Energiebilanz der Atmosphäre1

Die Funktion der Athmosphäre
Strahlung und Strahlungsumsatz
Siehe besonders: http://www.schulphysik.de/bilanz2.html
Unser wichtigster Stern, die Sonne, heizt mit
einer Leistung ( Energie/Zeit ) von P=3,8x1026
W(att) und einer Schwankung von ca. 1% ins
All. In einer Entfernung von 149.600.000 km
(einer astronomischen Einheit, der Strecke zur
Erde) erreicht die Solarstrahlung S immerhin
noch 1368 W/m2 . Über die gesamte
Erdansichtsfläche sind dies 1,74 1017 W oder
1,74 1017 J/s .
30% der Globalstrahlung werden durch die
Atmosphäre und die Erdoberfläche zurück ins
All reflektiert. Diese Energie, die so der Erde
verloren geht, wird als globale Albedo (a)
bezeichnet. Nach Abzug der Albedo kommen
noch ca. 1,22 1017 W der Erwärmung der
Athmosphäre und Erdoberfläche zu Gute. Im
Verhältnis: Die Sonne liefert ca. das 400-fache
der menschlichen Primärenergieerzeugung.
19% dieser Strahlen werden durch die Atmosphäre und die Wolken absorbiert.
Absorption = Aufnahme und Bindung von Energie (Sonnenstrahlen) durch Gase (CO2, H2O, u.a.)
Weitere 51% werden durch die Erdoberfläche absorbiert und in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt.
Die langwellige Wärmestrahlung erhitzt den Erdboden, wodurch von diesem Warmluft aufsteigt. Diese
Energie wird als Ausstrahlung der Oberfläche AO bezeichnet. Sie wird teilweise wieder an den Wolken
reflektiert und zur Erdoberfläche (Gegenstrahlung AG ) zurückgeworfen. Dieser Wechsel von AO und AG
bewirkt den natürlichen Treibhauseffekt und damit die Erhaltung der Durchschnittstemperatur von 15°C auf
der Erdoberfläche.
Die riesige Menge an eingestrahlter Sonnenenergie wird durch vielfältige Prozesse umgesetzt: sie lässt u.a.
Wasser verdampfen, zu Wasserdampf und zu Wolken werden, die einerseits dafür sorgen, dass nicht alles
Sonnenlicht absorbiert wird. Andererseits streuen sie bei der Abstrahlung einen Teil der Energie wieder zur
Erdoberfläche zurück und sorgen dort für eine höhere Temperatur.
Wir leben am Grund der Lufthülle in einem thermisch etwas turbulenten aber im Schnitt 15°C warmen
Gebiet- das nach außen hin immer kühler wird und letztlich in den 3 Kelvin = -270 Grad Celsius kalten
Weltraum übergeht.
Wasserdampf (etwa zu 66%) und Kohlendioxid(etwa zu 30%) dagegen erzeugen mit ihren
wellenlängenabhängigen Absorptionsvermögen den natürlichen Treibhaus- Effekt, Methan,
Kohlenstoffverbindungen, Russpartikel und Fluorchlorkohlenstoffe tragen zur Aufheizung in den letzten
Jahrzehnten bei.
Strahlungsbilanz
Da die Erde insgesamt in den letzten ~2 - Milliarden Jahren gleich warm geblieben ist, musste in dieser Zeit
gleich viel Energie in den Weltraum abgegeben werden, als aufgenommen wurde. Das bedingt, dass die Erde
gleich viel Energie abstrahlt, wie sie aufnimmt. Die Energiebilanz ist deshalb Null.
Die Einstrahlung ist am Äquator am stärksten ( siehe cos-Gesetz und Dicke der Athmosphäre), die
Ausstrahlung erfolgt von der gesamten Erdoberfläche ziemlich gleichmäßig. Daraus folgt:


Am Äquator ist die Strahlungsbilanz (R) positiv (Energieüberschuss), somit ist auch die
Erwärmung der Luft und des Bodens hoch.
An den Polen ist die Strahlungsbilanz (R) negativ (Energiemangel), somit ist auch die Abkühlung
der Luft und des Bodens groß.
Dieser Temperaturgegensatz zwischen Äquator und Polen muss ausgeglichen werden, damit der gesamte
Strahlungs- und auch Wärmehaushalt der Erde gleich ist. Dieser Ausgleich geschieht durch verschiedene
Wärmeströme, wie Wind, Verdunstung und Meeresströmungen.
H ... fühlbarer Wärmestrom (z.B. Wind)
V ... nichtfühlbarer Wärmestrom (z.B. Verdunstung)
W ... Meeresströmungen
B ... vertikale Strömungen zwischen Oberfläche und Tiefe im Wasser und in der Luft
Die atmosphärische Zirkulation (die globalen Windsysteme), die Meersströmungen, u.a.
Ausgleichströmungen resultieren also aus dem Strahlungs- und Wärmeunterschied zwischen Pol und
Äquator.
Entropiebilanz
Die Physik hat für die Wertigkeit der Energie den Begriff der
Entropie = Energieänderung/Temperatur
gebildet. Je höher die Entropie eines Systems wird, desto ungeordneter, strukturloser ist das System. Sich
selbstorganisierende, lebendige Systeme müssen daher bestrebt sein, Entropie zu exportieren um dem so
genannten Wärmetod (absolute Gleichheit aller Systemteile) zu entgehen.
Wenn die Erde Energie an den Weltraum abgibt verliert sie mit der Energie auch Entropie, sie exportiert
Entropie. Nur dadurch gelingt es der Erde Strukturen und Ordnungen aufrecht zu erhalten.
Von der Sonne (Oberflächentemperatur 6000K) kommt eine Entropie Sin = 1,74 1017 W/5800K und es geht
ab eine
Entropie Sout = 1,74 1017 W/280K was in Differenz -6 1014 W/K ergibt. Dies sind pro Quadratmeter
Erdoberfläche ein Entropieexport von etwa 1 W/K. Nur deshalb kann die Erde Leben, Strukturen und
Ordnung - und uns Menschen erhalten.