Der Strahlungshaushalt der Erde

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Das System Erde - Sonne
2.1 Der Erdumlauf
2.2 Perihel und Aphel
2.3 Solstitium und Äquinoktium
2.4 Der Aufbau der Atmosphäre

3 Strahlung
3.1 Strahlung
3.1.1 Lambertsches Gesetz
3.1.2 Planksches Gesetz
3.1.3 Wiensches Verschiebungsgesetz
3.1.4 Stefan - Boltzmannsches Gesetz
3.2 Globalstrahlung
3.3 Albedo
3.4 Strahlungsbilanz

4 Der Treibhauseffekt

5 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Der Klimawandel ist allgegenwärtig. Fast täglich erscheinen in den verschiedenen Medien neue Horrorszenarien bezüglich des Klimawandels. Dem kundigen Leser fällt dabei die hohe Variabilität der verschiedenen Prognosen auf. Dies zeigt, dass wir es mit einem sehr komplexen System zu tun haben, das noch nicht vollständig erforscht ist. Da beim Klima mehrere Systeme ineinandergreifen, sind sogenannte Klimamodelle nur sehr schwer aufzustellen. Um bei dieser Klimadebatte durchzublicken, und bestimmte Horrormeldungen der Gazetten werten zu können, bedarf es einiger Grundkenntnisse.

Die folgende Arbeit beschäftigt sich mit dem Strahlungshaushalt der Erde. Die von der Sonne eintreffende Strahlung ist Grundvoraussetzung für Leben auf unserem Planeten. Die durch Strahlung eintreffende Energie wird in die verschiedensten Subsysteme weitergeleitet und dort weiterverarbeitet.

2 Das System Erde - Sonne

2.1 Der Erdumlauf

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Erdumlauf und Jahreszeiten (Strahler & Strahler, 2002)

Wie man in Abbildung1 sehen kann, befindet sich die Erde auf einer elliptischen Umlaufbahn um die Sonne. Eine Umlaufperiode dauert ein Jahr. Ein Jahr hat eine Länge von 365 ¼ Tagen. Alle vier Jahre kommt es zum so genannten Schaltjahr. Hierbei erhält der Februar einen zusätzlichen Tag, um die Vierteltagsdifferenzen auszugleichen. Die Erde selbst dreht sich zusätzlich dazu im Uhrzeigersinn um seine eigene, um 23 ½° geneigte Erdachse. Dieser Vorgang dauert 24 Stunden, einen Tag.

2.2 Perihel und Aphel

Ebenfalls in Abbildung 1 zu erkennen ist der Sachverhalt, dass die Entfernung der Erde zur Sonne variiert. Die mittlere Entfernung beträgt etwa 150 Millionen Kilometer. Da die Umlaufbahn der Erde um die Sonne, wie oben erwähnt, elliptisch ist, gibt es für die minimale und für die maximale Entfernung zwei konkrete Daten und Begriffe. Die Entfernung der Erde zur Sonne ist am geringsten, nämlich in etwa 147,5 Millionen Kilometer, am 3. Januar. Diesen Zustand nennt man Perihel. Dieser Begriff stammt vom griechischen peri = um herum, nahe, und helios = Sonne. Im entgegengesetzten Zustand, dem Aphel, ist die Erde am weitesten von der Sonne entfernt. Dieser Begriff stammt ebenfalls aus dem Griechischen, apo= weg von, und helios= Sonne. Die Entfernung zu diesem Zeitpunkt, am 4.7., beträgt 152,5 Millionen Kilometer.

2.3 Solstitium und Äquinoktium

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Solstitien und Äquinoktien (Strahler & Strahler, 2002)

Zusätzlich zu Perihel und Aphel, unterscheidet man weitere Zustände innerhalb einer Umlaufperiode. Abbildung 2 zeigt die Stellung der Erde zur Sonne an vier bestimmten Daten, und den daraus entstehenden Strahlenempfang der Erde. Besonders zu beachten ist hier vor allem die schräg stehende Erdachse. Dieser Sachverhalt ist für die unterschiedlichen Jahreszeiten mitverantwortlich.

Betrachtet man den Zustand am 21.6. also dem Sommer auf der Nordhalbkugel, sieht man, dass der Nordpol durch die schräg stehende Erdachse vollständig Sonnenstrahlen erhält. Die Nordhalbkugel ist zur Sonne hin gekippt. Diesen Zustand nennt man Sommersolstitium. Ein halbes Jahr später, befindet sich die Erde in genau der entgegengesetzten Stellung. Am 21.12. erhält der Südpol vollständig Sonnenstrahlen. Diesen Zustand nennt man Wintersolstitium. Im Extrem kommt es hier zu Polartag und Polarnacht, in denen der Nord- und Südpol eine Tages- oder Nachtlänge von 24 Stunden haben. Im weiteren Stadium der Umlaufperiode ändert sich dieser Wert natürlich gegen die 12 Stundenmarke an den Äquinoktien.

Zwischen den Solstitien ereignen sich die Äquinoktien. Hier erhalten Nord- und Südpol gleichermaßen Strahlung von der Sonne. Am Äquator steht die Sonne am Mittag in einem Winkel von 90° zur Erdoberfläche. An den Polen streifen die Sonnenstrahlen lediglich die Erdoberfläche. Ein weiteres Merkmal lässt sich in der Tageslänge ausmachen. Tag und Nacht haben auf allen geographischen Breiten 12 Stunden Länge. Daher auch der Name Äquinoktium. Er ist aus dem Lateinischen hergeleitet von den Wörtern aequus = gleich und nox = Nacht.

2.4 Der Aufbau der Atmosphäre

Die Atmosphäre bezeichnet die Lufthülle der Erde. Sie besteht aus verschiedenen gasförmigen Elementen und Gasen. Die Mengenanteile bleiben aufgrund ständigen Luftmassenaustauschs relativ konstant. Die Hauptbestandteile sind Stickstoff (77%), Sauerstoff (20,7%), Wasserdampf (1,3%) und Argon (0,9%). Die restlichen 0,1% bestehen aus Edelgasen, wie zum Beispiel Ozon und Kohlendioxid. In den unteren Schichten können noch feste Schwebeteilchen, Aerosole, hinzukommen (Leser, 2005).

97% davon befinden sich in den untersten 30 Kilometern der Atmosphäre. Dieser Bereich ist dementsprechend besonders wichtig für die Klimaerscheinungen auf unserem Planeten. Als äußerste Atmosphärengrenze gilt eine Höhe von 10 000 Kilometern. Wie man in der Abbildung unten sehen kann, ist die Atmosphäre in mehrere Stockwerke gegliedert. Die unterste Etage bildet die Troposphäre. Sie reicht bis in 14 Kilometern Höhe. Auffallend in der Graphik ist die Temperaturkurve. Durch den geometrischen Temperaturgradienten sinkt die Temperatur um etwa 6,4° C pro 1000 Metern Höhenzunahme. So können Temperaturen an der Obergrenze dieser Schicht von bis zu -50° C zustande kommen. Die Troposphäre ist für das Wettergeschehen auf der Erde von enormer Relevanz. Vor allem die in dieser Schicht enthaltene Menge an Wasserstoff ist von

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: :Der Aufbau der Atmosphäre ( Leser, 2005)

zentraler Bedeutung hinsichtlich Wolkenbildung und den daraus entstehenden Wettererscheinungen. Durch Wasserdampf und Kohlendioxid wird die von der Erde zurückgestrahlte Wärme absorbiert, was unseren Planeten vor dem Erfrieren schützt. Der daraus resultierende Treibhauseffekt wird in Kapitel 4 behandelt. Die nächste Schicht in der Atmosphäre ist die Stratosphäre. Sie ist ebenfalls von enormer Bedeutung. In ihr befindet sich die Ozonschicht. Sie reicht von etwa 15 Kilometern bis 55 Kilometern Höhe. Durch die Ozonschicht wird ein großer Teil der UV-Strahlung absorbiert. In voller Intensität wären diese Strahlen schädlich für Menschen und Tiere. Somit sind Diskussionen um eine Verringerung des Ausstoßes von Fluorkohlenwasserstoffen (FCKW’ s), die das Ozon angreifen, nicht übertrieben und keine Panikmache einzelner Personen, sondern ein ernst zu nehmendes Problem. Weiter in der Höhe folgen die Mesosphäre und die Thermosphäre. Von der Stratopause, dem Übergang von Stratosphäre zu Mesosphäre, nimmt die Temperatur bis auf fast 0° C zu, da die auftreffende Sonnenstrahlung von Ozon absorbiert wird. In der Mesopause, dem Übergang von Mesosphäre zu Thermosphäre, sinkt die Temperatur wieder auf bis zu -80°C ab, da in dieser Schicht kein Ozon vorhanden ist. In der Thermosphäre nimmt die Temperatur hingegen wieder ständig zu. (Leser, 2005)

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