Der Energiehaushalt der Erde

Der Energiehaushalt der Erde
Der Energiehaushalt der Erde ist die Bilanz von Energieaufnahme und Energieabgabe der Erde. Die
Energieaufnahme wird vor allem durch die Strahlung der Sonne bestimmt (99,98%). Die übrigen
0,02% verursachen die natürliche Radioaktivität, die Gezeitenreibung und den Einfluss des Menschen
durch die Nutzung von fossilen und atomaren Energiequellen. Die Energieabgabe erfolgt durch
elektromagnetische Strahlung.
Die Sonne ist also unsere wichtigste Energiequelle. In der Sonne
läuft der Prozess der Kernfusion ab. Bei dem leichte
Wasserstoffkerne
zu
einem
schwereren
Heliumkern
verschmolzen werden.
Jede Sekunde wandelt die Sonne im Kern bei einer Temperatur
von etwa 14,5 Millionen Kelvin ungefähr 5 Millionen Tonnen
Wasserstoff um. Die dabei entstehende Energie strömt zur
Oberfläche, oder auch Photosphäre genannt, welche circa 5800 Kelvin heiß ist. Von dort sendet die
Gaskugel die Energie in Form von elektromagnetischen Strahlen in alle Richtungen des Weltraums
aus. Die Wellenlängen liegen im Bereich des sichtbaren Lichts, der kurzwelligen UV-Strahlen und der
Infrarotstrahlung, also der Wärmestrahlung.
Die
Temperatur
der
Photosphäre
der
Sonne
Verschiebungsgesetzes berechnen. Es besagt, dass λ
kann
man
mit
∗T =b →T =
λ
Hilfe
des
Wien’schen
= 5800 K
wobei Wienʹ sche Verschiebungskonstante b = 2,9 ∗ 10 m ∗ K und λ
≈ 500nm
Die Frage lautet nun, wie viel Energie auf die Erdatmosphäre trifft?
Dazu kann man folgenden Versuch machen: Ein Aluminiumblock wird
auf der Oberseite mit Kerzenruß geschwärzt und an einem klaren Tag
der Sonne ausgesetzt. Mit einem Thermometer beobachtet man das
Ansteigen der Temperatur im Aluminium. Aus der spezifischen Wärme
des Aluminiums und der Masse des Blockes kann man leicht auf die
zugeführte Energie schließen. Je nach Sonnenstand und Luftreinheit
ergeben sich Werte von 400 bis 800 W/m2. Oberhalb der
Erdatmosphäre wurden sogar 1400 W/m2 gemessen. Dieser Wert ist als
Solarkonstante bekannt.
Die Solarkonstante aus dem Stefan-Boltzmann’schen Gesetz:
Das Gesetz von Stefan und Boltzmann lautet: Die
Strahlungsleistung P eines Schwarzen Strahlers mit der
Oberfläche A und der Temperatur T beträgt P = σ ∗ T A, wobei
Stefan-Boltzmann-Konstante σ = 5,67 ∗ 10 W/m K
Jeder Quadratmeter Sonnenoberfläche bei T = 5800 K strahlt mit
einer Leistung von
σ ∗ T = 5,67 ∗ 10
∗ (5800)W = 64,2 MW
Die Strahlungsleistung der Sonne beträgt: (Sonnenoberfläche A = 6,2 ∗ 10 m )
P = σ ∗ T A = 64,2 ∗ 10
W
∗ 6,2 ∗ 10 m ≈ 4 ∗ 10 W
m
Nun wird P durch die Oberfläche einer Kugel mit Radius Entfernung Erde - Sonne dividiert:
∗π∗
≈ 1407 W/m = Solarkonstante, wobei r = 1,5 ∗ 10 m
Multipliziert man die Solarkonstante mit dem Querschnitt der Erde, so erhält man die Energiemenge,
die pro Sekunde auf die Erde fällt: 1400 ∗ (6370 ∗ 10 ) ∗ π W ≈ 1,7 ∗ 10 W
Was geschieht mit der einfallenden Sonnenenergie?
In der Lufthülle der Erde kommt es
dann zu enormen Verlusten. An den
Wolken, an den Aerosolen und an der
Atmosphäre
wird
die
Sonnenstrahlung reflektiert und der
Großteil der Energie wird wieder in
das Weltall zurückgeworfen. Der
Bruchteil, der die Erdoberfläche
erreicht, wird an Eis-, Schnee- und
Wasserflächen reflektiert. Zwei Teile
der Sonnenstrahlung werden von der
Atmosphäre, sowie von den Landund
Wassermassen
der
Erde
aufgenommen. Sie dienen zur
Erwärmung von Erde, Luft und
Wasser.
Die Konvektion in der Luft sorgt für
den Temperaturausgleich zwischen verschiedenen Regionen der Erde. Im Bereich des Äquators
nimmt die Erde mehr Sonnenenergie auf, als sie abstrahlen kann. Andererseits strahlt die Erde in den
Polargebieten mehr Energie ab, als sie von der Sonne empfängt. Dadurch müsste die Temperatur in
den Tropen ständig ansteigen und in den Polargebieten abnehmen. Die großen Windsysteme der
Erde sorgen für einen gewissen Ausgleich.
Für die Verdunstung von Wasser ist relativ viel Energie notwendig, ohne dass sich die Temperatur
dabei erhöht. Die zugeführte Wärmeenergie verschwindet scheinbar. Luft, die Wasserdampf enthält,
besitzt aus diesem Grund auch immer eine große Energiemenge, die sich aber nicht in der
Temperatur auswirkt und deshalb latent also verborgen genannt wird. Der Strom latenter Wärme ist
somit eine Form des Transports von Wärmeenergie, der in der Atmosphäre durch die Konvektion von
Wasserdampf bewirkt wird. Diese Wärmeenergie wird bei der Kondensation wieder frei.
Die Erdoberfläche selbst strahlt ständig Energie ab. Eigentlich müsste deshalb diese dünne Schicht,
wo wir leben, immer kälter werden. Der natürliche Treibhauseffekt verhindert die Abkühlung.
Ähnlich wie die Glasscheibe eines Treibhauses lassen Luftschichten die kurzwellige Strahlung der
Sonne passieren, während sie einen großen Anteil der langwelligen Wärmeausstrahlung an die
Erdoberfläche zurückgeben. Die Rolle der Glasscheibe übernehmen dabei natürliche Treibhausgase,
vor allem Kohlendioxid, Wasserdampf und Ozon
Es hat sich also ein Gleichgewicht zwischen Ein- und Ausstrahlung entwickelt. Ein winziger Bruchteil
der Sonnenenergie wird aber über die Pflanzen dem Nahrungskreislauf zugeführt. Die von den
Pflanzen insgesamt in Hunderten Millionen Jahren durch Photosynthese gespeicherter Energie finden
wir heute in Form von Kohle, Öl und Erdgas auf der Erde vor. Wenn man diese Rohstoffe verbrennt,
werden sie wieder in Energie, Wärme umgewandelt und sie binden sich wieder in den
Energiekreislauf ein.
Literatur und Bildernachweis:
Göbel, Peter: Wetter und Klima. Köln: Naumann & Göbel 2007.
Göbel, Peter: Schnellkurs Wetter und Klima. Köln: Dumont 2004
Sexl, Roman U., Kühnelt, Helmuth, Stadler, Helga, Jakesch, Peter, Sattlberger, Eva: Physik 8. Wien:
öbvhpt 2007
Sexl, Roman U., Raab, Ivo, Streeruwitz, Ernst: Physik 2. Wien: öbvhpt 1999 (3. Auflage)
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonne [zuletzt geprüft am 22.01.2013]
http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlungshaushalt_der_Erde [zuletzt geprüft am 22.01.2013]
http://de.wikipedia.org/wiki/Erde#Globaler_Energiehaushalt [zuletzt geprüft am 22.01.2013]
https://www.univie.ac.at/physikwiki/index.php/LV013:LVUebersicht/WS09_10/Arbeitsbereiche/Energiehaushalt_der_Erde [zuletzt geprüft am 22.01.2013]