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. Das sind bei ca. 2 KW pro Mensch immerhin noch das Hundertfache des gesamten menschlichen Energiebedarfes! 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.