CO2 und Wasserdampf

CO₂ und Wasserdampf

CO₂ ist ein Treibhausgas, das Wärme in der Atmosphäre hält und dadurch die Temperatur der Erde steuert, wie ein Thermostat. Wasserdampf ist ebenfalls ein Treibhausgas, das wiederum die Wirkung von CO₂ verstärkt. Tropische Regenwälder erzeugen Wolken, die einen kühlenden Effekt haben – weniger Regenwälder bedeuten weniger Wolken und damit weniger Kühlung.

Die wichtigsten klimarelevanten Gase (Treibhausgase) im Klimasystem der Erde sind Kohlenstoffdioxid (auch Kohlendioxid oder CO₂) und Wasserdampf. CO₂ ist ein farb- und geruchloses Gas, dessen Moleküle aus zwei Sauerstoffatomen und einem Kohlenstoffatom bestehen. Es gehört wie Methan, Lachgas, Ozon und Fluorchlorkohlenwasserstoffe zu den nicht-kondensierbaren Treibhausgasen in der Atmosphäre. Obwohl diese teils viel stärkere Treibhausgase sind, ist CO₂ doch das wichtigste, weil es in vergleichsweise großen Mengen in der Atmosphäre vorkommt. Zudem kondensiert CO₂ bei den aktuell vorherrschenden Temperaturen nicht und verbleibt sehr lange Zeit gleichmäßig verteilt in der Atmosphäre. In der Nähe des Meeresspiegels bis zu einer Höhe von 90 Kilometern ist die Atmosphäre homogen zusammengesetzt aus 78,1 Prozent Stickstoff, 20,9 Prozent Sauerstoff, 0,9 Prozent Argon und aktuell 0,04 Prozent CO₂. Lediglich die Dichte nimmt mit zunehmender Höhe ab, was jeder bemerkt, der beim Bergwandern in der Höhe kurzatmig oder sogar höhenkrank wird. Oberhalb von 90 Kilometern ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre, und es dominieren leichtere Gase, wie zum Beispiel Wasserstoff und Helium.

CO₂ ist kein Fluchthelfer für Wärme

Sonnenlicht, das in die Atmosphäre eintritt, interagiert nicht direkt mit den CO₂-Molekülen. Die Energie des kurzwelligen Sonnenlichts wird zuerst von der Erdoberfläche mehr oder weniger stark absorbiert und als langwellige thermische Infrarotstrahlung – Wärme – wieder in die Atmosphäre zurückgeworfen. Ein kleiner Teil der Wärme passiert die Atmosphäre ungehindert und entweicht in den Weltraum. Aber der größte Teil trifft in der Atmosphäre auf CO₂-Moleküle, die die Wärme absorbieren und in alle Richtungen wieder abstrahlen – in den Weltraum, zu anderen CO₂-Molekülen und zurück zur Erdoberfläche. Die Wärme wird gewissermaßen an der Flucht in den Weltraum gehindert, wodurch sie in die Atmosphäre verbleibt und diese erwärmt. Der Effekt ist vergleichbar mit einem Gewächshaus, das in der Sonne steht und sich stärker erwärmt als die Umgebung. Stickstoff, Sauerstoff und Argon interagieren nicht mit Wärme und lassen diese ungehindert passieren.

Wenn klimarelevante Gase wie CO₂ Sonnenenergie in Form von Wärme in der Atmosphäre halten, wird von Treibhauseffekt gesprochen. Der Treibhauseffekt verursacht den Klimawandel der heutigen Zeit. Treibhausgase in der Atmosphäre sind nicht per se böse. Im Gegenteil, sie sind für das Leben auf der Erde unverzichtbar, allein die Menge macht’s. Die atmosphärische CO₂-Konzentration pendelte in den vergangenen achthunderttausend Jahren zwischen 0,017 und 0,030 Prozent. Seit 275 Jahren steigt sie allerdings an und liegt aktuell bei 0,043 Prozent. Ohne CO₂ in der Atmosphäre läge die durchschnittliche Oberflächentemperatur heute nicht bei 14 °C, sondern die Erde wäre von Eis bedeckt, mit Temperaturen auf der Oberfläche fast wie im Gefrierfach des Kühlschranks.

Wasserdampf ist ein Wärmefänger

Verdampfendes Wasser wird zu einem Gas in der Atmosphäre, zu Wasserdampf. Im Gegensatz zu CO₂ ist Wasserdampf in der Atmosphäre kondensierbar, das heißt, er kann vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergehen und umgekehrt. Das Ergebnis sind Wolken und Niederschläge in jeglicher Form. Bevor sie als Niederschläge wieder auf die Erde gelangen, verbleiben Wassermoleküle durchschnittlich nur acht bis zehn Tage in der Atmosphäre (Gimeno u. a. 2021). Wasserdampf ist deswegen ein relativ kurzlebiges atmosphärisches Treibhausgas. Ähnlich wie CO₂ interagieren die Wassermoleküle in der Atmosphäre mit der von der Erdoberfläche reflektierten Wärme und halten diese zurück. Wasserdampf ist das einzige Treibhausgas, dessen Konzentration in der Atmosphäre temperaturabhängig zwischen 0 und vier Volumenprozent schwankt. Am höchsten ist die Konzentration des Wasserdampfs über Ozeanen und tropischen Regenwäldern (vier Prozent), am niedrigsten über kontinentalen Wüsten und an den Polen (0,2 Prozent). Ein Kubikmeter Luft wiegt bei 20 °C auf Meereshöhe etwa 1,2 Kilogramm. Über Ozeanen und tropischen Regenwäldern kann die Luft deswegen bis zu 48 Gramm Wasserdampft enthalten, über kontinentalen Wüsten und an den Polen hingegen nur 2,4 Gramm.

Die Volumenprozente dürfen nicht mit der relativen Luftfeuchtigkeit verwechselt werden, die ein Maß dafür ist, wie gesättigt Luft ist. Das heißt, wie viel Wasserdampf enthält die Luft verglichen mit der maximalen Menge, die sie aufnehmen könnte. Bei 100 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit enthält die Luft so viel Wasserdampf, wie sie aufnehmen kann, sie ist gesättigt. Wird gesättigte Luft erwärmt, kann sie mehr Wasser aufnehmen. Dieser Effekt wird genutzt, wenn warme Luft zum Trocknen verwendet wird, beispielsweise von Wäsche. Wird gesättigte Luft hingegen abgekühlt, kann sie nicht mehr allen Wasserdampf halten. Die überschüssige Menge Wasserdampf kondensiert zu kleinen Wassertröpfchen. Das passiert am Glas von kalten Fensterscheiben oder Brillen, an denen sich Kondenswasser bildet.

Wolken
In der Atmosphäre bilden die Wassertröpfchen in großer Zahl Wolken. Mehr Wasserdampf in der Atmosphäre führt zu mehr Wolken, die das Klima beeinflussen. Wolken in allen Schichten der Atmosphäre reflektieren Sonnenlicht und haben deswegen einen kühlenden Effekt, ähnlich wie Schnee- und Eisfelder. Aus Eiskristallen bestehende Wolken in hohen und kalten Luftschichten lassen das Sonnenlicht zwar in die Atmosphäre passieren, halten aber die zurückgeworfene Wärme zurück, weswegen sie auch einen wärmenden Effekt haben (Kluft u. a. 2025). Anders ist es bei Wolken in tieferen Luftschichten, bei denen der kühlende Effekt durch die Reflexion des Sonnenlichts überwiegt. Sie tragen wenig dazu bei, die Wärme in der Atmosphäre zu halten. Das heißt, wenn es weniger Wolken in tiefen Luftschichten gibt, geht der kühlende Effekt verloren, und es wird wärmer. Tropische Regenwälder geben durch Evapotranspiration sehr viel Wasser ab, wodurch sich in tieferen Schichten der Atmosphäre Wolken bilden, die einen kühlenden Effekt haben. Weniger Wolken bedeuten in diesem Fall tatsächlich weniger Kühlung.

CO₂ steuert – Wasserdampf verstärkt

Unter den derzeit auf der Erde herrschenden Bedingungen tragen die klimarelevanten Gase unterschiedlich stark zu stabilen Temperaturen in der Atmosphäre bei: Wasserdampf zu 50 Prozent, Wolken zu 25 Prozent, CO₂ zu 20 Prozent und Aerosole zu 5 Prozent (Lacis u. a. 2010). Das heißt, Wasserdampf und Wolken scheinen zusammen die Haupt- und CO₂ nur die Nebenrolle zu spielen. Rein mengenmäßig und bezüglich der Wirkung mag das stimmen, schließlich gibt es viel mehr Wasser in der Atmosphäre als CO₂. Die Temperatur in der Atmosphäre wird aber von CO₂ gesteuert, es bestimmt gewissermaßen die Basistemperatur. In einem als negative Rückkopplung bezeichneten Prozess hält atmosphärisches CO₂ die Temperatur auf der Erde stabil in einem lebenswerten Bereich. Diese selbstregulierende Eigenschaft ist vergleichbar mit einem Thermostat, der die Heizung steuert und die Wohnung im Winter konstant warmhält. „Negativ“ ist in diesem Zusammenhang also durchaus positiv zu bewerten.

Was passiert, wenn der CO₂-Thermostat aufgedreht wird? Mehr CO₂ gelangt in die Atmosphäre, und es wird wärmer. Wegen der Erwärmung verdunstet mehr Wasser von der Erdoberfläche und aus den Ozeanen, wodurch die atmosphärische Wasserdampfkonzentration steigt. Mehr Wasserdampf in der Atmosphäre verstärkt den Treibhauseffekt, es wird noch wärmer. Eine wärmere Atmosphäre kann bis zu einer gewissen Grenze mehr Wasserdampf aufnehmen, bevor das Wasser in Form von Niederschlägen ausfällt. Das heißt, noch mehr Wasser verdunstet, und es wird noch wärmer usw. Dieser sich selbst verstärkende Effekt ist eine positive Rückkopplung, ausgelöst durch Wasserdampf. „Positiv“ ist in diesem Fall eher negativ, weil der anfängliche Anstieg der CO₂-Konzentration eine Kaskade in Gang setzt, die zu einem unkontrollierten, sich selbst verstärkenden Anstieg der Temperatur in der Atmosphäre führt. Das Ergebnis ist der Klimawandel.

Rückkopplungen

Rückkopplungen sind Prozesse, die stabilisierend oder beschleunigend auf Teile des Klimasystems einwirken. Jede Aktion erzeugt eine Reaktion, jede Ursache hat eine Wirkung. Wenn eine Reaktion zurückwirkt und die Aktion beeinflusst, entstehen positive oder negative Rückkopplungen. In einer positiven Rückkopplung hat eine Aktion eine Folge, die den Effekt der Anfangsaktion verstärkt, was zu Wachstum, Schrumpfung oder gar Zusammenbruch führen kann. Dadurch gerät das System aus dem Gleichgewicht, wie zum Beispiel bei dem Schneeball, der bergab rollt und dabei immer größer und schneller wird. Eine positive Rückkopplung ist umgangssprachlich ein Teufelskreis.

In einer negativen Rückkopplung hat eine Aktion eine Folge, die die Wirkung der anfänglichen Wirkung dämpft und stabilisiert. Dadurch bleibt das System im Gleichgewicht, wie zum Beispiel bei der Körpertemperatur des Menschen, die vom Körper konstant gehalten wird. Im Zusammenhang mit dem Klimawandel ist das Verständnis von Rückkopplungen wesentlich, um das Klimasystem der Erde zu verstehen.