Klimaphysik und der Treibhauseffekt einfach erklärt

Stell dir vor, du stößt einen winzigen Dominostein um, der einen etwas größeren trifft, bis am Ende eine riesige Mauer umfällt. In der Klimaphysik gibt es ähnliche Kettenreaktionen!

In diesem Artikel schauen wir uns an, wie eine kleine Erwärmung der Erde Prozesse auslöst, die alles noch viel heißer machen. Außerdem finden wir heraus, warum manche Länder trotz vieler Einwohner das Klima viel weniger belasten als andere – und was das mit ihren Kraftwerken zu tun hat.

Vorwissen

• Der Treibhauseffekt: Gase in der Atmosphäre wirken wie das Glas in einem Gewächshaus. Sie lassen Sonnenlicht herein, aber halten die Wärmestrahlung der Erde zurück. Beispiel: Ohne den natürlichen Treibhauseffekt wäre die Erde eine Eiskugel.
• Treibhausgase: Gase wie Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_{2}$), die Wärme in der Atmosphäre speichern. Beispiel: Durch das Verbrennen von Kohle und Öl wird zusätzliches $\text{CO}_{2}$ freigesetzt, was die Erde weiter aufheizt.

Aufgabentyp 1: Klimaprozesse und Emissionsdaten analysieren

In der Klimaphysik und beim Treibhauseffekt spielen Rückkopplungen und der Energiemix eine zentrale Rolle. In der Physik sprechen wir von einem selbstverstärkenden Effekt (oder einer positiven Rückkopplung), wenn eine Veränderung eine Kettenreaktion auslöst, die genau diese Veränderung noch schlimmer macht. Es ist wie ein Teufelskreis.

Ein wichtiges Beispiel dafür ist das Auftauen des Permafrosts in Sibirien. Permafrost ist ein Boden, der normalerweise das ganze Jahr über tiefgefroren ist. Durch die globale Erwärmung beginnt dieser Boden nun aufzutauen.

Wenn der Boden auftaut, verrotten darin eingefrorene Pflanzenreste. Dabei wird ein Gas namens Methan ($\text{CH}_{4}$) freigesetzt. Das Problem: Methan ist ein extrem starkes Treibhausgas – es ist 20-mal so wirksam wie $\text{CO}_{2}$!

Das freigesetzte Methan steigt in die Atmosphäre auf und verstärkt den Treibhauseffekt. Dadurch wird die Erde noch wärmer, was wiederum noch mehr Permafrost auftauen lässt. Der selbstverstärkende Effekt ist in vollem Gange.

Um den Klimawandel zu stoppen, müssen wir weniger Treibhausgase ausstoßen. Wenn wir Länder vergleichen, schauen wir oft auf die Pro-Kopf-Emissionen. Das ist die Menge an $\text{CO}_{2}$, die rechnerisch auf jeden einzelnen Einwohner eines Landes entfällt.

Warum gibt es hier riesige Unterschiede zwischen Industrieländern? Die Antwort liegt im Energiemix – also der Art und Weise, wie ein Land seinen Strom erzeugt.

Schauen wir uns Daten aus dem Jahr 2019 an:

• USA: $15,6 \text{ Tonnen}$ $\text{CO}_{2}$ pro Kopf.
• Deutschland: $8,4 \text{ Tonnen}$ $\text{CO}_{2}$ pro Kopf.
• Frankreich: Nur $4,7 \text{ Tonnen}$ $\text{CO}_{2}$ pro Kopf.

Warum ist der Wert in Frankreich so viel niedriger? Frankreich gewinnt etwa 50 % seiner elektrischen Energie aus Kernenergie und 34 % aus erneuerbaren Energien (wie Wind und Wasser). Beide Methoden stoßen bei der Stromerzeugung kein $\text{CO}_{2}$ aus. Ein hoher Anteil an Kernenergie und erneuerbaren Energien senkt die Pro-Kopf-Emissionen eines Landes also drastisch.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Daten sammeln: Finde die Gesamtemissionen (meist in Millionen Tonnen) und die Einwohnerzahl des Landes heraus.
2. Pro-Kopf-Emission berechnen: Teile die Gesamtemissionen durch die Einwohnerzahl. Formel: $\text{Pro-Kopf-Emission} = \frac{\text{Gesamtemission}}{\text{Einwohnerzahl}}$
3. Energiemix untersuchen: Prüfe, woher das Land seinen Strom bezieht. Ein hoher Anteil an fossilen Brennstoffen (Kohle, Gas) bedeutet hohe Emissionen. Ein hoher Anteil an Kernkraft oder erneuerbaren Energien bedeutet niedrige Emissionen.
4. Schlussfolgerung ziehen: Erkläre den berechneten Pro-Kopf-Wert anhand des Energiemixes.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Positive Rückkopplung: Ein Prozess, der sich selbst verstärkt. Beispiel: Globale Erwärmung taut Permafrost auf $\to$ Methan wird frei $\to$ Erde wird noch wärmer.
• Methan ($\text{CH}_{4}$): Ein Treibhausgas, das 20-mal so wirksam ist wie $\text{CO}_{2}$.
• Pro-Kopf-Emissionen: Werden stark vom Energiemix eines Landes bestimmt.
• Klimafreundlicher Energiemix: Ein hoher Anteil an Kernenergie und erneuerbaren Energien reduziert den $\text{CO}_{2}$-Ausstoß eines Landes drastisch.