Welche Rolle hat der Wasserdampf beim Treibhauseffekt?

Original von Gavin Schmidt (NASA Goddard Institute for Space Studies in New York) bei RealClimate

Übersetzt und umgeschrieben von Maiken Winter Warum wird Wasserdampf als Treibhausgas bezeichnet? Warum schenken wir anderen Treibhausgasen so viel mehr Beachtung, obwohl der Wasserdampf das Wichtigste aller Treibhausgase ist? Wissenschaftler antworten darauf, dass Wasserdampf in der Tat ein wichtiges Treibhausgas ist; jedoch ist es selbst nicht eine treibende Kraft („forcing“) für den Treibhauseffekt, sondern entsteht durch Rückkopplung. Was bedeutet das eigentlich?

Dazu erst einmal eine kurze Grundlage. Langwellige (oder auch Wärme-) Strahlung strahlt von der Erdoberfläche ab, und wird zu einem grossen Teil von der Erdatmosphäre absorbiert. Dafür ist v.a. Wasserdampf verantwortlich. Aber wie wichtig ist der Wasserdampf für diese Absorption wirklich? Wasserdampf ist, wenn man sich auf die Masse bezieht, das häufigste Treibhausgas – es nimmt ca 0.3% der Masse der Atmosphäre ein, im Vergleich zu 0.06% für CO2. Damit nimmt es ca 80% der Masse aller Treibhausgase ein (und ca 90% des Volumens). Trotzdem ist der Wasserdampf als Treibhausgas weniger wichtig als es zuerst erscheint. Dies wurde mit statistischen Modellen berechnet.

Um die Wichigkeit eines Moleküls als Treibhausgas zu quantifizieren, kann man ein statistisches Modell erstellen, welches sämtliche Moleküle oder Partikel beinhaltet, die langwellige Strahlung absorbieren (alle Treibhausgase, Wolken, und Aerosole). Jeweils eines dieser Partikel oder Moleküle wird dann aus dem Modell entfernt, und der Unterschied der Absorption langwelliger Strahlung zwischen den Modellen berechnet. Dieser Unterschied zeigt dann den minimalen Einfluss der jeweiligen Komponente an. Umgekehrt kann man den maximalen Einfluss jeder Komponente berechnen, indem man die Absorption jeder einzelnen Komponente für sich allein betrachtet, und dann mit dem gesamten Modell vergleicht. Meistens sind die so festgestellten Minima und Maxima des Absorptionsanteils nicht gleich, da sich die Absorptionsspektra verschiedener Moleküle oder Partikel oft überschneiden (z.B. kann die Strahlung einer bestimmten Frequenz sowohl von Wasserdampf als auch von CO2 absorbiert werden; das grundlegende Modell dafür kann man auf der GISS model website finden).

Absorbierendes
Molekül das aus dem Modell entfernt wurde

Teil der langwelligen der immer noch absorbiert wird

Keins

100%

H2O (Wasser)

64

Wolken

84

CO2

91

O3 (Ozon)

97

Andere THG

98

H2O+Wolken

34

H2O+CO2

47

Alles ausser

H2O+Wolken

85

Alles ausser H2O

66

Alles ausser CO2

26

Alles ausser O3

7

Alles ausser andere THG

8

Alles

0%

Die nebenstehende Tabelle zeigt, um wie viel sich die Absorption langwelliger Strahlung ändert, nachdem ein oder mehrere Komponenten von dem Modell entfernt sind. Da sich das Absorptionsspektrum der verschiedenen Moleküle überschneidet, ist die Summe der Absorption aller Moleküle weit grösser als 100%. Obwohl die Überschneidung der Absorptionsspektren die Ergbnisse etwas komplizierter machen, ist doch eindeutig zu erkennen, dass Wasserdampf mehr langwellige Strahlung absorbiert (36-66%) als irgendein anderes Treibhausgas. Zusammen mit den Wolken ist der Wasserdampf sogar für 66-85% aller absorbierter langwelliger Strahlung verantwortlich. Dahingegen absorbieren Ozon und andere Treibhausgase höchstens 7 und 8% der langwelligen Strahlung; CO2 absorbiert nur 9 – 26% aller langwelligen Strahlung.

Der Anteil des Wasserdampfes als Absorbierer langwelliger Strahlung ist demnach tatsächlich so hoch, dass es in der Tat das wichtigste Treibhausgas ist. Jedoch besteht ein wichtiger Unterschied zwischen Wasserdampf und anderen Treibhausgasen: Wasserdampf hat eine sehr kurze Verweildauer in der Atmosphäre (etwa 14 Tage). Im Vergleich dazu bleiben CO2 (Jahrzehnte bis Jahrhunderte) und Methan (Jahrzehnte) sehr viel länger in der Atmosphäre. Was hat dieser Unterschied in der Verweildauer mit der Wichtigkeit einer Komponente als Treibhausgas zu tun?

Die Menge des Wasserdampfes in der Atmosphäre wird kurzzeitig durch Verdunstung reguliert. Verdunstung wiederum ist direkt von der Temperatur abhängig – je wärmer es ist, umso mehr Wasser verdunstet, und umso mehr Wasserdampf ist in der Atmosphäre. Wenn sich die Oberflächentemperatur der Erde erhöht (durch erhöhte Emissionen von Treibhausgasen, veränderte Intensität der Sonnenstrahlung, oder Vulkanausbrüche), kann man daher erwarten, dass sich die Menge des Wasserdampfes schnell an die veränderte Temperatur anpasst. Dabei kann man davon ausgehen, dass sich die Menge des Wasserdampfes ungefähr so ändert, dass die relative Luftfeuchtigkeit konstant bleibt. Diese Aussage ist übrigens ein Ergebnis statistischer Modelle ist, nicht nur eine blosse Annahme. Da sich bei einer ungefähr konstanten Luftfeuchtigkeit die spezifische Luftfeuchtigkeit bei einer Zunahme der Lufttemperatur erhöht, wird sich bei einer Temperaturerhöhung also auch die Menge des Wasserdampfes in der Atmosphäre erhöhen. Diese Erhöhung wiederum wird die Absorption der langwelligen Strahlung erhöhen, und dadurch zu einer weiteren Temperaturerhöhung beitragen. Diese positive Rückkopplung wird auch als “Wasserdampf-Rückkopplung” bezeichnet. Daher ist Wasserdampf selbst keine treibende Kraft als Treibhausgas, sondern ist von dem Vorkommen anderer Treibhausgase abhängig.

Dazu gibt es eine Ausnahme. Die Stratosphäre ist so trocken, dass Wasserdampf dort länger verweilen kann als in anderen Teilen der Atmosphäre (bis zu einigen Jahren). Wasserdampf kann dort daher ausnahmsweise als eine treibende Kraft angesehen werden. Wasserdampf entsteht in der Stratosphäre v.a. durch Oxidation von Methan, sowie durch Kondensstreifen von Flugzeugen (daher haben Flugzeuge eine weit grössere Auswirkung auf die globale Erderwärmung als man durch das blosse Verbrennen von Kerosin annehmen könnte).
Es gibt zwar weiterhin noch einige Unsicherheiten: z. B. scheint die obere Troposphäre nicht eine konstante relative Luftfeuchtigkeit zu haben. Jedoch konnte auch dort eine positive Rückkopplung zwischen Wasserdampf und Temperatur festgestellt werden. Die beschriebenen Modelle zeigen daher eindeutig, dass Wasserdampf keine oder nur eine geringe treibende Kraft bei der globalen Erderwärmung besitzt. Diese Beobachtungen verringern zwar nicht die Wichtigkeit des Wasserdampfes als Treibhausgas; aber sie zeigen, dass durch die Emission von Treibhausgasen, die eine treibende Kraft bei der Absorption langwelliger Strahlung besitzen (so wie CO2 und Methan, die unabhängig von anderen Bestandteilen der Erdatmosphäre wirken), die globale Oberflächentemperatur sehr stark vom Menschen beeinflusst wird.

Maiken Winter

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