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Der Treibhauseffekt
Entstehungsgeschichte
Zusammensetzung der Luft
Chemisch besteht die Atmosphäre aus drei Komponenten: Zum einen ein Gasgemisch, dessen wichtigste Bestandteile in trockener, unbelasteter Luft Stickstoff (78 Prozent), Säure (21 Prozent), Argon (Argon ist ein chemisches Element mit Symbol Ar und Ordnungszahl 18) (0,9 Prozent) und Kohlendioxid (0,035 Prozent) sind. Zweitens aus festen und flüssigen Schwebeteilchen (“Aerosole (Ein Aerosol ist ein Kolloid aus feinen festen Teilchen oder flüssigen Tröpfchen in Luft oder einem anderen Gas) “) wie Staub, Ruß, Salze , Pflanzenpollen (Pollen ist eine feine bis grobe pulverförmige Substanz, die Pollenkörner enthält, die männliche Mikrogametophyten von Samenpflanzen sind, die männliche Keimzellen erzeugen) usw. und drittens aus Wassertropfen und Eisteilchen (“Hydrometeore”).
Klimawirksame Spurengase führen zu einer Erwärmung der Erdoberfläche. Spurengase treten nur in sehr geringen Konzentrationen auf. Klimawirksame Spurengase haben auch die Eigenschaft, die einfallende Sonnenstrahlung (Sonneneinstrahlung ist die von der Sonne in Form von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich des Messgerätes empfangene Leistung pro Flächeneinheit) nahezu ungehindert passieren zu lassen, während die Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche absorbiert, in Wärme umgewandelt und teilweise zurück zur Erde reflektiert wird. Die
se”Wärmerückführung” bewirkt eine Erwärmung von ca. 33 Grad Celsius zwischen der Erdoberfläche und der unteren Atmosphäre, wie in einem Gewächshaus. Spurengasheizwirkung Dampf20,6 °C Kohlendioxid 7,2 °C Ozon , bodennah2,4 °C Lachgas1,4 °C Methan 0,8 °C andere SpurengaseCa. 0,6 °C Summeca. Ohne den Treibhauseffekt hätte die Erde nur einen sengenden Frost. Ohne die Beteiligung von Treibhausgasen wäre die Erde eine feindliche Eiswüste mit einer Durchschnittstemperatur von -18 Grad Celsius. Stattdessen garantiert der Treibhauseffekt angenehme + 15 Grad Celsius, wobei allein der Dampf 62 Prozent und das Kohlendioxid 22 Prozent ausmacht. Dennoch darf der Einfluss anderer Treibhausgase nicht unterschätzt werden. Sobald ihre Konzentration und damit die Lufttemperatur steigt, verdampft mehr Wasser auf der Erde , was wiederum den atmosphärischen Wasserdampf (Wasserdampf, Wasserdampf oder Wasserdampf, ist die Gasphase des Wassers) Gehalt und erhöht den Treibhauseffekt. Das vorindustrielle Mischungsverhältnis von Methan (CH4) hat sich von 0,8 auf 1,74 ppm mehr als verdoppelt mit einer jährlichen Steigerung von 0,75 Prozent. Dies ist vor allem auf das Wachstum der Weltbevölkerung zurückzuführen, insbesondere auf den Ausbau des Reisanbaus und der Viehzucht, Emissionen aus Deponien und Verluste aus der Erdgas- und Ölförderung. Ähnliches gilt für Lachgas oder Lachgas (N2O), dessen atmosphärische Anreicherung 0,25 Prozent pro Jahr beträgt. GewächshausGaseKonzentrateStromatmosphäre. Anteil der Gewächshaustration (ppm (In Wissenschaft und Technik sind die Teile pro Notation eine Menge von Pseudoeinheiten, um kleine Werte verschiedener dimensionsloser Größen zu beschreiben, z.B.)). Erhöhung der Verweilzeit Zusätzliche Wirksamkeit 17501991 (%/a)(a) Treibhauseffekt (%) pro Molekül CO22803550,550 – 200501 CH40,81,740,75101527 N2O0,280,310, In direktem Zusammenhang mit der anhaltenden Luftverschmutzung (Luftverschmutzung tritt auf, wenn Schadstoffe einschließlich Partikel und biologische Moleküle in die Erdatmosphäre eingebracht werden), insbesondere der verkehrsbedingte “Photosmog”, ist das erhöhte Auftreten von bodennahem und extrem treibhauswirksamen Ozon (O3). Seine Konzentration steigt jährlich um 0,5 bis 1 Prozent – im Gegensatz zum lebenswichtigen Ozon (Ozon , oder Trioxygen, ist ein anorganisches Molekül mit der chemischen Formel ‘) in der oberen Atmosphäre – und erreicht immer häufiger gesundheitsschädigende Spitzenwerte. Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) sind ein absolut künstliches Produkt, das ausschließlich vom Menschen hergestellt wird. Sie wurden bisher als Treibmittel für Spraydosen, zur Herstellung von Kunststoffschäumen und als Reinigungsmittel in der Elektronikindustrie eingesetzt. Trotz ihres extrem geringen Mengenanteils und des bis zum Jahr 2000 eingeführten Produktionsverbotes tragen FCKW bereits über 20 Prozent zum”zusätzlichen” Treibhauseffekt bei. Viele Spurengase sind in ihrer Wärmeaufnahmekapazität gefährlich dies beweist aber auch, dass die Wirksamkeit eines Treibhausgases (A greenhouse gas (kurz: A greenhouse gas)) nicht allein von seinem atmosphärischen Mischungsverhältnis abhängt (in Chemie und Physik ist das dimensionslose Mischungsverhältnis die Häufigkeit einer Komponente eines Gemisches im Verhältnis zu der aller anderen Komponenten). Die molekulare Struktur eines Spurengases und das daraus resultierende Wärmeaufnahmevermögen haben einen ebenso großen Einfluss. Das bedeutet die Fähigkeit, die von der Erdoberfläche reflektierte Wärmestrahlung zu absorbieren und in Treibhausgase umzuwandeln. Darüber hinaus spielt die atmosphärische Verweilzeit von Treibhausgasen eine entscheidende Rolle. Sie beschreibt die durchschnittliche Verweilzeit der Gaspartikel in der Atmosphäre, bevor sie durch chemische Reaktion aus der Atmosphäre verschwinden (Eine chemische Reaktion ist ein Prozess, der zur Umwandlung einer Gruppe von chemischen Substanzen in eine andere führt) oder zum Übergang in die Biosphäre. Daher werden die geringen Konzentrationen vieler Spurengase durch ihre hohe Wärmeaufnahmekapazität und ihre lange Verweilzeit in der Atmosphäre mehr als ausgeglichen. Beispielsweise ist der Treibhauseffekt eines Methanmoleküls siebenundzwanzigmal höher als der eines Methanmoleküls, der eines Distickstoffoxids (Distickstoffoxid, allgemein bekannt als Lachgas oder Lachgas, ist eine chemische Verbindung, ein Stickoxid mit der Formel) das Molekül ist zweihundert und sechshundert Mal höher und das von FCKW-Molekülen sechzehnmal höher als das eines Kohlendioxidmoleküls. Dies erklärt auch, warum 50 Prozent des zusätzlichen Treibhauseffekts bereits auf”Nicht-CO2-Spurengase” zurückzuführen sind. Trotz der Einstellung der FCKW-Produktion wird dieser Anteil auf absehbare Zeit nicht sinken, sondern aufgrund der langen atmosphärischen Verweilzeit der”Nicht-CO2-Spurengase” steigen. Dennoch ist Kohlendioxid nach wie vor das wichtigste Spurengas anthropogenen Ursprungs (menschliche Einflüsse auf die Umwelt oder anthropogene Einflüsse auf die Umwelt umfassen Einflüsse auf die biophysikalische Umwelt, die Biodiversität und andere Ressourcen) mit einem Anteil von 50 Prozent am zusätzlichen Treibhauseffekt. Für die mittlere Bodentemperatur auf der Nord- und Südhalbkugel der Erde liegen seit Mitte des letzten Jahrhunderts ausreichend repräsentative Messreihen vor. Trotz starker jährlicher Schwankungen ist in den letzten 130 Jahren eine deutliche Erwärmung im Bereich von 0,5 bis 0,7 Grad Celsius zu beobachten. In den tropischen Breitengraden beispielsweise gab es nur einen leichten Temperaturanstieg, während in Nordamerika und Sibirien (Sibirien ist eine ausgedehnte geographische Region und wird im weitesten Sinne auch als Nordasien bezeichnet) die Temperatur um bis zu fünf Grad Celsius anstieg. Der europäische Sommer war ganz anders, mit kühlenden Effekten in einigen Regionen. Im Gegensatz dazu brachte der Herbst durchweg wärmere Temperaturen nach Europa. Im Zuge der globalen Erwärmung (Globale Erwärmung und Klimawandel sind Begriffe für den beobachteten jahrhundertelangen Anstieg der Durchschnittstemperatur des Klimasystems der Erde und der damit verbundenen Auswirkungen) sind eine Reihe weiterer klimawirksamer Veränderungen eingetreten, die den Klimawandel (Klimawandel ist eine Veränderung der statistischen Verteilung von Wettermustern, wenn diese Veränderung über einen längeren Zeitraum andauert) die bereits eingetreten ist wahrscheinlich erscheinen lassen: Die Alpengletscher sind in den letzten 140 Jahren um mehr als ein Drittel zurückgegangen. Gleichzeitig ist die jährliche Schneedecke in der nördlichen Hemisphäre (die nördliche Hemisphäre ist die Hälfte der Erde nördlich des Äquators) seit 1973 um rund acht Prozent zurückgegangen. Gleichzeitig stiegen die Oberflächentemperaturen der tropischen Ozeane zwischen 1949 und 1989 um 0,5 Grad Celsius. Durch die damit verbundene Wärmeausdehnung (Wärmeausdehnung ist die Tendenz der Materie zur Veränderung von Form, Fläche und Volumen als Reaktion auf eine Temperaturänderung) des Meerwassers und das Abschmelzen der Festlandgletscher ist der Meeresspiegel in den letzten hundert Jahren weltweit um durchschnittlich 10 bis 15 Zentimeter gestiegen. Schließlich waren die Durchschnittstemperaturen zwischen dem 9. und 13. Jahrhundert um 0,5 bis 1,0 Grad Celsius höher als heute, während des”mittelalterlichen Klimaoptimums” (Die mittelalterliche Warmzeit, das mittelalterliche Klimaoptimum oder die mittelalterliche Klimaanomalie war eine Zeit des warmen Klimas im Nordatlantik, die auch mit anderen Klimaereignissen auf der ganzen Welt während dieser Zeit, einschließlich China und anderen Gebieten, von etwa 950 bis 1250, zusammenhängen kann)”. Wenn die Temperaturen weiter steigen, wird es sicherlich zu großen Klimaveränderungen und damit zu weitreichenden sozioökonomischen Problemen wie der Bedrohung der Landwirtschaft und der Wasserwirtschaft sowie der Bedrohung der Küstengebiete kommen. Schon geringe Temperaturerhöhungen führten hier zu einer Ausdehnung des Wüstengürtels und zur Austrocknung der Böden sowie zu verstärkter Erosion und einer Ansammlung von Dürreperioden im Wechsel mit starken Niederschlägen. Diese Entwicklung verschärfte zwangsläufig die ohnehin angespannte Ernährungssituation und machte die Sahelzone zu einem riesigen Hungergebiet. Seit der Jahrhundertwende ist die Nachfrage nach Primärenergie um den Faktor 10 gestiegen, während die Weltbevölkerung im gleichen Zeitraum”nur” um den Faktor 2,5 gestiegen ist. Dadurch wurde immer mehr Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre freigesetzt, das sich dort kontinuierlich anreichert und den Treibhauseffekt weiter verstärkt. Mittlerweile sind es 22 Gigatonnen Kohlendioxid, das jedes Jahr in die Atmosphäre abgegeben wird. Hinzu kommt eine weitere, nicht minder wichtige Emissionsquelle: Die Brandrodung (Slash-and-Burn-Landwirtschaft, auch Brandrodung genannt, ist eine Anbaumethode, bei der Pflanzen in einem Wald oder Wald abgeholzt und verbrannt werden, um ein Feld zu schaffen, das als”swidden” bezeichnet wird) der ökologisch äußerst wertvollen tropischen Regenwälder. Sie verursachen den Verlust von über 20 Millionen Hektar Tropenwald pro Jahr und setzen 5,5 Gigatonnen Kohlendioxid frei. Es verhindert auch die Photosynthese (Photosynthese ist ein Prozess, der von Pflanzen und anderen Organismen verwendet wird, um Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln, die später freigesetzt werden kann, um die Aktivitäten der Organismen zu fördern) Umwandlung von CO2 in O2 (Sauerstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol O und der Ordnungszahl 8). Spurenemissionen GasQüllen22 Gt CO2 Kohlenstoff-fossile Energie22 Gt CO2 DioxidWaldrodung Bodenerosion5,5 Gt CO2 Holzverbrennung1,5 Gt CO2 Methan (Methan ist eine chemische Verbindung mit der chemischen Formel ) Fossile Energie100 Mt CH4 Viehzucht80 Mt CH4 Reisanbau60 Mt CH4 Biomasseverbrauch40 Mt CH4 Deponien Landnutzung etc. 100 Mt CH4 Distickstoff (Stickstoff ist ein chemisches Element mit Symbol N und Ordnungszahl 7) Düngung Oxidölbearbeitung 1,6 Mt N2O Nylonherstellung0,5 Mt N2O Biomasseverbrennung Die Prozesse, die zu ihrer Bildung führen, finden auf verschiedenen Etagen der Atmosphäre statt. Inzwischen gibt es jedoch Annahmen über einen Zusammenhang zwischen den beiden Prozessen. Eine aktuelle wissenschaftliche Hypothese sieht den folgenden Zusammenhang von Ursachen und Wirkungen. Der Mensch produziert Fluorchlorkohlenwasserstoffe (Ein Fluorchlorkohlenwasserstoff ist eine organische Verbindung, die nur Kohlenstoff, Chlor und Fluor enthält, hergestellt als flüchtiges Derivat von Methan, Ethan und Propan) (FCKW) und zerstört dadurch die Ozonschicht . Das resultierende Loch in der Ozonschicht (Ozonabbau beschreibt zwei verschiedene, aber verwandte Phänomene, die seit Ende der 1970er Jahre beobachtet wurden: ein stetiger Rückgang der Gesamtmenge an Ozon in der Stratosphäre der Erde um etwa vier Prozent und ein viel größerer Rückgang des stratosphärischen Ozons um die Polargebiete der Erde im Frühjahr) ermöglicht die gefährliche UV-B-Strahlung (Ultraviolett ist eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 10 nm bis 400 nm, kürzer als das sichtbare Licht, aber länger als Röntgenstrahlen) die das Plankton schädigt (Plankton ist die vielfältige Ansammlung von Organismen, die in der Wassersäule großer Wasserkörper leben und nicht gegen einen Strom schwimmen können) in den Ozeanen. Das bedeutet, dass diese Einzeller weniger Kohlendioxid aufnehmen können. Dies ist jedoch dringend erforderlich, da immer mehr CO2 (Kohlendioxid ist ein farbloses und geruchloses Gas, das für das Leben auf der Erde lebenswichtig ist) durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre freigesetzt wird. Der Treibhauseffekt (Der Treibhauseffekt ist der Prozess , durch den die Strahlung aus der Atmosphäre eines Planeten die Oberfläche des Planeten auf eine Temperatur erwärmt, die über dem liegt, was sie ohne seine Atmosphäre wäre) wird verstärkt und die globale Oberflächentemperatur steigt schneller an. Was können wir dagegen tun? In der Kraftwerkstechnik wurden jedoch die bisher erfolgreichsten Anstrengungen zur Effizienz- und Effizienzsteigerung unternommen. Dies gilt sowohl für die Umwandlung von Primärenergieträgern in den Kraftwerken als auch für die Umwandlung von Endenergie beim Verbraucher. So stieg der Wirkungsgrad der Stromerzeugung durch Fortschritte in der Kraftwerkstechnik von rund vier Prozent zur Jahrhundertwende auf 40 Prozent. Und die Entwicklung geht weiter: Neuartige Kraftwerke wie Gas- und Dampfturbinen (Eine Dampfturbine ist ein Gerät, das dem Druckdampf Wärmeenergie entzieht und diese für mechanische Arbeiten an einer rotierenden Abtriebswelle nutzt) Kraftwerke (GuD-Kraftwerke ) arbeiten heute mit Wirkungsgraden von über 50 Prozent. Darüber hinaus werden Kombikraftwerke (bei der Stromerzeugung ist ein Kombikraftwerk ein Zusammenschluss von Wärmekraftmaschinen, die aus der gleichen Wärmequelle in mechanische Energie umwandeln , die wiederum in der Regel elektrische Generatoren antreibt) Kraftwerke mit Druckwirbelbettbetankung und integrierter Kohlevergasung (Kohlevergasung ist der Prozess der Erzeugung von Synthesegas – ein Gemisch, das hauptsächlich aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid, Methan und Wasserdampf – aus Kohle und Wasser , Luft und/oder Sauerstoff besteht) getestet, die auch eine effektivere Umwandlung der eingesetzten Primärenergie ermöglichen. Im Kraftwerksbetrieb zählt aber nicht nur der Wirkungsgrad, sondern noch mehr der Wirkungsgrad einer Anlage. Sie geben an, inwieweit der eingesetzte Brennstoff während eines bestimmten Zeitraums tatsächlich verbraucht wurde. Die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme (“Kraft-Wärme-Kopplung”) in Blockheizkraftwerken leistet seit langem einen wesentlichen Beitrag. Ihr Wirkungsgrad ist bis zu 50 Prozent höher als bei der getrennten Strom- und Wärmeerzeugung, sofern beide Koppelprodukte – elektrische Energie und Wärme – sinnvoll genutzt werden können. Angesichts des rückläufigen industriellen Wärmebedarfs dürften in Zukunft kleinere Anlagen mit einem höheren Strom-zu-Wärme-Verhältnis gefragt sein, wobei Energieeinsparungen von bis zu 20 Prozent realisierbar erscheinen. Sie sind damit ein gutes Beispiel dafür, wie endliche, d.h. fossile und nukleare Energieträger durch den Einsatz erneuerbarer Energien eingespart werden können. Schließlich sind drei Viertel aller Ein- und Zweifamilienhäuser für die Nachrüstung von Wärmepumpen geeignet, was bei Neubauten ohnehin kein Problem darstellt. Demnach könnten bei einem langfristigen Sättigungswert von 20 bis 30 Prozent aller Wohnungen und der Wärmedämmung (Wärmedämmung ist die Reduzierung des Wärmeübergangs zwischen Objekten in Wärmekontakt oder im Bereich der Strahlungseinwirkung) derzeit im Einsatz, rund 14 Millionen Liter Heizöl mit Raumwärmepumpe (Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, das Wärmeenergie von einer Wärmequelle zu einem Zielort, dem sogenannten “Kühlkörper”, transportiert) Systeme pro Jahr eingespart werden. Dies erfordert jedoch massive preispolitische Unterstützungsmaßnahmen, ohne die die erneuerbaren Energieträger nicht wettbewerbsfähig sind. In diesem Zusammenhang sollten wir jedoch nicht übersehen, dass die Nutzung regenerativer Energiequellen oft nicht zu einer rationelleren Energienutzung führt. Vielmehr handelt es sich um einen reinen Substitutionsprozess, den Austausch von nicht-meürbaren Energieträgern gegen erneuerbare Energieträger, der in Summe eher zu einem Anstieg als zu einer Verringerung des Verbrauchs führt. Streng genommen bringt nur die passive Nutzung der Sonnenenergie (Solarenergie ist strahlendes Licht und Wärme von der Sonne , die durch eine Reihe sich ständig weiterentwickelnder Technologien wie Solarthermie, Solarthermie, Solararchitektur, Salzschmelzkraftwerke und künstliche Photosynthese genutzt wird) echte Energieeinsparungen, aber nicht alle anderen aktiven Systeme zur Nutzung von Sonnen- und Windenergie (Windkraft ist die Nutzung von Luftströmungen durch Windkraftanlagen zur mechanischen Stromerzeugung) oder Wasserkraft (Wasserkraft oder Wasserkraft ist Energie aus der Energie von fallendem Wasser oder schnell fließendem Wasser , die für nützliche Zwecke genutzt werden kann) und Biomasse (Biomasse ist ein Branchenbegriff für die Energiegewinnung durch Verbrennung von Holz und anderen organischen Stoffen). Dennoch ist es aus ökologischen Gründen dringend notwendig, regenerative Energie (Erneuerbare Energie ist Energie, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird, die natürlich auf menschlicher Zeitskala wieder aufgefüllt werden, wie Sonnenlicht, Wind, Regen, Gezeiten, Wellen und Erdwärme) Quellen in die Bedarfsdeckung einzubeziehen, um unsere Kohle und Kohlenwasserstoffe zu schonen (in der organischen Chemie ist ein Kohlenwasserstoff eine organische Verbindung, die vollständig aus Wasserstoff und Kohlenstoff besteht und somit Hydride der Gruppe 14 ist) Reserven und die Umwelt- und Immissionsbelastung zu reduzieren. Sie hat in den letzten Jahren sogar die Anteile der privaten Haushalte und der Industrie übertroffen und stellt heute den volumenmäßig wichtigsten Endenergiebereich dar. Verantwortlich dafür ist ausschließlich der Straßenverkehr, der 1960 nur 56 Prozent und 30 Jahre später 87 Prozent der für den Verkehr benötigten Endenergie verbrauchte. Demgegenüber spielt der Schienenverkehr heute mit einem Anteil von drei Prozent am Energieverbrauch nur noch eine untergeordnete Rolle. Immerhin entfallen neun Prozent auf den Luftverkehr und nur ein Prozent auf die Binnenschifffahrt. Insofern liegt das Energiesparpotenzial des Verkehrssektors vor allem im Straßenverkehr, der energisch genutzt werden muss. Eine differenziertere Betrachtung empfiehlt sich auch für den energieintensiven Sektor der Haushalte und Kleinverbraucher. In ihrem Bereich entfällt der größte Teil des Endenergiebedarfs nach der gesamten deutschen Verbrauchsbilanz auf die Raumwärme. Im Einzelnen benötigen Haushalte 62 Prozent und Kleinverbraucher 29 Prozent, zusammen 91 Prozent des gesamten Wärmebedarfs. Wenn wir also bei den Energiesparmaßnahmen dem Haushalt und dem Kleinverbrauch sektoral die größte Bedeutung beimessen, dann gilt dies in erster Linie für die Raumheizung. Privathaushalte bezogen 41 Prozent ihrer Heizenergie aus Erdöl (Erdöl ist eine natürlich vorkommende, gelb-schwarze Flüssigkeit, die in geologischen Formationen unter der Erdoberfläche vorkommt und zu verschiedenen Arten von Brennstoffen raffiniert wird), 39 Prozent aus Erdgas (Erdgas ist ein natürlich vorkommendes Kohlenwasserstoffgasgemisch, das hauptsächlich aus Methan besteht, aber üblicherweise unterschiedliche Mengen anderer höherer Alkane enthält, und manchmal ein geringer Anteil an Kohlendioxid, Stickstoff, Schwefelwasserstoff oder Helium ), 8 Prozent aus Fernwärme (Fernwärme ist ein System zur Verteilung von Wärme, die an einem zentralen Ort für Wohn- und Gewerbeheizungen wie Raumheizung und Warmwasserbereitung erzeugt wird), 5 Prozent aus Strom und 7 Prozent aus Kohle und erreichte einen Gesamtwirkungsgrad von 72 Prozent der eingesetzten Endheizenergie.