Treibhauseffekt

Gase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Methan lassen Sonnenlicht durch, halten aber einen Teil der Wärmestrahlung der Erde zurück. Ohne diesen Treibhauseffekt wäre die Erde eiskalt; verstärkt der Mensch ihn, wird es wärmer.

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2. Sek - 1. Jahr Gymnasium
Zyklus 3, Gymnasium
Lehrplan 21: NT.3.3.c

Zwei Jugendliche stehen an einem sonnigen Tag in einem kleinen Gewächshaus aus Glas zwischen Tomatenpflanzen, hinten Berge.

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Das musst du wissen

Erklärung

Die Atmosphäre lässt Sonnenlicht durch, hält aber einen Teil der Wärme zurück. Das bewirken wenige Gase, die Treibhausgase, etwa Wasserdampf, $C O_{2}$ und Methan ( $C H_{4}$ ). Du lernst, warum es ohne sie eiskalt wäre und warum mehr davon die Erde erwärmt.

Der natürliche Treibhauseffekt

Die Lufthülle der Erde heisst Atmosphäre. Sie besteht zu rund 78 % aus Stickstoff und zu 21 % aus Sauerstoff. Die Treibhausgase sind nur ein kleiner Rest.

Trotzdem machen sie viel aus. Ohne sie läge die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche bei etwa −18 °C, mit ihnen liegt sie bei etwa +15 °C.

MerkeOhne natürlichen Treibhauseffekt wäre die Erde im Mittel etwa −18 °C kalt, mit ihm etwa +15 °C warm.

Sonnenlicht hinein

Die Sonne schickt einen grossen Teil ihrer Energie als sichtbares Licht, den Rest vor allem als nahes Infrarot. Diese Strahlung geht fast ungehindert durch die Atmosphäre.

Boden und Meere nehmen das Licht auf und werden warm. Die warme Erdoberfläche gibt die Energie wieder ab, aber als unsichtbare Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung).

Wärmestrahlung wird zurückgehalten

Treibhausgase nehmen einen Teil der Wärmestrahlung auf. Danach geben sie die Energie in alle Richtungen wieder ab, also auch zurück zur Erde.

So entweicht die Wärme langsamer ins Weltall, und die Erdoberfläche bleibt wärmer.

MerkeTreibhausgase lassen Sonnenlicht durch, nehmen aber einen Teil der Wärmestrahlung der Erde auf und strahlen ihn zurück.

Welche Gase Treibhausgase sind

Die wichtigen Treibhausgase haben drei oder mehr :

Wasserdampf $H_{2} O$ : grösster Teil des natürlichen Effekts
Kohlenstoffdioxid $C O_{2}$ : aus Kohle, Erdöl, Erdgas und Holz
Methan $C H_{4}$ : Hauptteil von Erdgas
Lachgas $N_{2} O$ : vor allem aus Dünger

Stickstoff $N_{2}$ und Sauerstoff $O_{2}$ aus je zwei gleichen Atomen und das Argon lassen Wärmestrahlung durch.

MerkeTreibhausgase: $H_{2} O$ , $C O_{2}$ , $C H_{4}$ , $N_{2} O$ . Keine Treibhausgase: $N_{2}$ , $O_{2}$ , Argon.

Der Mensch verstärkt den Effekt

Seit der Industrialisierung, also seit es Fabriken gibt, verbrennt der Mensch viel Kohle, Erdöl und Erdgas. Das sind .

Ihr Kohlenstoff lag Millionen Jahre im Boden und wird zu $C O_{2}$ , beim Erdgas so:

$C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$

Der $C O_{2}$ -Anteil der Luft stieg von rund 280 ppm auf über 420 ppm, also um rund die Hälfte. Der Methan-Anteil hat sich mehr als verdoppelt.

Natürlich und vom Menschen gemacht

Methan kommt vor allem aus Viehhaltung, Reisfeldern, Mülldeponien und Lecks bei der Förderung von Erdgas. Lachgas stammt vor allem aus Dünger.

Den zusätzlichen Teil, den der Mensch so verursacht, nennt man anthropogenen Treibhauseffekt. Anthropogen heisst «vom Menschen verursacht».

MerkeNatürlicher Treibhauseffekt: hält die Erde bewohnbar. Anthropogener Treibhauseffekt: der Zusatz durch den Menschen, der die Erde erwärmt.

Folgen und Verstärker

Weltweit ist es seit der Industrialisierung um rund 1.3 °C wärmer geworden. In der Schweiz ist es etwa doppelt so viel, vor allem weil sich Land stärker erwärmt als Meer.

Zwei Vorgänge verstärken das. Warme Luft nimmt mehr Wasserdampf auf, ein Treibhausgas. Wo Schnee und Eis schmelzen, wie in den Alpen, nimmt der dunklere Boden mehr Sonnenlicht auf.

Das Meer nimmt CO₂ auf

Die Meere nehmen einen Teil des zusätzlichen $C O_{2}$ auf. Ein kleiner Teil davon reagiert mit dem Wasser zu Kohlensäure:

$C O_{2} + H_{2} O ⇌ H_{2} C O_{3}$

Der Doppelpfeil zeigt: Die Reaktion läuft in beide Richtungen. Das bremst die Erwärmung etwas, macht das Meerwasser aber saurer. Das schadet Korallen und Muscheln, die ihre Schalen aus Kalk bauen.

Treibhauseffekt: Übersicht mit Der natürliche Treibhauseffekt; Wärmestrahlung wird zurückgehalten; Welche Gase Treibhausgase sind; Natürlich und vom Menschen gemacht. — Treibhauseffekt auf einen Blick: die wichtigsten Regeln.

Häufige Fehler

✕Der Treibhauseffekt ist schädlich, ohne ihn wäre es besser.
✓Ohne den natürlichen Treibhauseffekt wäre die Erde im Mittel etwa −18 °C kalt. Zum Problem wird nur der zusätzliche Effekt durch den Menschen.
✕Das Ozonloch ist der Grund für den Treibhauseffekt.
✓Das sind zwei verschiedene Probleme. Das Ozonloch lässt mehr UV-Strahlung durch. Der Treibhauseffekt entsteht, weil Gase wie $C O_{2}$ Wärmestrahlung zurückhalten.
✕Treibhausgase halten die Sonnenstrahlen fest, bevor sie die Erde erreichen.
✓Das Sonnenlicht geht fast ungehindert durch. Die Treibhausgase nehmen die Wärmestrahlung auf, die von der warmen Erde ausgeht.
✕Sauerstoff und Stickstoff sind auch Treibhausgase, sie sind ja die meisten Gase in der Luft.
✓ $O_{2}$ und $N_{2}$ bestehen aus zwei gleichen Atomen und lassen Wärmestrahlung durch. Treibhausgase sind nur wenige Gase wie $H_{2} O$ , $C O_{2}$ , $C H_{4}$ und $N_{2} O$ .

Begriffe zum Nachschlagen

Treibhausgas: Gas, das Sonnenlicht durchlässt, aber Wärmestrahlung der Erde aufnimmt und zum Teil zurückstrahlt, etwa Wasserdampf, $C O_{2}$ , Methan und Lachgas.
Atmosphäre: Die Lufthülle der Erde. Sie besteht vor allem aus Stickstoff und Sauerstoff.
Wärmestrahlung: Unsichtbare Strahlung, die jeder warme Körper abgibt, auch die Erdoberfläche. Fachwort: Infrarotstrahlung.
Natürlicher Treibhauseffekt: Erwärmung durch die Treibhausgase, die auch ohne den Menschen in der Luft sind. Er hebt die Temperatur von etwa −18 °C auf etwa +15 °C.
Anthropogener Treibhauseffekt: Der zusätzliche Treibhauseffekt durch Gase, die der Mensch ausstösst, vor allem durch Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas.
ppm: Teile pro Million (parts per million). 420 ppm $C O_{2}$ heisst: Unter einer Million Luftteilchen sind 420 $C O_{2}$ -Moleküle, also 0.042 %.

Noch unsicher? Zuerst lernen:Chemische Reaktion und Reaktionsgleichung Kohlenstoffkreislauf, biotische und abiotische Faktoren

So geht's

Beispiele Schritt für Schritt

Beispiel 1Der Weg der Energie

Beschreibe in vier Schritten, welchen Weg die Energie der Sonne nimmt und wo die Treibhausgase eingreifen.

Lösung Schritt für Schritt

Die Sonne schickt einen grossen Teil ihrer Energie als sichtbares Licht zur Erde. Dieses Licht geht fast ungehindert durch die Atmosphäre.
Boden und Meere nehmen das Licht auf und erwärmen sich.
Die warme Erdoberfläche gibt Wärmestrahlung ab, also Infrarotstrahlung.
Treibhausgase nehmen einen Teil dieser Wärmestrahlung auf und geben sie in alle Richtungen wieder ab, auch zurück zum Boden. Die Wärme bleibt länger unten.

Licht hinein, Erwärmung des Bodens, Wärmestrahlung hinaus. Die Treibhausgase greifen erst bei der Wärmestrahlung ein und schicken einen Teil davon zurück.

Beispiel 2Treibhausgas oder nicht?

In der Luft sind unter anderem diese Gase: $N_{2}$ , $O_{2}$ , Argon ( $Ar$ ), $H_{2} O$ , $C O_{2}$ und $C H_{4}$ . Welche davon sind Treibhausgase?

Lösung Schritt für Schritt

Zähle die Atome pro Teilchen: $N_{2}$ und $O_{2}$ haben 2 gleiche Atome, Argon besteht aus einzelnen Atomen.
$H_{2} O$ und $C O_{2}$ haben 3 Atome, $C H_{4}$ hat 5 Atome.
Teilchen aus einem Atom oder aus zwei gleichen Atomen lassen Wärmestrahlung durch. Die aus drei oder mehr Atomen nehmen sie auf.

Treibhausgase sind $H_{2} O$ , $C O_{2}$ und $C H_{4}$ . $N_{2}$ , $O_{2}$ und Argon sind keine.

Beispiel 3Die Gasheizung in Chur

Eine Familie sitzt im Winter warm im Wohnzimmer neben einem Heizkörper, draussen liegen verschneite Berge.

Familie Caduff in Chur heizt ihr Haus mit Erdgas. Im Jahr verbrennt die Heizung rund 1'200 kg Methan ( $C H_{4}$ ). Stelle die auf und berechne, wie viel $C O_{2}$ dabei entsteht. Atommassen: C = 12, H = 1, O = 16.

Lösung Schritt für Schritt

Methan verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Ausgleichen: Links 4 H-Atome, also rechts 2 Wassermoleküle; rechts dann 4 O-Atome, also links 2 $O_{2}$ . $C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$
Aus einem $C H_{4}$ -Molekül wird genau ein $C O_{2}$ -Molekül. Vergleiche ihre Massen: $C H_{4} : 12 + 4 \cdot 1 = 16 C O_{2} : 12 + 2 \cdot 16 = 44$
Jedes Kilogramm Methan ergibt also 4416 kg $C O_{2}$ .4416=2.75
Für das ganze Jahr:1200·2.75=3300

$C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$ . Die Heizung stösst im Jahr rund 3'300 kg, also 3.3 Tonnen $C O_{2}$ aus.

Beispiel 4Messungen auf dem Jungfraujoch

Eine Schulklasse steht auf einer Aussichtsterrasse im Hochgebirge, neben einem Messmast, dahinter ein grosser Gletscher.

Eine Klasse besucht die Forschungsstation auf dem Jungfraujoch, wo unter anderem die Treibhausgase der Luft gemessen werden. Vor der Industrialisierung enthielt die Luft rund 280 ppm $C O_{2}$ , heute rund 420 ppm. Um wie viel Prozent ist der Anteil gestiegen? Wie viel Prozent der Luft sind 420 ppm?

Lösung Schritt für Schritt

Zunahme in ppm:420−280=140
Zunahme im Verhältnis zum alten Wert:140280=0.5=50 %
1 ppm ist ein Millionstel, 1 % ein Hundertstel. Also teilst du ppm durch 10'000, um Prozent zu erhalten.420:10 000=0.042

Der $C O_{2}$ -Anteil ist um rund 50 % gestiegen. 420 ppm sind 0.042 % der Luft: wenig, aber genug, um das Klima spürbar zu verändern.

Jetzt du

Übungen mit Lösungen

Fang beim Einstieg an. Klapp die Lösung erst auf, wenn du selbst gerechnet hast. Steckst du fest, gibt Fox dir einen Tipp.

Einstieg4Üben5Knacknüsse4

1
Welche Strahlung lassen die Treibhausgase fast ungehindert durch, und welche nehmen sie auf?
Lösung zeigen
Ergebnis: Sie lassen das Sonnenlicht durch und nehmen die Wärmestrahlung der Erde auf.
1. Die Sonne schickt einen grossen Teil ihrer Energie als sichtbares Licht. Es geht fast ungehindert durch die Atmosphäre.
2. Die warme Erde gibt Wärmestrahlung ab. Diese nehmen die Treibhausgase zum Teil auf.
2
Wie warm wäre es an der Erdoberfläche im Mittel ohne den natürlichen Treibhauseffekt, und wie warm ist es mit ihm?
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Ergebnis: Ohne etwa −18 °C, mit etwa +15 °C.
1. Ohne Treibhausgase entwiche die Wärme schneller ins Weltall: etwa −18 °C.
2. Mit dem natürlichen Treibhauseffekt sind es etwa +15 °C, rund 33 °C mehr.
3
Nenne drei Treibhausgase mit Namen und Formel.
Lösung zeigen
Ergebnis: Zum Beispiel Wasserdampf $H_{2} O$ , Kohlenstoffdioxid $C O_{2}$ und Methan $C H_{4}$ . Auch Lachgas $N_{2} O$ ist richtig.
1. Treibhausgase sind Moleküle aus drei oder mehr Atomen.
2. Die wichtigsten: $H_{2} O$ , $C O_{2}$ , $C H_{4}$ , $N_{2} O$ .
4
Aus welchen zwei Gasen besteht die Luft hauptsächlich? Sind das Treibhausgase?
Lösung zeigen
Ergebnis: Aus Stickstoff (rund 78 %) und Sauerstoff (rund 21 %). Beide sind keine Treibhausgase.
1. Stickstoff $N_{2}$ und Sauerstoff $O_{2}$ machen zusammen rund 99 % der trockenen Luft aus.
2. Ihre Moleküle bestehen aus zwei gleichen Atomen und lassen Wärmestrahlung durch.

5
Kohle besteht vor allem aus Kohlenstoff. Stelle die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Kohlenstoff auf.
Lösung zeigen
Ergebnis: $C + O_{2} \to C O_{2}$
1. Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff aus der Luft zu Kohlenstoffdioxid.
2. Links 1 C und 2 O, rechts 1 C und 2 O: Die Gleichung stimmt schon.
6
Ein Gasgrill verbrennt Propan, $C_{3} H_{8}$ . Stelle die ausgeglichene Reaktionsgleichung auf.
Lösung zeigen
Ergebnis: $C_{3} H_{8} + 5 O_{2} \to 3 C O_{2} + 4 H_{2} O$
1. 3 C-Atome ergeben 3 $C O_{2}$ , 8 H-Atome ergeben 4 $H_{2} O$ .
2. Rechts stehen 3·2+4·1=10 O-Atome, also braucht es links 5 $O_{2}$ .
3. Kontrolle: links 3 C, 8 H, 10 O; rechts 3 C, 8 H, 10 O.
7
Der Methan-Anteil der Luft liegt heute bei rund 1.9 ppm. Wie viel Prozent sind das?
Lösung zeigen
Ergebnis: 0.00019 %
1. Von ppm zu Prozent teilst du durch 10'000.
2. 1.9:10 000=0.00019, also 0.00019 %.
8
Nenne zwei Quellen für Methan, die mit der Landwirtschaft zu tun haben.
Lösung zeigen
Ergebnis: Zum Beispiel die Verdauung von Wiederkäuern wie Kühen, Schafen und Ziegen, Gülle und Mist sowie Reisfelder.
1. Wiederkäuer wie Kühe verdauen ihr Futter in mehreren Mägen. Dort zersetzen Bakterien das Futter, dabei entsteht Methan.
2. Auch in Gülle, Mist und in nassen Reisfeldern bilden Bakterien ohne Sauerstoff Methan.
9
In einem Treibhaus aus Glas wird es warm. Warum ist der Name «Treibhauseffekt» für die Atmosphäre trotzdem nur ein Vergleich?
Lösung zeigen
Ergebnis: Im Treibhaus hält vor allem das Glas die warme Luft fest. Die Atmosphäre hat keinen Deckel: Dort nehmen Gase die Wärmestrahlung auf und strahlen einen Teil zurück.
1. Ein Glashaus wird warm, weil die erwärmte Luft nicht wegströmen kann.
2. In der Atmosphäre kann die Luft frei aufsteigen. Die Wärme bleibt, weil Treibhausgase Wärmestrahlung aufnehmen und zurückstrahlen.
3. Gemeinsam ist beiden nur: Licht kommt herein, Wärme bleibt länger drin.

10
1 kg Kohlenstoff verbrennt vollständig zu $C O_{2}$ . Wie viel $C O_{2}$ entsteht? Atommassen: C = 12, O = 16.
Lösung zeigen
Ergebnis: Rund 3.67 kg $C O_{2}$ .
1. $C + O_{2} \to C O_{2}$ : Aus jedem C-Atom wird ein $C O_{2}$ -Molekül.
2. Ein C-Atom hat die Masse 12, ein $C O_{2}$ -Molekül 12+2·16=44.
3. 1·4412≈3.67 kg. Das $C O_{2}$ ist schwerer, weil der Sauerstoff aus der Luft dazukommt.
11
Warum wird die Erwärmung durch mehr Wasserdampf in der Luft noch verstärkt? Beschreibe die Kette in drei Schritten.
Lösung zeigen
Ergebnis: Mehr $C O_{2}$ erwärmt die Luft, warme Luft nimmt mehr Wasserdampf auf, und Wasserdampf ist selbst ein Treibhausgas. So verstärkt sich die Erwärmung.
1. Zusätzliches $C O_{2}$ hält mehr Wärme zurück, die Luft wird wärmer.
2. Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen, es verdunstet mehr Wasser.
3. Wasserdampf nimmt ebenfalls Wärmestrahlung auf: Die Erwärmung wird grösser.
12
Die Meere nehmen einen Teil des zusätzlichen $C O_{2}$ aus der Luft auf. Gib die Reaktionsgleichung mit Wasser an und nenne eine Folge für das Meer.
Lösung zeigen
Ergebnis: $C O_{2} + H_{2} O ⇌ H_{2} C O_{3}$ . Das Meerwasser wird saurer, was Korallen und Muscheln mit Kalkschalen schadet.
1. $C O_{2}$ löst sich im Wasser, ein kleiner Teil reagiert zu Kohlensäure, $H_{2} C O_{3}$ . Die Reaktion läuft in beide Richtungen, darum der Doppelpfeil.
2. Kohlensäure macht das Wasser saurer.
3. In saurerem Wasser fällt es Korallen und Muscheln schwerer, ihre Kalkschalen zu bauen.
13
Holz und Heizöl setzen beim Verbrennen beide $C O_{2}$ frei. Warum erhöht Heizöl den $C O_{2}$ -Anteil der Luft auf Dauer, Holz aus einem nachwachsenden Wald aber kaum?
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Ergebnis: Der Kohlenstoff im Heizöl lag Millionen Jahre im Boden und kommt zusätzlich in die Luft. Ein Baum hat sein $C O_{2}$ erst vor Jahrzehnten aus der Luft geholt, und ein nachwachsender Baum nimmt es wieder auf.
1. Heizöl wird aus Erdöl gewonnen, einem fossilen Brennstoff, der vor Jahrmillionen aus Resten von Lebewesen entstand. Sein Kohlenstoff war lange aus dem Kreislauf.
2. Bäume bauen bei der Fotosynthese $C O_{2}$ aus der Luft ein: Mit Sonnenlicht machen sie daraus Zucker und Holz. Beim Verbrennen wird daraus wieder $C O_{2}$ , das in die Luft zurückgeht.
3. Wächst gleich viel Wald nach, wie verbrannt wird, bleibt der $C O_{2}$ -Anteil der Luft gleich.

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Lehrplan 21

Typische Klasse: 2. Sek - 1. Jahr Gymnasium
Stufe: Zyklus 3, Gymnasium
Fach: Chemie

In der 2. und 3. Sek in Natur und Technik, oft zusammen mit Verbrennung und Kohlenstoffkreislauf, und in Geografie beim Klimawandel. Im Gymnasium kommen Strahlung, Reaktionsgleichungen und Rechnungen zur CO₂-Menge genauer dazu.

NT.3.3.cZeigen, wie das Verbrennen von Kohle, Erdöl und Erdgas die Luft verändert und das Klima erwärmt, und Wege zu einem sparsamen Umgang mit diesen Rohstoffen beurteilen.
NT.3.3.bDen Weg des Kohlenstoffs zwischen Luft, Lebewesen, Meer und Gestein beschreiben und erkennen, wo der Mensch ihn verändert.
NT.1.3.bTechnik wie Verbrennungsmotoren oder Heizungen mit Blick auf Treibhausgase und Nachhaltigkeit einschätzen und Vor- und Nachteile abwägen.

Codes nach dem Lehrplan 21 der Deutschschweiz, Umschreibung in eigenen Worten. Wann genau das Thema drankommt, legt das Lehrmittel der Schule fest. Alle Themen nach Lehrplan 21

Gut zu wissen

Häufige Fragen

Was ist der Treibhauseffekt, einfach erklärt?

Sonnenlicht geht durch die Luft und wärmt den Boden. Der Boden gibt Wärmestrahlung ab, und Gase wie Wasserdampf, $C O_{2}$ und Methan halten einen Teil davon zurück. Dadurch ist es auf der Erde wärmer, als es ohne diese Gase wäre.

Was ist der Unterschied zwischen natürlichem und anthropogenem Treibhauseffekt?

Der natürliche Treibhauseffekt kommt von den Gasen, die auch ohne Menschen in der Luft sind, und macht die Erde bewohnbar. Der anthropogene Treibhauseffekt ist der Zusatz durch Gase, die der Mensch ausstösst, vor allem $C O_{2}$ aus Kohle, Erdöl und Erdgas. Er ist der Grund für die heutige Erwärmung.

Hat der Treibhauseffekt etwas mit dem Ozonloch zu tun?

Nein, das sind zwei verschiedene Probleme. Das Ozonloch lässt mehr UV-Strahlung bis zum Boden. Der Treibhauseffekt entsteht, weil Gase die Wärmestrahlung der Erde zurückhalten.

In welcher Klasse lernt man den Treibhauseffekt?

Meist in der 2. oder 3. Sek, in Natur und Technik und in Geografie. Im Gymnasium kommt er in Chemie, Physik und Geografie vertieft wieder. Je nach Kanton und Schule kann es etwas früher oder später sein.

Treibhauseffekt

Erklärung

Der natürliche Treibhauseffekt

Sonnenlicht hinein

Wärmestrahlung wird zurückgehalten

Welche Gase Treibhausgase sind

Der Mensch verstärkt den Effekt

Natürlich und vom Menschen gemacht

Folgen und Verstärker

Das Meer nimmt CO₂ auf

Häufige Fehler

Beispiele Schritt für Schritt

Beispiel 1Der Weg der Energie

Beispiel 2Treibhausgas oder nicht?

Beispiel 3Die Gasheizung in Chur

Beispiel 4Messungen auf dem Jungfraujoch

Übungen mit Lösungen

Trainer: Treibhauseffekt

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Lehrplan 21

Häufige Fragen

Edelgase

Atom

fossile Brennstoffe

Molekül

Reaktionsgleichung