Strahlungshaushalt der Erde

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Der Strahlungshaushalt der Erde ist der wichtigste Bestandteil des Energiehaushalts der Erde. Über den Teilbereich der Strahlungsbilanz werden dabei die verschiedenen Haushaltsgrößen in einer Gleichung rechnerisch bilanziert, während sie der Strahlungshaushalt darüber hinaus auch beschreibt und in ihren Wechselbeziehungen darstellt.

Strahlungsbilanz[Bearbeiten]

Aufgliederung der einstrahlenden Sonnenenergie

Die einfallende Sonnenstrahlung ist (überwiegend) kurzwellig, deshalb wird diese Formel auch als kurzwellige Strahlungsbilanz (Q_{\textrm k}) bezeichnet:

Q_{\textrm k} = G - R = D + H - R = (1 - a) G

Die Erdoberfläche emittiert Wärmestrahlung (infrarot). Da diese Strahlung langwellig ist, wird diese Formel auch als langwellige Strahlungsbilanz (Q_{\textrm l}) bezeichnet:

Q_{\textrm l} = A_{\textrm E} = A_{\textrm O} - A_{\textrm G}

Aus den beiden Formeln für die Strahlungsaufnahme und die Strahlungsabgabe, also für Gewinn und Verlust, lässt sich nun ermitteln, wie viel insgesamt zur Verfügung steht (gesamte Strahlungsbilanz (Q), Nettostrahlung):

Q = Q_{\textrm k} - Q_{\textrm l} = G - R - A_{\textrm E}

einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung[1] 342 Watt pro m2
reflektierte Sonnenstrahlung 107 Watt pro m2
emittierte langwellige Strahlung 235 Watt pro m2
SALDO (effektiver "Energie-Input") = ± 0 Watt pro m2

Die Leistung der gesamten oberhalb der Atmosphäre auf die Erde einfallenden Sonnenstrahlung beträgt ca. 5.500.000 EJ/a (1 EJ = 1018 J) (siehe Grafik oben, 174 PW = 174 • 1015 J/s => 174 • 1015 J/s • 31,536 • 106 s/a ≈ 5,5 • 1024 J/a). Der Weltenergiebedarf im Jahr 2010 betrug 505 EJ.

Strahlungshaushalt[Bearbeiten]

Die zur Erde kommende Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden (hier besonders von Schnee) zu 30 % wieder in den Weltraum reflektiert (das heißt die Albedo der gesamten Erde ist 0,30). Die restlichen 70 % werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre, 50 % vom Erdboden. Letztere werden durch Wärmestrahlung und durch Wärmeleitung mit anschließender Konvektion wieder an die Lufthülle abgegeben. Würde diese Energie wieder vollständig in den Weltraum abgestrahlt werden, läge die mittlere Lufttemperatur bei −18 °C, während sie tatsächlich +15 °C beträgt.

Die Differenz erklärt sich aus dem natürlichen Treibhauseffekt der Atmosphäre. Die sogenannten Treibhausgase in der erwärmten Atmosphäre (vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid) emittieren Infrarotstrahlung – auch in Richtung Erde. Der Nachschub für die abgestrahlte Energie erfolgt durch Konvektion und Absorption (ein Teil der Abstrahlung von der Erdoberfläche im Infraroten wird absorbiert). Die von der Atmosphäre emittierte Infrarotstrahlung führt zu einer Erwärmung der Erdoberfläche um durchschnittlich 33 °C.
Diese Zahlen gelten nur für die Erde als Ganzes. Lokal und regional hängen die Verhältnisse von zahlreichen Faktoren ab:

  • von der Albedo der Erdoberfläche, die vom 30-%-Mittel stark abweichen kann (beispielsweise Schnee 40 bis 90 %, Wüste 20 bis 45 %, Wald 5 bis 20 %)
  • vom oben erwähnten Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und der Dauer ihrer Einwirkung
  • von Bewölkung und Luftfeuchtigkeit
  • vom Wärmetransport durch Wind, von Luftschichtungen usw.

Theoretisch sind diese Faktoren weitgehend modellierbar, doch nicht in allen Details wie Staueffekten an Gebirgen oder unregelmäßiger Bewegung von Tiefdruckgebieten. Für gute Vorhersagen benötigt die Meteorologie außer enormer Rechenleistung auch ein weltweit dichtes Raster von Messdaten über alle Luftschichten, was in der Praxis an Grenzen stößt.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. vgl. Grafik in: NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION The Earth Observer. November - December 2006. Volume 18, Issue 6. page 38 (PDF-Datei; ca. 7,6 MB)