Marsatmosphäre: Klimawandel?

6 Antworten

Von Experte HoIIy bestätigt

Kurzgesagt: die Atmosphäre des Mars ist sehr dünn, woraus folgt, dass CO2 zwar Infrarot-Strahlung in thermische Energie umwandeln kann, aber nicht genug zum Erhitzen da ist.

Schauen wir uns einige Hintergrundinformationen zum Treibhauseffekt an: wenn ein Planet keine Atmosphäre hat, können wir die Temperatur seiner Oberfläche leicht berechnen, basierend auf der Energiemenge, die die Sonne produziert, der Entfernung des Planeten von der Sonne und der Lichtmenge, die der Planet reflektiert. Das bezeichnen wir in der Meteorologie als Effektivtemperatur.

Um herauszufinden, wie hoch die Temperatur eines Planeten mit Atmosphäre ist, müssen wir darüber nachdenken, wie viel Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre absorbiert wird und wie viel Strahlung, die von der Planetenoberfläche ausgeht, von der Atmosphäre absorbiert wird, bevor sie dort ankommt. Der Treibhauseffekt entsteht, wenn ein Teil der von der Oberfläche eines Planeten nach oben abgestrahlten Energie absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, bevor er in den Weltraum gelangt.

Die Sonne strahlt Licht mit vielen Frequenzen aus, aber die meiste Energie liegt im sichtbaren Teil des Spektrums, den wir mit unseren Augen sehen können. Auf der Erde wird UV-Strahlung vom Ozon in der Stratosphäre absorbiert, was die mittlere Atmosphäre erwärmt, aber die Erdatmosphäre ist für sichtbares Licht fast vollständig transparent. Der Boden absorbiert jedoch einen Teil dieses Lichts, erwärmt sich und strahlt Energie in Wellenlängen ab, die auf der Oberflächentemperatur basieren, wobei es sich bei terrestrischen Temperaturen hauptsächlich um Infrarotstrahlung handelt.

Die Mathematik und Meteorologie dahinter sind kompliziert, aber die Quintessenz ist: Strahlung, die von der Sonne kommt oder von dem Planeten aufsteigt, wird absorbiert und die Atmosphäre erwärmt.

Die Marsoberfläche ist (im Vergleich zur Erde) aus folgenden Faktoren kalt:

  1. Die Marsatmosphäre ist besonders: es gibt nicht viel von ihr. Die Luftdichte auf der Erde beträgt ungefähr 1,23 kg/m³. Die Luftdichte des Mars beträgt hochgerechnet 0,015 kg/m³ → weniger als 1,5 % des Durchschnitts der Erde. Zwischen der Marsoberfläche und dem Weltraum gibt es also bedeutend weniger Atmosphäre als zwischen Erdoberfläche und Weltraum. Folgerichtig können wir also sagen, dass es durch die geringe Luftdichte sehr unwahrscheinlich ist, dass ein Photon auf seinem Weg durch die Atmosphäre absorbiert wird.
  2. Der Mars ist weiter von der Sonne entfernt als die Erde. Der Mars umkreist die Sonne in einer mehr als 1,5-fachen Entfernung wie die Erde und erhält daher nur etwa 43 % der Energie der Erde (586 W/m² für den Mars gegenüber 1361 W/m² für die Erde).

Viele Menschen haben in Anbetracht des Treibhauseffektes eine völlig falsche Vorstellung. Beim Treibhauseffekt geht es nicht nur einfach um die Menge von einem Gas in einem bestimmten Raum. Durch die erheblich geringere Sonneneinstrahlung herrscht eine geringere Oberflächentemperatur, wonach nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz weniger Wärme abgestrahlt wird. Außerdem gefrieren an den Polen des Mars regelmäßig große Mengen CO2.

Des Weiteren gibt es einen Effekt, der nennt sich "Pressure Broadening". Druck verursacht das Phänomen "pressure-induced spectral line broadening". Gase, die unter hohem Druck stehen, absorbieren ein breiteres Spektrum von Wellenlängen als Gase, die unter niedrigem Druck stehen. Bei niedrigem Druck absorbiert CO2 zwar stark, aber nur bei einzelnen Wellenlängen. Bei der Absorption von Wärmestrahlung mit breitem Spektrum ist die Absorption im Durchschnitt bei höheren Drücken deutlich stärker und bei niedrigeren Drücken geringer:

«Sect. III obtained a reasonable answer by treating Mars as “naked,” but actually its atmospheric CO2 density is much larger than Earth’s! To resolve this apparent contradiction, we need to appreciate another physically interesting aspect of molecular absorption, that is, pressure broadening (Sect. II). The pressure relevant to this phenomenon is the total gas pressure, not just the part attributable to the IR-active gas, so it can be significant even though the density of CO2 in Earth’s current atmosphere is very small. Sect. V B argued that the “wings” of a molecule’s absorption spectrum are critical for determining its surface- warming effect. The preceding paragraph argued that those wings are strongly influenced by ambient pressure. This observation helps explain why lots of CO2 on Mars does not create a large warming effect: Oxygen and nitrogen, the main constituents of Earth’s atmosphere, are largely absent on Mars because its lower surface gravity cannot hold onto them as well as Earth’s does. Because pressure broadening from those gases is absent, the CO2 on Mars is less effective at blocking IR radiation than that on Earth. Less warming from CO2 (as well as greater distance to the Sun) means a cooler planet. Moreover, another greenhouse gas, H2O, is even lighter than N2 or O2, so little of it remains in the Martian atmosphere. All of these reasons combine to render Mars nearly as cold as if it had no atmosphere at all (Sect. III).»

Auszug aus: https://www.physics.upenn.edu/~pcn/Ms/23-03-19FinalNelsonAJP.pdf

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Synoptische Meteorologin

secretfalls 
Fragesteller
 28.05.2024, 12:05

Danke. Haben die Ozeane auch Einfluss auf den Treibhauseffekt?

Ich habe mal ein Video von Herr Ganteför, der ist Physikprof, gesehen wo er gesagt hat das die langfristigen Klimafolgen nur halb so schlimm sind wegen der stärker werdenden Senkenwirkung.

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Skyler0003  28.05.2024, 12:19
@secretfalls

Selbstverständlich haben die Ozeane Einfluss auf den Treibhauseffekt, über die atmosphärisch-ozeanische Zirkulation tauschen sie ständig Gase mit der Atmosphäre aus. Außerdem hat das Relief grundsätzlich Einfluss auf die Albedo eines Planeten, also die "Rückstrahlfähigkeit".

Ich kenne die Ansichten Ganteförs zur Senkenwirkung und vertrete diametral entgegengesetzte Ansichten. Mit zunehmender Temperatur sinkt die Menge CO2 die in Lösung gehalten werden kann, es sei denn der CO2-Partialdruck steigt ständig weiter und "hält dagegen". Außerdem kann Salzwasser CO2 grundsätzlich schlechter binden als Süßwasser (Stichworte: ionische Wechselwirkung, Salting-Out-Effekt...)

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MrSamedi  30.05.2024, 13:36
Die Luftdichte auf der Erde beträgt ungefähr 1,23 kg/m³. Die Luftdichte des Mars beträgt hochgerechnet 0,015 kg/m³ → weniger als 1,5 % des Durchschnitts der Erde. Zwischen der Marsoberfläche und dem Weltraum gibt es also bedeutend weniger Atmosphäre als zwischen Erdoberfläche und Weltraum. Folgerichtig können wir also sagen, dass es durch die geringe Luftdichte sehr unwahrscheinlich ist, dass ein Photon auf seinem Weg durch die Atmosphäre absorbiert wird.

Darin liegt ein Denkfehler. Die hohe Dichte der Erdatmosphäre machen vor allem Stickstoff und Sauerstoff aus, also Gase, die nicht zum Treibhauseffekt beitragen. Du darfst daher nicht die Gesamtdichte der Atmosphäre mit der Wahrscheinlichkeit gleichsetzen, dass ein IR-Quant auf dem Weg durch die Atmosphäre mit einem Treibhausgasmolekül interagiert. Denn ein Großteil der Atmosphäre ist dafür völlig irrelevant. Rechne doch mal nur die CO2-Dichte in einem m³ Erd- bzw. Marsatmosphäre aus. Du wirst bemerken, dass in einem m³ Marsatmosphäre immer noch sehr viel mehr CO2 enthalten ist als in der Erdatmosphäre. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein IR-Quant auf seinem Weg von der Planetenoberfläche ins Weltall auf ein CO2-Molekül trifft, ist auf dem Mars mehr als 20x höher als auf der Erde. Selbst wenn man den Sonnenabstand einbezieht, müsste der Treibhauseffekt auf dem Mars höher sein, wenn CO2 die Signifikanz hätte, die Klimaalarmisten postulieren. Hinzu kommt, dass der Mars mangels großer Polkappen und weißer Wolken eine etwa 50 % niedrigere Albedo als die Erde hat, die Erde also etwa ein Drittel der Sonnenstrahlen direkt wieder reflektiert, der Mars nur rund 16 %. Alle diese Faktoren zusammengenommen ziehen die CO2-Hypothese zumindest in Zweifel.

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Skyler0003  30.05.2024, 13:53
@MrSamedi

Nein, du machst den Denkfehler. Zwar tragen N2 und O2 keinen Teil zum Treibhauseffekt bei, aber es geht doch um die Luftdichte - und den Luftdruck - und dazu tragen diese Teilchen eben bei. Die Luft auf dem Mars ist weniger dicht, es herrscht weniger Druck, wodurch ein Photon mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit absorbiert werden kann.

Ausführlicher erkläre ich es im weiteren Verlauf: Pressure-Broadening. Treibhausgase, die einem höheren Druck ausgesetzt sind (und Stickstoff und Sauerstoff üben Druck aus...), absorbieren ein breiteres Spektrum.

Selbst wenn man den Sonnenabstand einbezieht, müsste der Treibhauseffekt auf dem Mars höher sein, wenn CO2 die Signifikanz hätte, die Klimaalarmisten postulieren.

Nein, müsste er nicht. Eben weil es weniger Luft gibt, weniger Druck gibt, die Sonne weiter entfernt ist (folglich andere Wellenlängen auf dem Mars ankommen), CO2 regelmäßig gefriert und so weiter. Du kannst nicht die Annahme Atmosphäre = Atmosphäre treffen.

Alle diese Faktoren zusammengenommen ziehen die CO2-Hypothese zumindest in Zweifel.

Tun sie nicht. Du betreibst nur Cherry-Picking an einem bestimmten Punkt und nimmst ihn falsch wahr. Dein Einwand wäre berechtigt, würde es keinen Druck durch Stickstoff und Sauerstoff auf die Luft geben.

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MrSamedi  03.06.2024, 07:37
@Skyler0003
Die Luft auf dem Mars ist weniger dicht, es herrscht weniger Druck, wodurch ein Photon mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit absorbiert werden kann.

Ist in einem m³ Marsatmosphäre mehr CO2 enthalten als in einem m³ Erdatmosphäre?

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Skyler0003  03.06.2024, 16:14
@MrSamedi

Keine Lust das nachzurechnen, aber ich würde mich wundern wenn nicht. Aber du verstehst den Punkt ohnehin nicht.

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MrSamedi  04.06.2024, 07:13
@Skyler0003

Du machst es dir aber echt leicht. Ausgehend von der durchschnittlichen Dichte und dem Zustand von Gasen im idealen Zustand sind in 1 m³ Erdatmosphäre ca. 0,7 g CO2 enthalten, in 1 m³ Marsatmosphäre sind es ca. 15,5 g. Wie kann die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon bei der Passage durch die Erdatmosphäre mit einem CO2-Molekül wechselwirkt auf der Erde höher sein?

Aber du verstehst den Punkt ohnehin nicht.

Ich will ihn verstehen! Ich war selber lange Zeit pro CO2-Maßnahmen und habe sie gegenüber "Klimaleugnern" verteidigt. Bis mir ein Astrophysiker anhand der Marsatmosphäre aufzeigte, dass meine "Mainstream"-Argumente offenbar nicht valide sind. Deshalb habe ich meine Position geändert. Wenn du mir neue Erkenntnisse lieferst, ändere ich sofort wieder meine Position.

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Skyler0003  04.06.2024, 16:19
@MrSamedi

Ich weiß nicht genau wie du auf die Werte kommst, ich werde sie auch nicht nachrechnen, aber für dich nochmal ganz einfach: du kannst nicht einfach einen kleinen Raum der Atmosphäre beachten, sondern musst die gesamte Atmosphäre beachten. Da gibt es viel mehr zwischen Erde und Weltall. Wenn du nur den Mars anschaust, wirst du ziemlich schnell feststellen, dass er in den unteren Teilen der Atmosphäre gesättigt ist, was auf der Erde - ab einer bestimmten Höhe - nicht mehr der Fall ist.

Bis mir ein Astrophysiker anhand der Marsatmosphäre aufzeigte, dass meine "Mainstream"-Argumente offenbar nicht valide sind.

Dann hat er dir einen Bären aufgefunden. Alleine "Pressure Broadening" erklärt den wesentlich stärkeren Treibhauseffekt durch CO2 auf der Erde.

Wenn du mir neue Erkenntnisse lieferst, ändere ich sofort wieder meine Position.

Die habe ich dir geliefert, aber du gehst nicht darauf ein. Du suchst dir einen klitzekleinen Punkt der Erkenntnisse raus, und brichst den auf einen Bruchteil runter.

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NostraPatrona  14.06.2024, 21:27

Meine Güte was für physikalische Fehler! Du studierst doch nicht Meteorologie!

Der Treibhauseffekt entsteht, wenn ein Teil der von der Oberfläche eines Planeten nach oben abgestrahlten Energie absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, bevor er in den Weltraum gelangt.

und

aber die Quintessenz ist: Strahlung, die von der Sonne kommt oder von dem Planeten aufsteigt, wird absorbiert und die Atmosphäre erwärmt.

Das ist auch auf dem Mars der Fall. Auch dort wird ein absorbiertes IR-Quant durch Stöße mit anderen Gasmolekeln thermalisiert. Ansonsten wird es zu 50%, egal ob vor oder nach einer Thermalisierung, auf die Planetenoberfläche re-emittiert.

Das bezeichnen wir in der Meteorologie als Effektivtemperatur.

Das wird von der NASA Black-body temperature genannt. In der Physik nennt man es Graukörpertemperatur.

Durch die erheblich geringere Sonneneinstrahlung herrscht eine geringere Oberflächentemperatur, wonach nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz weniger Wärme abgestrahlt wird.

Unwichtig! Der Anteil des IR-Lichts mit dem CO2 wechselwirken kann, ist auf dem Mars sogar noch etwas größer als auf der Erde.

Des Weiteren gibt es einen Effekt, der nennt sich "Pressure Broadening". Druck verursacht das Phänomen "pressure-induced spectral line broadening". Gase, die unter hohem Druck stehen, absorbieren ein breiteres Spektrum von Wellenlängen als Gase, die unter niedrigem Druck stehen.

Der Effekt setzt aber erst oberhalb ca. ein Bar langsam ein, d.h. der Effekt ist im Vergleich Erde-Mars bedeutungslos. Wir sehen es ja auch am abgestrahlten Spektrum des Mars.

Auf dem Mars enthält eine Atmosphärensäule ca. 80 mal mehr CO2 als "anthropogenes CO2" auf der Erde. Deshalb sollte auch ein IR-Quant von der Planetenoberfläche ins All auf dem Mars mit der 80-fachen Chance wechselwirken wie auf der Erde mit anthropogenem CO2. Auf der Erde wie auf dem Mars wird ein angeregtes CO2-Molekül mit mehr als 99,9% Wahrscheinlichkeit seine Energie durch Stoß verlieren und nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit durch sofortige Re-Emission.

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Skyler0003  15.06.2024, 19:22
@NostraPatrona
Du studierst doch nicht Meteorologie!

Doch, tue ich. Deshalb weiß ich auch, dass du schon wieder falsch liegst und opfere jetzt Zeit meines Urlaubs um dir zu antworten:

Auch dort [Mars] wird ein absorbiertes IR-Quant durch Stöße mit anderen Gasmolekeln [sic!] thermalisiert. Ansonsten wird es zu 50%, egal ob vor oder nach einer Thermalisierung, auf die Planetenoberfläche re-emittiert.

Da spielt die geringe Dichte der Marsatmosphäre eine entscheidende Rolle. Der Pedant auf meiner linken Schulter flüstert mir ferner zu, dass weniger als 50 % zur Oberfläche re-emittiert werden, da auch eine horizontale Emission nicht die Oberfläche trifft (Kugelform).

Der Anteil des IR-Lichts mit dem CO2 wechselwirken kann, ist auf dem Mars sogar noch etwas größer als auf der Erde.

Das Argument verstehe ich nicht. Das Emissionsspektrum widerspricht dir da eher. Leider kann ich in den Kommentaren keine Bilder einbauen.

Der Effekt setzt aber erst oberhalb ca. ein Bar > langsam ein

"pressure-induced broadening of the linewidth of the spectral lines" hängt sowohl vom Partialdruck des CO₂ als auch vom gesamten Atmosphärendruck abhängig. Die HITRAN-Datenbank der Absorptionsspektra ergibt Effekte bei einer Veränderung der irdischen CO₂-Konzentration (in ppmv), die du hier nachlesen kannst:

Sébastien Payan, LATMOS Laboratoire, Sorbonne, France

Auf der Erde ist dieser Effekt wegen der aktuellen kontinuierlichen Zunahme des Partialdrucks bedeutend, während der Gesamtdruck der Atmosphäre praktisch gleich bleibt, auch auf dem Mars spielt er eine große Rolle, weil das CO₂ im Mars-Aphel etwa zur Hälfte als Trockeneis niederschlägt, welches zum Perihel hin wieder nach und nach sublimiert. Dort sind allerdings Partial- und Gesamtdruck nahezu identisch.

Auf dem Mars enthält eine Atmosphärensäule ca. 80 mal mehr CO2 als "anthropogenes CO2" auf der Erde. Deshalb sollte auch ein IR-Quant von der Planetenoberfläche ins All auf dem Mars mit der 80-fachen Chance wechselwirken wie auf der Erde mit anthropogenem CO2.

Der Faktor ist nicht 80, sondern ca. 7–15:

Mars: CO₂-Partialdruck (Perihel) ≈ 6,05 mbar

CO₂-Partialdruck (Aphel) ≈ 3 mbar

Erde: CO₂-Partialdruck ≈ 0,41 mbar

Da wir von einem globalen Phänomen sprechen, kommt es erst einmal auf die Gesamtmenge an CO₂ in der Atmosphäre an.

Wegen der geringeren Größe des Planeten beträgt die Gesamtmenge des CO₂ im Sommer etwa 8,3 statt der angegebenen 26, ausgedrückt als Masse (als Gewicht sind es etwa 3,7), und weniger als 4 im Marswinter der Südhemisphäre, wenn sich der Planet gleichzeitig im Aphel befindet.

Auf der Erde wie auf dem Mars wird ein angeregtes CO2-Molekül mit mehr als 99,9% Wahrscheinlichkeit seine Energie durch Stoß verlieren und nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit durch sofortige Re-Emission.

Aufgrund der geringen Atmosphärendichte des Mars ist die Wahrscheinlichkeit der Energieabgabe durch Konduktion ("Stoß") signifikant geringer als auf der Erde. Durch Konduktion erwärmt das CO₂ in der Erdatmosphäre die umgebenden O₂- und N₂-Moleküle, die wiederum ihrerseits Wärme auch in Richtung Erdoberfläche abstrahlt.

Zwar absorbiert CO2 wesentlich weniger Infrarotlicht als Wasserdampf, dafür aber hauptsächlich Frequenzen, die Wasserdampf gar nicht absorbiert.

Dazu kommen die positiven Rückkopplungen und das Verhalten von Eis, das extrem auf kleine Temperaturänderungen reagiert, wenn sie in der Nähe des Gefrierpunkts liegen.

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Es gibt einen Treibhauseffekt am Mars, dieser bträgt etwa 5-6K.

Die infrarote Schwarzkörperstrahlung des Mars ist aufgrund seiner kleineren Temperatur grundsätzlich zu den höheren Wellenlängen verschoben und somit kommen die Absorbtionsbanden von CO2 zwischen 2 und 4um nicht so stark zum tragen. Die stärkste Absorbtion ist bei ~15um und diese bewirkt den Treibhauseffekt am Mars. Allerdings ist aufgrund der geringen Gasdichte die Spektralverbreiterung im Gegensatz zur Erdatmosphäre nicht relevant, was zu einer Sättigung der Absorbtionslinen führt (optische Dicke groß). Dieser Effekt wird meist komplett unterschätzt (ich hab das mal grob simuliert und war sehr (!) darüber überrascht, welchen Einfluss die wachsenden Ränder der Linien auf die optische Dicke haben) und ich tippe gefühlsmäßig darauf, dass dies, neben dem fehlenden H2O den Hauptunterschied zur Erdatmosphäre ausmacht.

Man muss auch dezidert sagen, dass die Berechnung des Treibhauseffekts unter Einbeziehung dieses Effekts keine Milchmädchenrechnung ist und man das als "kleiner Maxi" nicht in zwei Zeilen hinschreiben kann. Gewisse unseriöse Kreise tun aber so, als wäre dies alles ein Kinderspiel und rechnen in zwei Zeilen vor, dass dies alles Blödsinn ist - das ist natürlich zu 99% dilletantischer Quatsch.

Nachzulesen ist das alles hier .


Skyler0003  28.05.2024, 18:40
Dieser Effekt wird meist komplett unterschätzt (ich hab das mal grob simuliert und war sehr (!) darüber überrascht, welchen Einfluss die wachsenden Ränder der Linien auf die optische Dicke haben)

Ich habe das kürzlich in meiner Hausarbeit gemacht und bin fast umgefallen, weil meine Erwartung viel geringer war.

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isohypse  28.05.2024, 18:48
@Skyler0003

Das geht tatsächlich irgendwie "exponeziell" ein. Hab das mit Excel mal simuliert und müsste das wieder ausgraben. Ist Jahre her.

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isohypse  28.05.2024, 19:55
@Skyler0003

Ja, studiere grad - hab aber als junger Physik studiert und mach das jetzt nur als Hobby

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isohypse  28.05.2024, 20:56
@Skyler0003

in Rente gehen. Ich mach das Studium nur deshalb, da ich mich im gut bezahlten IT-Job zu Tode langweile und irgendwo eine Herausforderung brauche.

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Skyler0003  28.05.2024, 21:18
@isohypse

Ah, ich dachte du wärst noch'n Jungspund! Dann bleibst du GuteFrage in der Rente wenigstens erhalten?

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weil die Atmospgäre extrem dünn ist.


secretfalls 
Fragesteller
 28.05.2024, 12:08

Dankeschön.

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in so dünner Atmosphäre ist die Zusammensetzung egal. Die drei oder elf Moleküle tun da nichts, auch wenn eins davon CO2 ist. Die Sonnenstrahlung ist da draußen auch nicht gerade tropisch.


secretfalls 
Fragesteller
 28.05.2024, 12:08

Danke. Stimmt dann die Anzwort von Skyler0003 weil er sagt nicht dass die Atmosphäre dort dünner ist. Oder ist die falsch?

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Skyler0003  28.05.2024, 12:22
@secretfalls

Die Antwort von Skyler0003 ist nicht falsch, und sie sagt in ihrer Antwort:

Die Marsatmosphäre ist besonders: es gibt nicht viel von ihr. Die Luftdichte auf der Erde beträgt ungefähr 1,23 kg/m³. Die Luftdichte des Mars beträgt hochgerechnet 0,015 kg/m³ → weniger als 1,5 % des Durchschnitts der Erde.

Da steht, dass sie dünner ist, nur in anderen Worten.

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hologence  28.05.2024, 13:12
@secretfalls

eine Antwort von diesem User sehe ich nicht. Allerdings sehe ich ein "Diese Antwort wurde von einem Nutzer verfasst, dessen Inhalte Du ausgeblendet hast.", vielleicht ist sie das.

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Weil die Atmosphäre extrem dünn ist. Ohne Treibhauseffekt wäre der Mars aber noch mal deutlich kälter, etwa um 6 bis 8 Grad.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Masterstudium Physik

secretfalls 
Fragesteller
 28.05.2024, 12:09

Danke. Woher wissen sie das mit dem ohne Treibhauseffekt?

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