Wie erwärmt CO₂ die Erde?

CO₂ ist weder das stärkste Treibhausgas überhaupt noch das häufigste Gas in der Atmosphäre. Dennoch spielt Kohlendioxid (besser bekannt als CO₂) eine entscheidende Rolle dabei, wie unser Planet die von der Sonne kommende Energie aufnimmt, speichert und wieder abgibt.

Um zu verstehen, warum das so ist, müssen wir zumindest für einen Moment die Vorstellung beiseitelassen, CO₂ sei eine Substanz, die „Wärme erzeugt“ oder „Wärme wie unter einer Decke festhält“. Keine dieser beiden Vorstellungen beschreibt wirklich, was in der Atmosphäre geschieht.

CO₂ erzeugt keine Energie und schließt sie auch nicht dauerhaft ein. Stattdessen wechselwirkt es mit der von der Erde abgegebenen Infrarotstrahlung und verändert den Weg, den diese Energie zurücklegen muss, bevor sie schließlich wieder ins Weltall gelangt. Dahinter steckt die Physik von Molekülen – ein für uns unsichtbarer Prozess, der dennoch eine grundlegende Rolle für das Klima der Erde spielt.

Energie: von der Sonne zur Erde

Fast die gesamte Energie, die das Klimasystem der Erde antreibt, stammt von der Sonne.

Die Sonnenstrahlung erreicht die Erde in Form elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Wellenlängen. Besonders wichtig für unseren Planeten sind sichtbares Licht und nahes Infrarot. Die Atmosphäre ist für diese Wellenlängen weitgehend transparent. Deshalb kann das Sonnenlicht die Luft durchqueren, ohne in nennenswertem Umfang absorbiert zu werden, und die Erdoberfläche erreichen.

Ozeane, Wälder, landwirtschaftliche Flächen, Wüsten und Städte nehmen diese Energie auf und erwärmen sich. Bis hierhin spielt CO₂ nur eine untergeordnete Rolle.

Doch jeder warme Körper gibt seinerseits Energie ab. Das gilt für einen Heizkörper, für unseren eigenen Körper und auch für die Erde. Zwischen der Sonne und unserem Planeten gibt es jedoch einen grundlegenden Unterschied: ihre Temperatur.

Die Oberfläche der Sonne ist etwa 5.500 °C heiß, während die durchschnittliche Temperatur an der Erdoberfläche bei rund 15 °C liegt. Deshalb sendet die Sonne überwiegend sichtbares Licht aus, während die Erde die aufgenommene Energie vor allem in Form von Infrarotstrahlung wieder abgibt – mit längeren Wellenlängen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind.

Und genau mit dieser Strahlung wechselwirkt CO₂.

Wie unzählige kleine Federn

Stickstoff (N₂) und Sauerstoff (O₂), die zusammen rund 99 % der Atmosphäre ausmachen, wenn man Wasserdampf außer Betracht lässt, lassen einen großen Teil der von der Erde abgegebenen Infrarotstrahlung nahezu ungehindert passieren.

Bei CO₂ ist das anders – und der Grund dafür liegt in seiner Molekülstruktur.

Ein Kohlendioxidmolekül besteht aus einem Kohlenstoffatom, das mit zwei Sauerstoffatomen verbunden ist (O=C=O). Wie alle Moleküle sind auch CO₂-Moleküle nicht unbeweglich: Ihre Atome können sich nach ganz bestimmten Mustern strecken, biegen und schwingen. Diese Bewegungsformen werden als Schwingungsmoden bezeichnet.

Die Quantenphysik beschreibt, dass diese Schwingungen nur ganz bestimmte Energiemengen aufnehmen können. Eine davon entspricht besonders gut der von der Erdoberfläche abgegebenen Infrarotstrahlung – insbesondere bei Wellenlängen um 15 Mikrometer.

Anders gesagt: Trifft ein Infrarotphoton mit der passenden Energie auf ein CO₂-Molekül, kann es absorbiert werden. Das geschieht nicht, weil CO₂ Wärme „anzieht“, sondern weil seine Molekülstruktur mit genau dieser Frequenz der Strahlung wechselwirken kann.

Stellen wir uns eine kleine Feder vor. Wird sie zusammengedrückt, speichert sie elastische Energie. Lässt man sie los, gibt sie diese Energie wieder ab, während sie in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt.

CO₂ verhält sich in gewisser Hinsicht ähnlich, auch wenn der tatsächliche Vorgang quantenmechanischer Natur ist.

Wenn ein CO₂-Molekül ein Infrarotphoton absorbiert, geht es in einen angeregten Schwingungszustand über. Seine Atome schwingen nun mit höherer Energie: Die Energie des Photons ist nicht verschwunden, sondern wurde vorübergehend in der Schwingung des Moleküls gespeichert.

Dieser Zustand dauert nur extrem kurz – im Bereich von Mikrosekunden oder sogar Nanosekunden. Dennoch reicht diese Zeit aus, damit der nächste Schritt stattfinden kann: jener Prozess, der für das Klima der Erde besonders wichtig ist.

Warum Energie länger in der Atmosphäre bleibt

Die Atmosphäre ist ein äußerst dynamisches Umfeld. Moleküle stoßen ständig mit den sie umgebenden Molekülen zusammen. Befindet sich ein CO₂-Molekül in einem angeregten Zustand, kollidiert es häufig mit Stickstoff- oder Sauerstoffmolekülen, bevor es das zuvor absorbierte Photon spontan wieder abstrahlt.

Bei diesen Zusammenstößen kann ein Teil der Schwingungsenergie auf andere Moleküle übertragen werden. Dadurch bewegen sich Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle geringfügig schneller.

Aus physikalischer Sicht hängt die Temperatur genau damit zusammen: mit der durchschnittlichen kinetischen Energie der Moleküle, aus denen ein Körper besteht.

Die Energie, die ursprünglich von einem Infrarotphoton transportiert wurde, kann somit in Bewegungsenergie der Moleküle in der Luft übergehen.

Durch weitere Wechselwirkungen können andere CO₂-Moleküle erneut Energie aufnehmen und Infrarotphotonen wieder in unterschiedliche Richtungen abstrahlen: ins Weltall, seitlich oder zurück in Richtung Erdoberfläche.

Dieses fortlaufende Zusammenspiel aus Absorption, Zusammenstößen und erneuter Abstrahlung macht den Weg der Energie deutlich länger und komplexer, als er in einer Atmosphäre ohne Treibhausgase wäre.

Mehr CO₂ bedeutet mehr Erwärmung – ohne dass neue Energie entsteht

Aber wenn CO₂ die absorbierte Energie wieder abgibt, warum steigt dann die Temperatur?

Die Antwort lautet: Die Gesamtmenge an Energie verändert sich nicht.

Was sich verändert, ist die Zeit, die diese Energie im Klimasystem verbringt, bevor sie schließlich ins Weltall entweicht.

Stellen wir uns den Weg eines einzelnen Infrarotphotons vor. In einer Atmosphäre mit wenig CO₂ hätte es eine größere Wahrscheinlichkeit, den Planeten relativ schnell zu verlassen.

Steigt jedoch die Konzentration von Kohlendioxid, erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Photon absorbiert wird, dass seine Energie auf andere Moleküle übertragen wird, dass erneut Infrarotstrahlung ausgesendet wird – und dass der Prozess von Neuem beginnt.

Jeder einzelne dieser Schritte dauert nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde. Doch Billionen über Billionen solcher Vorgänge finden ständig in der gesamten Atmosphäre statt und verändern die Energiebilanz unseres Planeten.

Um das Gleichgewicht zwischen der von der Sonne aufgenommenen Energie und der ins Weltall abgegebenen Energie wiederherzustellen, muss die Erdoberfläche eine höhere Durchschnittstemperatur erreichen. Nur so kann sie genügend Infrarotstrahlung aussenden, um die einfallende Energie auszugleichen.

Das ist die physikalische Grundlage des Treibhauseffekts.

Warum CO₂ sich von anderen Treibhausgasen unterscheidet

Die Atmosphäre enthält verschiedene Gase, die Infrarotstrahlung absorbieren können. Dazu gehören Wasserdampf, Methan (CH₄), Lachgas (N₂O), Ozon und CO₂.

Wasserdampf leistet den größten Beitrag zum natürlichen Treibhauseffekt. Ohne ihn wäre die Erde deutlich kälter und für die meisten Lebensformen vermutlich nicht bewohnbar.

Warum richtet sich die wissenschaftliche Aufmerksamkeit also so stark auf CO₂?

Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre weitgehend von der Temperatur abhängt. Erwärmt sich die Luft, kann sie mehr Feuchtigkeit aufnehmen; kühlt sie ab, kondensiert der Wasserdampf schnell und gelangt als Regen oder Schnee wieder auf die Erdoberfläche. Seine durchschnittliche Verweildauer in der Atmosphäre beträgt etwa zehn Tage.

CO₂ folgt einer völlig anderen Dynamik.

Seine Konzentration wird kurzfristig nicht durch die Temperatur der Atmosphäre bestimmt, sondern durch das Gleichgewicht zwischen Emissionen und der Aufnahme durch Ozeane, Böden und Vegetation. Wenn menschliche Aktivitäten große Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzen, können natürliche Systeme diese Mengen nicht mit derselben Geschwindigkeit aufnehmen.

Deshalb wirkt CO₂ als klimatischer Antrieb: Es verändert die Energiebilanz des Planeten und löst eine Erwärmung aus, durch die die Atmosphäre wiederum mehr Wasserdampf aufnehmen kann. Dieser verstärkt die bereits durch CO₂ ausgelöste Erwärmung, löst sie jedoch nicht selbst aus.

Methan stellt wiederum einen anderen Fall dar. Molekül für Molekül ist es bei der Absorption von Infrarotstrahlung wesentlich wirksamer als CO₂, bleibt aber durchschnittlich nur etwa zwölf Jahre in der Atmosphäre. CO₂ ist dagegen pro Molekül weniger wirksam, kann sich jedoch über lange Zeiträume hinweg weiter in der Atmosphäre anreichern.

Diese Kombination aus Menge, Beständigkeit und der Fähigkeit, die globale Energiebilanz zu verändern, macht CO₂ zum wichtigsten Indikator für den menschengemachten Klimawandel.

Wie lange bleibt CO₂ in der Atmosphäre?

Eine der wichtigsten Eigenschaften von CO₂ ist seine lange Wirkung über die Zeit. Auf die Frage „Wie lange lebt ein CO₂-Molekül?“ gibt es keine einfache Antwort, denn Kohlendioxid wird ständig zwischen Atmosphäre, Ozeanen, Vegetation und Böden ausgetauscht.

• Ein Teil wird innerhalb weniger Jahre von Pflanzen durch Photosynthese oder von den oberflächennahen Schichten der Ozeane aufgenommen.
• Ein weiterer Teil benötigt Jahrzehnte oder Jahrhunderte, um in die Tiefsee transportiert zu werden.
• Ein bedeutender Anteil bleibt über Jahrhunderte in der Atmosphäre, während ein kleiner Teil das Klima der Erde sogar über Jahrtausende hinweg beeinflussen kann, bis extrem langsame geologische Prozesse ihn schließlich dauerhaft entfernen.

Das bedeutet, dass die Emissionen von heute auch künftige Generationen noch beeinflussen werden.

Das ist einer der Aspekte, durch die sich CO₂ von den meisten anderen Luftschadstoffen unterscheidet: Seine Auswirkungen enden nicht in dem Moment, in dem die Emissionen aufhören, sondern wirken über lange Zeiträume weiter, weil das Klimasystem viel Zeit benötigt, um ein neues Gleichgewicht zu erreichen.

Fazit

Fazit

Die Rolle von CO₂ zu verstehen bedeutet, die Funktionsweise des Klimasystems der Erde selbst zu verstehen.

Kohlendioxid erzeugt keine Energie, produziert keine Wärme aus dem Nichts und verhindert auch nicht dauerhaft, dass Strahlung den Planeten verlässt. Es wechselwirkt mit der von der Erdoberfläche abgegebenen Infrarotstrahlung, überträgt Energie auf Moleküle in der Atmosphäre und macht den Weg, auf dem diese Energie schließlich ins Weltall zurückkehrt, länger und komplexer.

Auf mikroskopischer Ebene geht es dabei um die Absorption eines einzelnen Photons durch ein einzelnes Molekül.

Auf planetarer Ebene verändern Billionen über Billionen solcher Wechselwirkungen die Energiebilanz der Erde und tragen zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur bei.

In diesem Prozess – scheinbar winzig, aber ununterbrochen in der gesamten Atmosphäre wiederholt – liegt einer der Schlüssel zum Verständnis des gegenwärtigen Klimawandels.

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Bibliografia e letture consigliate

• IPCC (2021). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Sixth Assessment Report.
• IPCC (2023). AR6 Synthesis Report.
• NASA Earth Observatory. The Atmosphere: Getting a Handle on Carbon Dioxide.
• UCAR Center for Science Education. Carbon Dioxide Absorbs and Re-emits Infrared Radiation.
• Royal Society. Climate Change: Evidence and Causes.
• Archer, D. (2011). Global Warming: Understanding the Forecast. Wiley.
• Pierrehumbert, R. T. (2010). Principles of Planetary Climate. Cambridge University Press.
• Pacchioni, G. (2021). W la CO₂! Possiamo crescere felici senza distruggere il pianeta. Il Mulino.