

Moleküle, aber auch Kristalle, können die Energie von Photonen nicht alleine dadurch aufnehmen, dass ein Elektron im Sinne von Bohr in eine höhere Bahn springt. Daneben gibt es noch weitere Möglichkeiten, zum Beispiel Schwingungen der Masseteilchen um Ruhepunkte. In einem Molekül oder Gitter können einzelne Atome anfangen relativ zueinander zu vibrieren. Die Energie kann wieder gequantelt sein, etwa bei den sogenannten Phononen.^[10]^[11]

In der Materie der Erdoberfläche stehen sehr viel mehr mögliche Energiepakete für Absorptionen und Emissionen zur Verfügung als in der Luft. Und als Endeffekt verschiebt sich die emittierte Strahlung hin zu größeren Wellenlängen.

Schritt 3: Richtung Weltraum

Nach all diesen vorbereitenden Überlegungen kommt jetzt gleich der springende Punkt für die Entstehung des Treibhauseffektes: die Strahlung die von der Erdoberfläche Richtung Weltraum abgestrahlt wird hat eine größere Wellenlänge als die Strahlung die ursprünglich durch die Lufthülle Richtung Oberfläche kam.

Und die Wellenlänge nach der Strahlung hat eine deutlich größere Wahrscheinlichkeit von Molekülen der Treibhausgase absorbiert zu werden als die kurzwelligere Strahlung zuvor. Eine Absorption durch ein Molekül der Luft heißt, dass die Energie hinterher als Photon in einer beliebigen Richtung wieder emittiert wird. Und genau durch diesen Effekt der Streuung wird ein Teil der Photonen auf ihrem Flug Richtung Weltraum sozusagen umgelenkt hin in irgendeine andere Richtung, zum Beispiel zurück Richtung Erdoberfläche. Besonders stark ist dieser Effekt ausgeprägt bei Molekülen des Kohlendioxids (CO₂) oder noch stärker bei Methan (CH₄). Unter dem Strich bleibt also ein größerer Anteil von Energiepaketen längeren Zeit im Wechselspiel zwischen Emission von der Erdoberfläche und Streuung in der Atmosphäre gefangen. Und genau das führt zur Erhöhung der Temperatur an der Oberfläche und in der Atmosphäre.

Persönliche Einschätzung

Gesellschaftliche Kräfte, die die Dramatik des gegenwärtigen Klimawandels auf der Erde herunterspielen möchte, verweisen gerne oft auf ungeklärte Prozesse innerhalb der Theorie. Tatsächlich sind die einzelnen physikalischen Phänomene so kompliziert, dass sie im Detail nicht immer vollständig erklärt werden können. Wer in eine solche Diskussion gerät, kann seinem Gegenüber folgenden Vorschlag machen: man geht ins Haus der Redners und zündet mit einem Feuerzeug alle Gardinen und alle Papier an, was man im untersten Geschoss des Hauses finden kann. Man kann dann darauf verweisen, dass für viele der Materialien im Haus die Entzündungstemperatur, das Abbrandverhalten oder die Verteilung der abgestrahlten Energie auf verschiedene Frequenzen im Detail überhaupt noch nicht erforscht ist. Auch die Luftzüge, die nach einem anfänglichen Brand im Wohnzimmer im Erdgeschoss sich einstellen könnten, sind so komplex, dass kein Supercomputer sie zuverlässig vorhersagen könnte. Wozu also aufregen? Vielleicht geht ja alles gut. Mit derselben Seelenruhe (oder Panik) mit der man dann einer Entzündung von Gardinen im eigenen Haus zusehen möge, möge man auch den ähnlich komplizierten Prozessen beim jetzigen Treibhauseffekt zusehen.

Fußnoten

[1] "Als Folge des anthropogenen Treibhauseffektes wird eine starke Erwärmung der Erdatmosphäre erwartet." Die mittlere Oberflächentemperatur habe von 1900 bis 1992 um 0,5 bis 0,7 °C zugenommen. Das Lexikon konstatierte ein „Abschmelzen von außerpolaren Gletschern“, „eine Steigerung der mittleren Windgeschwindigkeiten“ und eine „Zunahme der relativen Sturmhäufigkeiten“. Dem Brockhaus zufolge wird „der CO2-Austoß in Zukunft kräftig zunehmen“. Der Artikel endet mit einem Verweis auf die „größte Dringlichkeit“. Tatsächlich ist der Effekt Wissenschaftlern seit spätestens dem Jahr 1856 bekannt, als Eunice Foote die Rolle des CO2 für den Treibhauseffekt nachwies. In: Brockhaus in Achtzehn Bänden. F. A. Brockhaus. Leipzig, Mannheim. 2002. ISBN für alle Achtzehn Bände gemeinsam: 3-7653-9320-7. Band 14. Tan-Vir. Seite 186. Eine kurzer Abriss der Geschichte des gegenwärtigen Klimawandels auf der Erde gibt die Chronologie im Artikel Erderwärmung (Zitate) ↗

[2] Die Übersetzung makroskopischer Modelle von Wärme in mikroskopische Modella auf der Ebene von Atomen und Molekülen benötigt vier grundlegende Bausteine: "the microscopic model of thermal energy storage, transport, and interactions is assembled through the study of each of the principal energy carriers, namely: phonons (p), electrons (e), fluid particles (f), and photons (ph)." In: Massoud Kaviany: Heat Transfer Physics. 2nd Edition. Cambridge University Press 2014. ISBN: 978-1-107-04178-3.

[3] Zur Definition eines Phonons: "A phonon is a quantized mode of vibration occurring in rigid atomic lattices, such as those in crystalline solids. The properties of long-wavelength phonons give rise to sound in solids (hence the name phonon)." Und: "When treated as particles, phonons are called bosons and are said to possess zero spin." In: Massoud Kaviany: Heat Transfer Physics. 2nd Edition. Cambridge University Press 2014. ISBN: 978-1-107-04178-3.

[4] Dass Licht sowohl Eigenschaften von Wellen wie auch von Teilchen zeigt, ist seit dem 17ten Jahrhundert bekannt. Je nach physikalischem Phänomen kann man zwischen den zwei Vorstellungen wechseln. Diese Toleranz zweier an sich widersprüchlicher Modelle bezeichnet man als Welle-Teilchen-Dualismus ↗

[5] Das Spektrum Lexikon der Physik (2000), definiert Streuung als "Ablenkung eines Teiles einer gebündelten Teilchen- oder Wellenstrahlung aus seiner ursprünglichen Richtung beim Durchgang durch Materie infolge der Wechselwirkung mit einem Streuzentrum." In: Spektrum Lexikon der Physik in sechs Bänden. Spektrum Akademischer Verlag. 1998-2000. ISBN: 3860252917. Dort der Artikel zur Streuung. Siehe mehr dazu unter Streuung (Physik) ↗

[6] Den Wert von 64 bis 68 Nanometer bei einem Luftdruck von etwa einem bar (Umgegebungsdruck auf Meereshöhe) findet man in: ennings, S (1988). "The mean free path in air". Journal of Aerosol Science. 19 (2): 159. Bibcode:1988JAerS..19..159J. doi:10.1016/0021-8502(88)90219-4

[7] Der hier erwähnte Versuch aus dem Jahr 1921 konnte es mit Hilfe von quantenphysikalisch gedachten Materiewellen erklärt werden. Siehe mehr dazu unter Ramsauer-Effekt ↗

[8] Photonen des Infrarot-Lichts können einige hunderte Meter bis Kilometer ohne Kollision durch die Atmosphäre gehen. Das folgende Zitat zeigt deutlich, dass die Wellenlänge eine Rolle spielt: "Clearly, the probability of absorption is different for IR radiation at wavenumbers towards the edges of the band, below 580 or above 760 cm⁻¹, where σ is much lower, so the mean free path is 100s of metres to a kilometre." In: Lasse Amundsen, Martin Landrø: The global energy sector from a subsurface perspective. In: GeoExPro, 18. April 2021. Online: https://geoexpro.com/recent-advances-in-climate-change-research-part-xi-how-earths-ir-photons-are-transferred-in-the-atmosphere-in-the-presence-of-co%E2%82%82/

[9] Michael Richmond vom US-Amerikanischen Rochester Institute of Technology argumentiert: "We know how to calculate the mean free path of an atom or ion in the atmosphere of the Sun. But what about a photon? It may pass right through an atom without interacting with it. So it won't be quite so easy to figure out just how far a photon will move before it is absorbed by or scatters off an atom." Abgerufen am 3. November 2025. Online: https://phys.libretexts.org/Bookshelves/Astronomy__Cosmology/Supplemental_Modules_%28Astronomy_and_Cosmology%29/Cosmology/Astrophysics_%28Richmond%29/28%3A_Optical_Depth

[10] "Phononen, Schallquanten, Elementaranregungen der Gitterschwingungen eines Festkörpers. Die Namensgebung erfolgt in Analogie zu den Photonen als Quanten des elektromagnetischen Feldes." In: der Artikel "Phononen". Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 3. November 2025. Siehe auch Phonon ↗

[11] "A phonon is a quantized mode of vibration occurring in rigid atomic lattices, such as those in crystalline solids. The properties of long-wavelength phonons give rise to sound in solids (hence the name phonon)." Und: "When treated as particles, phonons are called bosons and are said to possess zero spin." In: Massoud Kaviany: Heat Transfer Physics. 2nd Edition. Cambridge University Press 2014. ISBN: 978-1-107-04178-3.