Wie funktioniert der natürliche Treibhauseffekt und wie wird er vom anthropogenen Treibhauseffekt beeinflusst?
Genauso wie der anthropogen verursachte Treibhauseffekt beruht der natürliche Treibhauseffekt auf den gleichen Gasen: CO2, Methan, Lachgas, … und der auf die Erde einfallende Sonnenstrahlung.
Die Sonnenstrahlung geht für sehr viele Wellenlängen (z.B. für das sichtbare Licht) weitgehend "glatt" bis auf den Erdboden durch. Dort wird das Licht absorbiert und erwärmt den Boden. Der warme Boden strahlt die absorbierte Lichtenergie als Wärme (elektromagnetische Strahlung mit sehr viel größerer Wellenlänge als sichtbares Licht) wieder ab - das kennt jeder, der schon einmal vor einer schön warmen Hauswand im Herbst gestanden hat, oder von den in den letzten Jahren beliebt gewordenen Infrarotheizungen. Diese Wärmestrahlung wird allerdings - im Gegensatz zum sichtbaren Licht - von den Gasen in der Atmosphäre absorbiert und erwärmt diese Gase. Ohne Atmosphäre und den Treibhauseffekt wäre die mittlere Temperatur auf der Erde so wie auf dem Mond: -55°C.
Ein kleiner Ausflug zu „was ist Wärme?“: das was als "warme Luft" empfinden,, sind die Gasatome und -moleküle in der Luft, die mit einer gewissen Geschwindigkeit auf unsere Haut auftreffen und dort ihre Bewegungsenergie an die Haut abgeben. Je mehr Teilchen pro Zeiteinheit auf die Haut auftreffen und je höher die Geschwindigkeit dieser Teilchen, desto wärmer empfinden wir diese Luft. Durch die oben erwähnte Absorption von Wärmestrahlung werden die Teilchen der Luft im Mittel schneller, ihre Bewegungsenergie wird größer: es wird also wärmer.
Was man noch erwähnen muss ist die wichtige Rolle, die Wasserdampf im der Atmosphäre spielt. Wasserdampf ist für den größten Teil des Treibhauseffekts (natürlich oder menschengemacht) verantwortlich:
8.1 | Wasserdampf | Deutsches Klima Konsortium
Als größter Beitragender zum natürlichen Treibhauseffekt spielt Wasserdampf eine wesentliche Rolle im Klima der Erde. Allerdings wird die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre überwiegend über die Lufttemperatur statt über Emissionen geregelt. Daher betrachten Wissenschaftler ihn eher als einen Rückkopplungsfaktor denn als einen Antrieb des Klimawandels. Anthropogene Wasserdampfemissionen durch Bewässerung oder Kraftwerkskühlung haben einen vernachlässigbaren Einfluss auf das globale Klima. Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas in der Erdatmosphäre. Der Beitrag von Wasserdampf zum natürlichen Treibhauseffekt gegenüber dem von Kohlendioxid (CO2) hängt von der Berechnungsmethode ab, kann aber als ungefähr zwei- bis dreimal größer betrachtet werden. Zusätzlicher Wasserdampf wird der Atmosphäre durch anthropogene Aktivitäten zugeführt, größtenteils infolge vermehrter Verdunstung aus bewässertem Nutzpflanzenanbau, aber auch infolge von Kraftwerkskühlung und geringfügig infolge der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Man kann sich daher fragen, warum so ein starker Fokus auf CO2 und nicht auf Wasserdampf als Antrieb des Klimawandels liegt. Wasserdampf verhält sich in einer grundlegenden Weise anders als CO2: Er kann kondensieren und sich niederschlagen. Wenn Luft mit hoher Feuchtigkeit abkühlt, kondensiert ein Teil des Wasserdampfes zu Wassertröpfchen oder Eispartikeln und fällt als Niederschlag aus. Die übliche Verweildauer von Wasserdampf in der Atmosphäre beträgt zehn Tage. Der Fluss von Wasserdampf in die Atmosphäre aus anthropogenen Quellen ist um einiges geringer als aus “natürlicher“ Verdunstung. Daher hat er einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Gesamtkonzentrationen und trägt nicht signifikant zum langfristigen Treibhauseffekt bei. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass troposphärischer Wasserdampf (üblicherweise unterhalb von 10 km Höhe) nicht als anthropogenes Gas betrachtet wird, das zum Strahlungsantrieb beiträgt. Anthropogene Emissionen haben hingegen einen signifikanten Einfluss auf Wasserdampf in der Stratosphäre, der Schicht in der Atmosphäre oberhalb von etwa 10 km Höhe. Erhöhte Methankonzentrationen (CH4) aufgrund von Aktivitäten des Menschen führen über Oxidation zu einer zusätzlichen Wasserquelle, was die beobachteten Veränderungen in dieser Schicht der Atmosphäre teilweise erklärt. Diese Änderung des stratosphärischen Wassers hat Einfluss auf die Strahlung, wird als ein Antrieb betrachtet und kann abgeschätzt werden. Die stratosphärischen Wasserdampfkonzentrationen schwankten in den letzten Jahrzehnten signifikant. Das volle Ausmaß dieser Schwankungen wird noch nicht ganz verstanden und ist wahrscheinlich weniger ein Antrieb als ein Rückkopplungsprozess, der zur natürlichen Variabilität hinzukommt. Der Beitrag von stratosphärischem Wasserdampf zur Erwärmung, sowohl als Antrieb wie auch durch Rückkopplung, ist sehr viel kleiner als der durch CH4oder CO2.
https://www.deutsches-klima-konsortium.de/de/klimafaq-8-1.html
Wasserdampf ist im Gegensatz zu den anderen Klimarelevanten Gasen eine Art sehr schnell regulierender Faktor: je wärmer die Atmosphäre wird, desto mehr Wasserdampf kann die Luft aufnehmen und trägt wiederum zur Erwärmung der Luft bei. Im Gegensatz zu anderen Gasen kann Wasserdampf bei "normalen" Lufttemperaturen aber kondensieren und beseitigt sich selbst aus der Atmosphäre, indem er als Regen zu Boden fällt.
Wie gesagt, alles das passiert alles mit oder ohne menschengemachten Treibhauseffekt. Als "anthropogenen Treibhauseffekt" wird nun der Anteil der Erwärmung der Atmosphäre bezeichnet, der dadurch zustande kommt, dass wir Menschen zusätzlich zu den natürlich in der Atmosphäre vorkommenden Treibhausgasen (die entstehen natürlich durch Zersetzung von organischem Material, Verdauungsvorgänge, Vulkanismus, …) zusätzliche Mengen dieser Treibhausgase freisetzt. Dadurch, dass wir CO2, Methan, Lachgas, etc. in großen Mengen in die Luft pusten, werden die natürlichen Prozesse verstärkt. CO2 spielt dabei die wichtigste Rolle, weil es den größten Anteil am menschengemachten Treibhauseffekt hat. Methan, Lachgas und andere Gase werden von uns ebenfalls emittiert und haben sogar einen stärkeren Effekt bei gleichen Mengen an Gas in der Atmosphäre, haben aber nicht so einen großen relativen Anteil am Gesamteffekt. Dadurch dass durch die menschlichen Emissionen die Konzentration dieser Gase in der Atmosphäre steigt, wird mehr Wärmestrahlung/-energie in der Atmosphäre "gefangen", es wird wärmer, die Atmosphäre nimmt mehr Wasserdampf auf, etc.
Für tiefergehende Informationen kann ich die oben verlinkte Seite empfehlen.