Strahlungsbilanz der Erde

Die Erde erhält Energie von der Sonne in Form von Sonnenstrahlung. Gleichzeitig strahlt auch die Erde Energie in Form von Strahlung in den Weltraum ab. Die beiden Energieflüsse stehen miteinander im Gleichgewicht. Wenn man sie gegeneinander aufrechnet, spricht man von der Strahlungsbilanz oder Energiebilanz der Erde. Diese wird typischerweise auf die Dauer eines Jahres berechnet, um die jahreszeitlichen Schwankungen auszugleichen.

Aufgaben

1. Erkläre in eigenen Worten, was die solare Einstrahlung, die terrestrische Ausstrahlung und atmosphärische Gegenstrahlung sind und welche Eigenschaften sie haben. Notiere Deine Antworten.
2. Erkläre, welche Rolle die globale Albedo der Erde im Strahlungshaushalt spielt. Notiere Deine Antworten.
3. Zeichne eine Skizze, um die Energieflüsse in der Erdatmosphäre zu veranschaulichen. Benutze verschiedene Farben für kurzwellige und langwellige Strahlung und versuche, alle Komponenten des Systems zu berücksichtigen.

Was ist Strahlung?

Die Sonne strahlt Energie in alle Richtungen in den Weltraum. Wir kennen diese Energie aus dem Alltag als Sonnenlicht, wir spüren seine Energie auf der Haut oder auf einer Fläche, die durch die Strahlen der Sonne aufgewärmt werden.

Verschiedene Wellenlängen

Dabei wird schon klar, dass diese Strahlen einerseits sichtbar sein können (wir sehen die Sonnenstrahlen), dass andererseits Energie aber auch unsichtbar übertragen werden kann: ein warmer Stein leuchtet nicht, wir spüren seine Wärme aber auch, wenn wir mit der Hand in seine Nähe kommen.

Die Erklärung ist, dass Strahlung sich als Wellen ausbreitet und dass diese unterschiedlichen Wellenlängen haben können (siehe Abbildung). Normalerweise geben Körper Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen ab, die ganze Bandbreite der verschiedenen Wellen nennt man das Spektrum der Strahlung oder das Spektrum der elektromagnetischen Wellen.

Die Abbildung zeigt das Spektrum der in der Natur vorhandenen Strahlung. Für das Verständnis von Wetter- und Klimaprozessen, ist der Bereich der Ultravioletten Strahlung (UV), des sichtbaren Lichts und der Infrarotstrahlung (IR) besonders wichtig.

Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung

Zusammenhang von Strahlung und Temperatur eines Körpers

Es gibt zur Strahlung von Körpern zwei einfache Grundsätze

1. Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273°C = 0 K) liegt, gibt Strahlung ab.
2. Je heißer ein Körper ist, desto weiter reicht die von ihm abgegebene Strahlung in den kurzwelligen Bereich des Spektrums. (Das bedeutet: ein „kühler“ Körper gibt z.B. nur langwellige Strahlen ab, ein „heißer Körper gibt langwellige und kurzwellige Strahlen ab).

Daraus folgt, dass sowohl die Sonne als auch die Erde Strahlung abgeben und dass die Strahlung von der Sonne auch mehr kurzwellige Strahlen enthält als die Strahlung, die die Erde abgibt (weil die Sonne heißer als die Erde ist).

Natürlicher Treibhauseffekt

Die Luft der Atmosphäre lässt die kurzwellige Sonnenstrahlung gut durch, hält aber von der langwelligen Ausstrahlung der Erde viel zurück, so dass diese langwellige Ausstrahlung länger in der Atmosphäre verweilt und die Atmosphäre erwärmt. Dies nennt man den natürlichen Treibhauseffekt. Ohne diesen Treibhauseffekt, läge die durchschnittliche Temperatur auf der Erde bei -18°C. Mit dem Treibhauseffekt liegt sie bei 15°C (siehe die folgenden Abbildungen).

Einstrahlung der Sonne und Ausstrahlung der Erde im gedachten Zustand OHNE Atmosphäre. Die globale Durchschnittstemperatur der Erde läge bei -18°C.

Einstrahlung der Sonne, Ausstrahlung der Erde mit der teilweisen Absorption der Infrarotstrahlung durch die Erdatmosphäre

Videos

Wiederholung und Vertiefung

1. Schaue Dir nun die beiden folgenden Videos an und bearbeite an den entsprechenden Stellen die Verständnisfragen.