Die Erde wird jeden Tag ein bisschen weniger

Die Erde wird jeden Tag ein bisschen weniger

, etwa %minutes% Minuten Lesedauer

Die kurze Erklärung:

Nein, die Erde ist kein abgeschlossenes, isoliertes System. Sie verliert sogar jedes Jahr an Gewicht; unser Planet tauscht Materie mit seiner Umgebung aus, zumindest zu einem kleinen Teil. Und er wird wärmer. Aber dazu kommen wir später.

Wer es beantwortet:

Foto: privat

Adrien Schwane hat Energietechnik an der RWTH Aachen studiert. Anschließend hat er ein Jahr am Institut für Energie- und Klimaforschung des Forschungszentrums Jülich als wissenschaftlicher Mitarbeiter gearbeitet. Danach wurde er Projektleiter für Privatkunden bei wegatech Greenergy im Bereich Gebäudeversorgung mit erneuerbarer Energie.

Die ausführliche Antwort:

Die Erde verliert Masse und gewinnt neue dazu

Die Erde tauscht Materie mit ihrer Umgebung aus. Es kommen nicht nur Meteoriten, also Gesteinsbrocken aus dem Weltall, auf die Erde, sondern es verlassen uns auch manchmal ein paar Astronauten, um zum Beispiel auf den Mond zu fliegen (auch wenn sie bisher alle wieder zurückgekommen sind).

Die Meteoriten und Astronauten machen im Verhältnis zur Gesamtmasse der Erde nur einen geringen Anteil aus. Die Erde gewinnt jährlich etwa 40.000 Tonnen an Masse durch Meteoriten hinzu. Sie verliert aber auch Masse, wobei der größte Effekt durch die flüchtigen Gase Wasserstoff (95.000 Tonnen pro Jahr) und Helium (1.600 Tonnen pro Jahr) zustande kommt. Damit verliert die Erde pro Jahr 50.000 Tonnen Gewicht, was bei einer Masse von 5.972.000.000.000.000.000.000 Tonnen (oder in Kurzform 5,9 x 10^21 Tonnen) aber kaum auffällt.

Worin sich die Erde von einer Thermoskanne unterscheidet

Wissenschaftler unterscheiden zwischen offenen, geschlossenen und abgeschlossenen Systemen. Bei einem offenen System kann sowohl Materie als auch Energie mit der Systemgrenze ausgetauscht werden. In vielen Fällen ist der Stofftransport aber zu vernachlässigen. Man spricht dann von einem geschlossenen System, in dem lediglich Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird.

Ein Materieaustausch und teilweise auch ein Energieaustausch kann dann vernachlässigt werden, wenn er im Vergleich zu anderen Phänomenen sehr klein ist. Abgeschlossene oder isolierte Systeme, beispielsweise Thermoskannen, tauschen weder Energie noch Materie mit der Systemgrenze aus. Streng genommen wäre die Thermoskanne ein offenes System, so wie im Prinzip alle Systeme, die wir uns vorstellen können. Denn wenn kochendes Wasser mehrere Tage in der Kanne stehen gelassen wird, erkaltet es irgendwann auf Zimmertemperatur. Das ist für unsere Anforderung aber weniger wichtig. Denn auch wenn wir die Thermoskanne öffnen (oder eben länger stehenlassen) und einige Wasserdampfmoleküle die Kanne verlassen, haben wir trotzdem genügend heißes Wasser zum Trinken übrig. Und normalerweise wollen wir Wasser in einer Thermoskanne nicht wochenlang stehen lassen, bevor wir es trinken. Deshalb können wir das vernachlässigen und sie als abgeschlossenes System ansehen.

Die Thermodynamik ist ein Teilgebiet der Physik und Ingenieurwissenschaften. Sie befasst sich vor allem mit Wärme und Energie und deren technischer Nutzung. So lässt sich mit Hilfe der Thermodynamik nachvollziehen, warum gerade mal fünf Liter einer Flüssigkeit wie Benzin ausreichen, um ein zwei Tonnen schweres Auto über 100 Kilometer zu bewegen. Das Auto wird dabei als ein System betrachtet, als ein großes Ganzes, in das fünf Liter Kraftstoff hineingehen und Energie in Form von 100 Kilometern Bewegung herauskommt. Einzelne Details, wie die Drehzahl des Motors oder der Kolbenhub, sind in der Thermodynamik dabei nicht so wichtig. Auf diese Weise lassen sich auch sehr komplexe energetische Zusammenhänge relativ einfach zusammenfassen.

Selbst ein Eisblock strahlt Wärme aus

Mit welchem System haben wir es im Falle der Erde zu tun? Die Sonneneinstrahlung sorgt dafür, dass die Erde kein kalter Gesteinsbrocken ist, sondern ein relativ warmer Planet mit zahlreichen Lebensformen. Da wir an der Grenze zum Weltall auf das Vakuum, das heißt keine nennenswerten Mengen von Material treffen, ist Wärmestrahlung die einzige Möglichkeit für einen Energieaustausch der Erde. Da bei ihr kein materieller Träger benötigt wird, im Gegensatz zur Wärmeleitung (etwa bei Holz oder Metall) und zur Konvektion, also der Übertragung durch Gas- und Flüssigkeitsströmung (beim Fön).

Energie in Form von Wärme kann über drei verschiedene Arten übertragen werden, nämlich durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Wie schnell Wärme geleitet wird, hängt vom Material ab. Metalle und insbesondere Kupfer haben eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, während zum Beispiel Holz nur mit geringer Leitfähigkeit überträgt: nur rund ein Tausendstel des Metalls. Bei der Konvektion wird Wärme durch eine Gas- oder Flüssigkeitsströmung übertragen. Das Haaretrocknen mit einem Fön beruht zum Beispiel auf diesem Prinzip. Wie viel Wärme dabei übertragen wird, hängt vor allem von der Dichte des Gases beziehungsweise der Flüssigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit ab. So sorgt ein Fön auf Stufe 3 für einen stärkeren Luftstrom und trocknet die Haare schneller als auf Stufe 1.

Alle Körper, die eine Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts von minus 273,15 Grad Celsius haben, strahlen Wärme aus. Der absolute Nullpunkt ist die niedrigstmögliche Grenze der Temperatur, die nicht unterschritten werden kann. Hier stehen physikalisch gesehen alle Atome komplett still. Wir bemerken die Wärmestrahlung eines Eisblocks jedoch nicht, da wir selbst viel mehr Wärme ausstrahlen. Mit einem technischen Gerät wie der Wärmebildkamera lässt sie sich allerdings sichtbar machen.

Da alle Körper eine Wärmestrahlung aussenden (das ist ein Naturgesetz, das sogenannte Stefan-Boltzmann Gesetz), strahlt nicht nur die Sonne Energie an die Erde ab, sondern auch die Erde Energie ans Weltall. Beide Energiemengen müssen sich am Ende ausgleichen, denn die Erde als Ganzes bleibt in ihrer Temperatur nahezu konstant, dazu später mehr. Die Strahlungsleistung der Sonne beträgt 1.367 Watt pro Quadratmeter, wobei nur ein Bruchteil davon auf der Erde ankommt. Nämlich die, die von der Sonne senkrecht auf die Erde fällt. Dieser senkrechte Teil der zur Sonne zugewandten Erdkugelhälfte entspricht einem Kreis mit dem Radius der Erde, wie in der Zeichnung veranschaulicht wird.

Wie viel Energie ausgesendet wird, hängt dabei sehr stark von der Temperatur des Körpers ab. Das bedeutet, dass bei einer Verdoppelung der Temperatur die 16-fache Energiemenge durch Wärmestrahlung freigesetzt wird. Es muss allerdings berücksichtigt werden, dass die Temperatur vom absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius gemessen wird. Eine Verdoppelung der für uns angenehmen Temperatur von 20 Grad Celsius würde damit bei ca. 310 Grad Celsius stattgefunden haben. Es wird aber deutlich, dass die Strahlungsenergie sehr hohe Werte annehmen kann. Auf dieser Grundlage lässt sich auch einfach ermitteln, wie viel Energie die Sonne an uns abgibt und wie viel Energie die Erde abstrahlt.

Die Energie der Erde geht in die Atmosphäre – ein Teil bleibt aber hier, wie in einem Gewächshaus

Die Temperatur der Erde ergibt sich vereinfacht aus der Differenz zwischen der Energie durch die Sonneneinstrahlung und der Wärmestrahlung der Erde. Will man die Strahlungsenergie der Erde genau ermitteln, muss man eine Energiebilanz um die Erde aufstellen. Aus dieser Energiebilanz erhält man dann die durchschnittliche Temperatur der Erde. (Die Rechnung findet ihr in der Anmerkung.) Demnach beträgt sie theoretisch 5 Grad Celsius. Tatsächlich aber liegt sie bei 15 Grad Celsius.

Auf Basis der Systembeschreibung lässt sich diese Temperatur in einem Berechnungsverfahren ableiten. Die Temperaturbestimmung vereinfacht sich dann zu folgender Rechnung.

Und im Ergebnis erhält man eine Temperatur von umgerechnet 5 Grad Celsius als Durchschnittstemperatur. Sigma ist dabei eine Naturkonstante, die Stefan-Boltzmann Konstante, mit dem Wert:

Dieser Unterschied beruht im Wesentlichen auf dem Treibhauseffekt. Dabei spielt nicht nur das Kohlendioxid eine Rolle, sondern insbesondere der Wasserdampf, der für den natürlichen Treibhauseffekt verantwortlich ist.

https://www.youtube.com/watch?v=q1wP42f5GAc

Und das geht so: Die Erde strahlt entsprechend ihrer Temperatur Wärme ab. Diese trifft auf die Moleküle in der Atmosphäre, also auch auf Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Moleküle absorbieren die Strahlung und geben sie in alle Richtungen wieder ab, auch zurück an die Erde. Die Erde nimmt die Energie wieder auf und erwärmt sich, ähnlich wie bei einem Gewächshaus.

Durch den natürlichen Treibhauseffekt hat sich über Jahrtausende ein Gleichgewicht eingestellt zwischen der eingehenden und der ausgehenden Energiemenge, wodurch sich die Durchschnittstemperatur von 15 Grad Celsius herausgebildet hat. Im Gegensatz zu Wasserdampf, welcher seit jeher den natürlichen Treibhauseffekt antreibt, ist der Kohlendioxidanteil in der Atmosphäre bisher gering. Durch den erdgeschichtlich gesehen in extrem kurzer Zeit stark ansteigenden Anteil von Kohlendioxid ist dieses Gleichgewicht gestört. Es verbleibt mehr Energie in Form von Wärme auf der Erde als ins Weltall abgestrahlt wird, was dazu führt, dass die Temperatur der Erde ansteigt, was den Klimawandel und die damit einhergehenden Probleme verursacht.

Diese vereinfachte Beschreibung berücksichtigt dabei längst nicht alle Effekte, wie die direkte Reflexion des Sonnenlichts etwa durch Schnee oder an der Atmosphäre.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Erde ist also eigentlich ein offenes System. Weil der Verlust an Materie aber so gering ist, spricht man der Einfachheit halber von einem geschlossenen System, welches lediglich einen Energieaustausch mit seiner Umgebung vornimmt. Infolge des Treibhauseffekts wird die Erde jedoch immer energiereicher.


Esther Göbel hat den Text mit erarbeitet; gegengelesen hat Vera Fröhlich; das Aufmacherbild ausgesucht hat Martin Gommel, Quelle: NASA