Wieviel Energie liefert uns die Sonne?

Welt der Wissenschaft: Solarkonstante
Wieviel Energie liefert
uns die Sonne?
Die genauesten Werte für den Energiefluss von der Sonne bestimmte Dietrich Labs, der
im März 2008 im Alter von 86 Jahren in Heidelberg starb. Er entwickelte die präzisesten
Vergleichsquellen zur Eichung des Sonnenspektrums. Sein SOLSPEC-Instrument wurde
seit 1983 mehrmals im Weltraum eingesetzt und misst jetzt auf der Internationalen
Raumstation ISS.
Von Dietrich Lemke, Holger Mandel und Uwe Reichert
A
uch wenn die Sonne gerade mal
den die Häufigkeit der Sonnenflecken pe-
auch auf die Zusammensetzung der Atmo-
nicht scheint und Wolken den
riodisch schwankt. Solche Veränderungen
sphäre haben. So bestimmt zum Beispiel
Himmel verhängen: Sie leuch-
könnten sich auf das Wettergeschehen
Strahlung aus dem mittleren Ultraviolet-
tet permanent und versorgt die
und die Entwicklung des Erdklimas aus-
ten, also dem Wellenlängenbereich von 200
Erde mit lebensnotwendiger Strahlungs-
wirken, denn die Sonne bestimmt als pri-
bis 300 Nanometern (nm), den Ozongehalt
energie. Pro Sekunde und Quadratmeter
märe äußere Energiequelle den Energie-
der Atmosphäre und damit wiederum die
sind es im Mittel 1367 Joule. Dieser Wert
haushalt der irdischen Atmosphäre. Wie
Absorption ultravioletter Strahlung.
heißt Solarkonstante. Er ist allerdings
stark solche Auswirkungen sind, lässt sich
Um solche Auswirkungen der Son-
nicht exakt konstant, denn er hängt von
allerdings nur herausfinden, wenn man
neneinstrahlung auf die Vorgänge in der
der Entfernung der Erde zur Sonne ab, die
die Sonnenstrahlung und ihre zeitlichen
Erdatmosphäre verstehen zu können, ist es
bekanntlich wegen der Exzentrizität der
Veränderungen langfristig genau misst.
also wichtig zu wissen, ob und wie sich die
Erdbahn im Jahreslauf leicht variiert.
Aber nicht genug, dass die Solarkons-
spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung
Auch Veränderungen auf unserem Ta-
tante leicht variiert: Auch die spektrale
mit der Zeit ändert. Aber auch für das volle
gesgestirn selbst können den Wert der So-
Verteilung der von der Sonne abgestrahlten
physikalische Verständnis der Energieer-
larkonstante beeinflussen – zum Beispiel
Energie kann sich mit der Zeit ändern und
zeugung im Inneren der Sonne und des
der elfjährige Sonnenfleckenzyklus, durch
sowohl Auswirkungen auf das Erdklima als
Strahlungstransports nach außen ist die
Absolutmessung ihrer Strahlungsintensität
erforderlich. Aus den gemessenen Werten
Stichwort: Solarkonstante
D
von abgestrahlter Energie pro Fläche, pro
Raumwinkel und pro Wellenlängeninter-
ie Solarkonstante ist die Strahlungsener­gie der Sonne, die bei mittlerem
vall kann dann durch Integration auch die
Sonnenabstand von einer Astronomischen Einheit und senkrechtem Strah-
Solarkonstante genau bestimmt werden.
lungseinfall pro Sekunde und pro Quadratmeter auf die Erdatmosphäre einfällt. Ihr
Mittelwert beträgt 1367 Joule pro Sekunde und Quadratmeter beziehungsweise 1367
Watt pro Quadratmeter.
In älteren Lehrbüchern wird dieser Wert so veranschaulicht: Die Sonne wirft an je-
Schwarzer Körper
als Vergleichslichtquelle
Im Grunde ist das Prinzip der Messung
dem wolkenlosen Sommertag ein Brikett auf jeden Quadratmeter der Erde. Heute
einfach: Man nehme ein Spektralphoto-
haben Besitzer von Solaranlagen durch eingespartes Heizöl oder die Einspeisevergü-
meter und messe über eine längere Zeit
tung für Solarstrom eine Vorstellung von der Leistung des solaren Energiestroms.
den spektralen Strahlungsstrom der Sonne in absoluten Einheiten, zum Beispiel
30
Juni 2008
Sterne und Weltraum
+
die von Dietrich Labs und Heinz Neckel
1970 gemessenen Werte in zehn Nanometer breiten Wellenlängenintervallen an,
einschließlich der zahlreichen Absorptionslinien. Die glatte Kurve gibt das Quasikontinuum an, also die Verbindungslinie
der höchsten gemessenen Intensitäten
zwischen den Linien.
?dj[di_jjQMYc#(ij[h#'dc#'S
ultravioletten bis weit in den infraroten
Strahlungsbereich. Die Treppenkurve gibt
Labs, D. und Neckel, H.: Proc. Symposium on Solar Radiation, 1973
Das Sonnenspektrum erstreckt sich vom
*
)
(
'
&
i_Y^jXWh[h
8[h[_Y^
(&&
*&&
,&&
.&&
'&&&
'(&&
'*&&
',&&
'.&&
M[bb[dbd][_dDWdec[j[h
SOHO (ESA und NASA)
in Watt pro Quadratzentimeter, Steradiant
und Nanometer (W cm–2 sr–1 nm–1). In der
Praxis allerdings ergeben sich eine Reihe
von
messtechnischen
Schwierigkeiten:
Um störende und veränderliche Einflüsse
der Erdatmosphäre auszuschalten, sollten
die Messungen vorzugsweise außerhalb
der irdischen Lufthülle ausgeführt werden. Und die Empfindlichkeit des Messgeräts darf sich im Laufe der Zeit nicht
unkontrolliert ändern; ein steter Vergleich
des gemessenen Strahlungsstroms der
Sonne mit demjenigen einer Strahlungsquelle bekannter Intensität im Labor ist
also erforderlich.
Eine solche Eichquelle ist der berühmte
Schwarze Körper, dessen Abstrahlung Max
Planck im Jahre 1900 mit der nach ihm
benannten
Strahlungsformel
erstmals
genau angeben konnte. Dazu muss nur die
Temperatur des strahlenden Hohlraums
exakt bekannt sein. Idealerweise sollte sie
der Temperatur von etwa 5770 Kelvin auf
Im Röntgenlicht und im Ultravioletten
der Oberfläche der Sonne möglichst nahe
bietet unsere Sonne mit ihrer Korona
kommen.
einen spektakulären Anblick.
Einer der Wissenschaftler, die sich
solche Messungen an der Sonne zur Lebensaufgabe machten, war Dietrich Labs
Quecksilber-Hochdrucklampen mit einer
Da Sterne vom Spektraltyp der Sonne
von der Landessternwarte Heidelberg.
sonnenähnlichen Ausstrahlung. Diese klei-
(G2V) in der Milchstraße häufiger anzu-
Vor allem in den 1960er Jahren hat er mit
nen und transportablen Strahlungsquellen
treffen sind, kennen wir so auch den Ener-
seinen Mitarbeitern Messungen an den
kalibrierte er im Labor mit einem Schwar-
giefluss von zahlreichen Sternen gleichen
hochalpinen Stationen Pic du Midi in den
zen Körper. Dessen genaue Temperatur
Typs, sofern deren Entfernung bekannt ist.
französischen Pyrenäen und Jungfraujoch
wurde wiederum am Erstarrungspunkt
Umgekehrt kann aus der Helligkeitsmes-
in den Berner Alpen durchgeführt.
von Gold bei T = 1064,43 Grad Celsius an-
sung von G2V-Sternen ihre Entfernung
Da ein Schwarzer Körper mit allen
gehängt. Diese gegenseitigen Anschlüsse
abgeleitet werden (photometrische Paral-
seinen Versorgungseinheiten ein unhand-
erfordern hohes experimentelles Geschick
laxe). An die G2V-Sterne lassen sich Sterne
liches Gerät für Expeditionen zu solch
und einen Genauigkeitsfanatiker wie Labs.
mit anderem Spektraltyp anschließen, so
unwirtlichen Orten ist, schuf Labs »sekun-
Das Ergebnis einer solchen präzisen Abso-
dass die Sonnenmessungen zum Stamm-
däre« Standardstrahler: stabil leuchtende
luteichung des Sonnenspektrums durch
baum eines photometrischen Eichsystems
Wolframbandlampen sowie Xenon- und
Labs und Mitarbeiter zeigt die Grafik oben.
der Sterne wurden.
www.astronomie-heute.de
Juni 2008
31
Didaktisches Material zu diesem Beitrag
Besuchen Sie uns
im Internet!
steht Ihnen kostenlos auf der Website
www.wissenschaft-schulen.de zur Verfügung, bei denen es darum geht, mit wenig materiellem Aufwand und entsprechend mehr Physik- und Mathematikkenntnissen die Solarkonstante zu bestimmen.
Unser Projekt »Wissenschaft in die Schulen!« führen wir in Zusammenarbeit mit der
Landesakademie für Lehrer­fortbildung in Bad Wildbad durch. Es wird von der Klaus
Tschira Stiftung gGmbH großzügig gefördert.
Mit der in den 1960er Jahren aufkom-
tronen, die durch starke Magnetfelder auf
menden Möglichkeit extraterrestrischer
eine Kreisbahn gezwungen werden, strah-
Messungen verband sich der Wunsch, das
len beim Umlauf in tangentialer Richtung
Sonnenspektrum auch in dem vom Erd-
helles Licht ab. Das Spektrum dieser Syn-
boden aus unzugänglichen Ultravioletten
chrotronstrahlung kann genau berechnet
zu kalibrieren. Der klassische Schwarze
werden, wenn einige messbare Größen,
Körper reichte dafür nicht aus, da er nicht
wie Energie der Elektronen und Magnet-
heiß genug wurde und kein bekanntes
feldstärke, bekannt sind. Der Vorteil einer
Wandmaterial Temperaturen von mehr als
Eichung mit der Synchrotron-Strahlung
3000 Kelvin auszuhalten vermochte. Bei
ist zweifach: ihre Intensität steigt zum Ul-
dieser Temperatur liegt das Strahlungsma-
travioletten hin an (Grafik unten), und sie
ximum im nahen Infraroten. Seine Inten-
kommt aus dem Vakuum des Beschleuni-
sität fällt zum Ultravioletten hin um viele
gers. Fenster mit Absorptionen und Refle-
Größenordnungen ab. Aus diesem Grund
xionen werden so vermeidbar.
In unserem Online-Archiv finden Sie alle
wurden Messungen im mittleren Ultra-
Beim Deutschen Elektronen-Synchro-
bisher erschienenen Sterne und Weltraum-
violetten durch Streulicht aus dem sehr
tron DESY in Hamburg haben Labs und
Artikel seit 2005.
viel helleren sichtbaren Bereich verfälscht,
seine
trotz zweifacher Filterung in dem von Labs
drucklampen als sekundäre Eichquellen
>> Hier können Sie nach einzelnen Artikeln
entwickelten Doppelmonochromator.
angeschlossen. Diese wurden dann unver-
Doktoranden
schließlich
Hoch-
recherchieren und diese für € 1,–
Ab 1965 schuf sich Labs mit seinen Stu-
züglich zur Ultraviolett-Kalibrierung von
denten einen neuen primären Strahlungs-
Raketen- und Satelliteninstrumenten zur
als PDF-Dateien kaufen:
standard: die Synchrotronstrahlung eines
Messung des Zodiakallichtes eingesetzt,
www.suw-online.de/archiv
großen Beschleunigers. Energiereiche Elek-
das durch Streuung des Sonnenlichts an
>> Sie können Sterne und Weltraum
Synchrotronstrahlung
auch komplett als Online-Ausgabe
Sonne
Schwarzer Körper
Im Gegensatz zu den
abonnieren:
Spektren thermischer
www.suw-online.de/digitalabo
Quellen wie Schwarzer Körper und Sonne
steigt die Intensität von
>> Der Podcast von Sterne und Weltaum
Synchrotronstrahlung
und astronomie heute enthält aktuelle
forschung und Amateurastronomie.
>> … oder treten Sie einfach mit unseren
Astro-Bloggern in Kontakt:
zu kurzen Wellenlängen
relative Intensität
Nachrichten rund um Weltraum-
hin an. Skizziert ist der
relative Verlauf, nicht die
absolute Intensität, da
letztere von vielen Geometriefaktoren abhängt.
Offensichtlich liefert
www.kosmologs.de
D. Lemke/SuW-Grafik
der Schwarze Körper im
Diese und weitere kostenlose ServiceAngebote finden Sie unter
www.astronomie-heute.de
Ultraviolett
Sichtbares Licht
Ultravioletten ein viel zu
kleines Eichsignal für die
Sonne, vorteilhafter ist
die Synchrotron-Strahlung.
Infrarot
Wellenlänge
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Juni Wissen
2008 aus erster Hand
Sterne und Weltraum
Landessternwarte Heidelberg
ZUM NACHDENKEN
Solarkonstante
or mir liegt die Ausgabe vom
V
Aufgabe 3: a) Im Perihel der Erdbahn be-
21./22. April 2001 der Rhein-Ne-
trägt die Sonnendistanz rP  147,1 Mil-
ckar-Zeitung. Auf Seite 5 hat dort die
lionen km. Auf welchen Wert SP erhöht
Heidelberger Tageszeitung eine große
sich Leistungsdichte im Perihel? Man
Reportage über Dietrich Labs und sein
drücke das Ergebnis auch als prozentua-
Lebenswerk abgedruckt: »Messung
le Erhöhung in Bezug auf die Solarkons-
Dietrich Labs (1921–2008) forschte an der
der Sonnenstrahlung als Lebensauf-
tante aus. b) Wie verhält es sich mit der
Landessternwarte Heidelberg und lehrte
gabe«. Fünf Wochen zuvor war der
Leistungsdichte SA im Aphel der Erd-
an der dortigen Universität. Ein letzter
sympathische Professor achtzig Jahre
bahn? Die Sonnendistanz ist dort rA 
Meilenstein in seinem Lebenswerk war die
alt geworden. Viele Studenten kennen
152,1 Millionen km.
Inbetriebnahme von SOLSPEC auf der Inter-
ihn vom astronomischen Praktikum
nationalen Raumstation im Februar 2008.
an der Landessternwarte auf dem Kö-
Aufgabe 4: Ein Braunkohlebrikett hat
Er starb kurz darauf am 16. März.
nigstuhl, das er lange Jahre betreut
den Heizwert HB  6,0 kWh/kg. Die Mas-
hat. Sein Hauptforschunggebiet, die
se mB eines solchen Briketts beträgt ein
präzise Messung der Solarkonstanten,
Kilogramm. Man berechne die Leistungs-
den interplanetaren Staubteilchen ent-
gab Anregung zu den folgenden Auf-
dichte LB eines Briketts pro Tag und Qua-
steht.
gaben.
dratmeter und vergleiche mit der Aussa-
Hauptziel blieb die präzise Messung
ge im Kasten auf Seite 30.
der direkten Sonnenstrahlung aus dem
Aufgabe 1: Die Solarkonstante S be-
Weltraum. Das sollte über einen längeren
schreibt die über das Jahr gemittelte
Aufgabe 5: Im Leerlauf benötigt ein Au-
Zeitraum geschehen, um möglichen Ände-
Leistungsdichte der auf die Erde ober-
to etwa einen Liter Sprit pro Stunde.
rungen der Solarkonstanten auf die Spur
halb der Atmosphäre einfallenden Son-
Der Heizwert von Benzin liegt bei HS 
zu kommen. Labs entwickelte deshalb
nenstrahlung. Ihr Wert ist:
45 MJ/kg, seine Dichte liegt bei rS  0,8
zusammen mit G. Thuillier (Paris) und P. C.
Simon (Brüssel) das Sonnenspektrometer
kg/Liter. Man vergleiche die in einem Li-
S  1367 W/m2.
ter Benzin steckende Verbrennungsener-
SOLSPEC für den Wellenlängenbereich von
Man berechne mit Hilfe der Solarkon-
gie mit der an einem guten Tag mit zwölf
180 bis 3200 nm, das erstmals im Dezem-
stanten die Leuchtkraft der Sonne L.
Stunden Sonnenscheindauer bei einem
ber 1983 zusammen mit dem europäischen
Die mittlere Distanz Erde–Sonne rAE
Wirkungsgrad von dreißig Prozent auf-
Weltraumlabor Spacelab 1 ins All startete.
wird als Astronomische Einheit (AE)
gesammelten Energiemenge einer ei-
Der Heidelberger Beitrag umfasste dabei
bezeichnet: rAE  1 AE  149,6 Millio-
nen Quadratmeter großen Solarzellen-
die Schwarzkörper-Eichung des Instru-
nen km.
paneele.
Axel M. Quetz
ments im Labor und die präzise Eichung
der in SOLSPEC mitfliegenden Vergleichs-
Aufgabe 2: Verblüffenderweise ge-
lichtquellen am Kennedy Space Center vor
horcht die Energieabstrahlung der Son-
dem Start und nach der Landung.
ne und der Sterne überhaupt derje-
Ziel: Raumstation
nigen eines sogenannten Schwarzen
Körpers. Das Stefan-Boltzmannsche
In den Jahren 1992 bis 1994 folgten drei
Gesetz beschreibt für solche Körper
weitere Einsätze auf Raumfähren-Missi-
den Zusammenhang zwischen ihrer
onen der NASA. Diese Flüge waren jedoch
Leuchtkraft und ihrer Oberflächentem-
auf eine Dauer von ein bis zwei Wochen
peratur:
beschränkt. Erst mit der freifliegenden
Weltraumplattform Eureca der ESA, die
LÖSUNGEN
Ihre Lösungen senden Sie bitte
L  s T4 F.
bis zum 15. Juni an:
10 –8
m–2
K–4
Redaktion SuW – Zum Nachdenken,
zwischen August 1992 und Juli 1993 in
Dabei ist s  5,67 
der Erdumlaufbahn verblieb, konnten
die Stefan-Boltzmannsche Strahlungs-
Max-Planck-Institut für Astronomie,
Messungen über einen längeren zusam-
konstante und F die Oberfläche
Königstuhl 17, D-69117 Heidelberg.
menhängenden Zeitraum durchgeführt
der Sonne. Ihr Radius beträgt: R 
Fax: (+49|0) 62 21–52 82 46.
werden. Weiterreichende Pläne sahen den
696 000 km. Man leite aus der in Auf-
Einmal im Jahr werden unter den erfolg-
Einsatz von SOLSPEC auf der Internationa-
gabe 1 bestimmten Sonnenleuchtkraft
reichen Lösern Preise verlost: siehe Sei-
len Raumstation (ISS) für mindestens 18
ihre Oberflächentemperatur her.
te 125.
W
Monate vor. Infolge von Verzögerungen im
www.astronomie-heute.de
Juni 2008
33
NASA/ESA
Seit Februar 2008 befindet sich das rund einen Meter große Sonnenspek­
Dietrich Lemke wirkte von
trometer SOLSPEC an Bord der Internationalen Raumstation ISS. Gemeinsam
1965 bis 1967 als Doktorand
mit einem zweiten Instrument ist es außen an dem europäischen Weltraum-
in der von Dietrich Labs
labor Columbus angebracht.
geleiteten Arbeitsgruppe an
der Nutzung der Synchrotronstrahlung als primärer
Spaceshuttle-Programm der NASA ließ die
ringe Variationen der Solarkonstanten von
Standard mit. Anschließend war er am Max-
Umsetzung jedoch länger auf sich warten.
ungefähr 0,2 Prozent, aber Schwankungen
Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg
SOLSPEC konnte deshalb erst im Februar
von mehreren Prozent im Ultravioletten.
über viele Jahrzehnte für Weltraumprojekte
2008 zusammen mit dem europäischen
Letzteres trägt zwar nur mit etwa einem
des Instituts verantwortlich.
Columbus-Modul zur ISS gebracht werden
Prozent zur Gesamtstrahlung der Sonne
(Grafik oben).
bei, zeigt jedoch eine starke Wechselwir-
Holger Mandel ist seit
Die Kalibrierung des Spektrometers
kung mit der Stratosphäre unserer Erde.
Anfang der 1980er Jahre
erfolgte diesmal unter Verwendung eines
Bei stärkerer UV-Strahlung steigt die Ozon-
in die Arbeitsgruppe von
neuartigen Hochtemperatur-Schwarzkör-
konzentration um mehrere Prozent und in
Labs und die anstehenden
pers aus Pyrokohlenstoff (T ~ 3200 Kelvin)
der Folge die Temperatur der Stratosphäre.
Kalibrierungskampagnen
der
Bundes-
Das kann zu kleineren Rückkopplungs-
des SOLSPEC-Experiments
anstalt Braunschweig und der Synchro-
effekten in die unteren Atmosphären­
eingebunden. Seit seiner Promotion ist er an
tron-Strahlungsquelle BESSY II in Berlin.
schichten führen. Erstaunlicherweise hat
der Landessternwarte Heidelberg an der Ent-
Anders als bei den bisherigen Einsätzen
sich die Stratosphärentemperatur seit
wicklung von Instrumenten – unter anderem
im Weltraum ist es aus Kostengründen
Beginn der Satellitenmessungen aber ge-
für das Large Binocular Telescope – beteiligt.
diesmal nicht möglich, das Experiment
ringfügig verringert. Da die Gesamtstrah-
nach erfolgter Mission wieder auf die Erde
lung der Sonne jedoch gleich geblieben ist,
Uwe Reichert entwickelte
zurückzubringen und zu rekalibrieren. Es
können wir für den irdischen Temperatu-
Anfang der 1980er Jahre
wird eines Tages mit der ausgedienten ISS
ranstieg der letzten Jahrzehnte jedenfalls
als Diplomand in der Ar-
bei einem gesteuerten »Absturz« in der
nicht die Sonne verantwortlich machen.
beitsgruppe von Labs einen
Physikalisch-Technischen
Erdatmosphäre verglühen.
Ob diese wichtige Aussage auch für die
Graphit-Hohlraumstrahler
zur Kalibrierung des SOL-
Die inzwischen auch durch mehrere
Zeit der ansteigenden Sonnenaktivität im
Satellitenmessungen über drei Jahrzehnte
neuen Sonnenfleckenzyklus gilt, wird uns
SPEC-Experiments. Seit Anfang 2008 ist er
gesammelten Daten zeigen erstaunlich ge-
das neue SOLSPEC-Experiment lehren.
Chefredakteur von »Sterne und Weltraum«.
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Sterne und Weltraum
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