Bedingungen des Strahlungs- und Wärmehaushalts der Erde 1. Die Sonneneinstrahlung In der mittleren Entfernung von 150 Millionen Kilometer erreichen von der abgestrahlten Sonnenenergie noch 1370 W/m² die Erde. Diese Größe nennt man die Solarkonstante [I0], obwohl sie sich durch unterschiedliche Sonnenaktivitäten (Flecken, Eruptionen) leicht um 2-3% verändert. Die Energie, die von der Sonne abgestrahlt wird, berechnet sich zu: P = σ ε A T4 (σ die StefanBoltzmann-Konstante, σ = 5,67 · 10-8 W/m2 · K4, ε gibt das Emissionsvermögen an (1 für einen Schwarzen Körper, 0 für einen perfekten Spiegel, A die Oberfläche (4 π R2), und T die Temperatur). Die Energie, die pro Flächeneinheit auf den Planeten eintrifft, sinkt umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zur Sonne; dabei ist der Wirkungsquerschnitt des Planeten durch seinen Radius R gegeben: π R2. Der Planet strahlt über seiner gesamten Oberfläche ab: 4 π R2. Die Stärke der Sonneneinstrahlung ist eine Funktion der Distanz [r]Sonne-Erde. Je weiter sich die Strahlen entfernen, eine umso größere Fläche teilen sich die Strahlen einer Flächeneinheit. Die Strahlung nimmt mit dem Quadrat des Abstandes ab. I=I0/r² Da die Erde sich auf einer leicht elliptischen Bahn um die Sonne bewegt, hat sie im Perihel eine kleinere Distanz zur Sonne als im Aphel. Dies verändert die Intensität der Sonneneinstrahlung im Laufe des Jahres um 8% (derzeit im Winter +4% und im Sommer –4%; dieses Präzisieren der Ellipse dauert 26.000 Jahre (also ist in ca. 13000 Jahren die Erde im Sommer näher an der Sonne). Die mittlere Solarkonstante gilt bei senkrechtem Einfall der Sonnenstrahlen (Zenit) an der Obergrenze der Atmosphäre. Steht die Erdoberfläche schräg zur Sonne, verteilt sich die Sonneneinstrahlung auf eine größere Fläche. Dies hat zur Folge, dass die Strahlungsintensität geringer wird. 1.00 Lambert´sches Gesetz 1.3 2 43.0 0° 1.00 (I=I0 x cos = I = Io+sinß) Abb.: Das cos-Gesetz beschreibt, dass die Strahlungsdichte vom Kosinus des Sonnenstandes abhängig ist (aus BRIGGS,1994) 2. Die Drehung der Erde um ihre Achse Die Erde dreht sich in etwa 24 Stunden einmal um ihre eigene Achse. Damit durchläuft jeder Punkt auf der Erdoberfläche täglich einen Zyklus sich verändernder Strahlungsintensität. Die relative Stellung der Sonne kann durch zwei Winkel beschrieben werden: der Zenitwinkel: Höhe über dem Horizont der Azimutwinkel: Abweichung von der Südrichtung 3. Ausrichtung der Erdachse und Drehung der Erde um die Sonne Die Erde bewegt sich in etwa 365 Tagen auf einer Ellipsenbahn einmal um die Sonne. Die Drehachse der Erde ist zur Zeit um 23,5 ° gegen die Ebene geneigt, die durch die Bahn um die Sonne gebildet wird. http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Klimatologie/Nebenseiten/KG2-6.htm Daraus folgt, dass zu unterschiedlichen Stadien des Umlaufs unterschiedliche Teile der Erde beleuchtet werden. Dies führt zu den Jahreszeiten. Im (Nord-)Sommer ist der Nordpol der Sonne zugeneigt, also beleuchtet, im Winter ist der Nordpol der Sonne abgeneigt, also dunkel. Zu den Äquinoktien (Tage- und Nachtgleiche) ist der Nordpol nach links bzw. rechts von der Sonne geneigt. Planet Abstand zur Sonne Merkur 58 · 106 km Venus 108 · 106 km Erde 150 · 106 km Mars 228 · 106 km Jupiter 778 · 106 km Albedo 0.06 0.78 0.30 0.17 0.45 4. Die Rolle der Atmosphäre Die Atmosphäre - die Lufthülle der Erde - ist der Ort, in dem sich Klima und Wetter abspielen, davon 99% in den untersten 100 km (= Homosphäre). Sie sorgt für den Temperaturausgleich zwischen Äquator und Polen, d.h. ohne sie wäre es unerträglich heiß bzw. kalt. Sie schützt uns außerdem vor dem Einfall kosmischer Strahlung und Teilchen. Ohne sie gäbe es ein Vakuum auf der Erde - wir Menschen würden uns ungehindert ausdehnen und "platzen". Zusammensetzung der Atmosphären von Venus Mond Erde Mars N2: 78% CO2: 95.32% CO2: 96% O2: 21% N2: 2.7% N2: ca. 3 % Spuren von: Argon (Ar): Spuren von: SO2, H2O, keine Argon, Neon, 1.6% CO, Argon, Helium, CO2 (0,034%) Spuren von: O2, Neon, H2 und HF feuchte Luft: H2O max. H2O und Ne 4% Druck: 92 Bar - Temperaturen: + 486°C Temperaturen: -233°C - + 123°C Druck: 1 Bar (1013 mb) Temperaturen: -89°C - +59°C Druck: 9 Millibar Temperaturen: -140°C - +20°C Luftzusammensetzung in der Troposphäre: 78,08% 20,95% 0,93% 0,03% .. Stickstoff Sauerstoff Argon Kohlenstoffdioxid Wasserdampf, Edelgase und Ozon Die Erdatmosphäre tritt in vielfältige Wechselwirkungen mit der Sonneneinstrahlung ein. Besonders folgende Prozesse verändern die Intensität der Sonnenstrahlung auf der Oberfläche: Absorption von Licht an Luftmolekülen und Aerosolen Streuung an Molekülen Streuung an Aerosolen Absorption von Licht an Luftmolekülen Beim Durchgang durch die Atmosphäre können die Lichtwellen von den Molekülen der Gase, die die Atmosphäre bilden, absorbiert werden. Die Gasmoleküle nehmen dabei die Energie der Lichtwellen auf und wandeln sie im Wesentlichen in Wärme um. Unterschiedliche Gase absorbieren unterschiedliche Wellenlängen. Die untere Abbildung zeigt das Absorptionsverhalten unterschiedlicher Gase in der Atmosphäre. Abb.: Absorptionsverhalten unterschiedlicher Gase in der Atmosphäre (1 = alles Sonnenlicht entsprechender Wellenlänge wird beim Durchgang absorbiert, 0 = das jeweilige Gas ist bei der betrachteten Wellenlänge vollkommen transparent), (aus BRIGGS, 1994) Wellenlängen: Ultraviolett (0,27 bis 0,4 m), sichtbares Licht (0,4 bis 0,78 m), nahes oder photographisches Infrarot (0,7 bis 0,9 m), reflektiertes oder mittleres Infrarot (0,7 bis 3 thermales Infrarot (3,5 bis 5 und 8 bis 14 m ) und Mikrowellen (0,3 bis 10 cm) m), Die Absorption gilt auch für die von der Erdoberfläche ausgesandte längerwellige oder infrarote elektromagnetische Strahlung. Auch für die Strahlung im Thermal-Infrarot ist die Atmosphäre in gewissen Wellenlängenbereichen transparent (diatherman) oder durchsichtig. Für Geländeaufnahmen oder die Objekterkundung von Flugzeugen oder Satelliten aus nutzt man das Fenster 3,5 bis 5 m, aber insbesondere das Fenster 8 bis 14 m. Insbesondere das letzte Fenster bezeichnete die Enquete-Kommission des Deutschen Bundestages als stets "offenes atmosphärische Strahlungsfenster", das Oberflächentemperaturen von etwa -20 bis +50°C entspreche. Hier ist die Ursache für den starken nächtlichen Temperaturabfall bei Strahlungsnächten in Bodennähe zu suchen. Hier liegt auch die Begründung dafür, daß es keinen "natürlichen Treibhauseffekt" von +33°C geben kann und auch keinen zusätzlichen "anthropogenen Treibhauseffekt". Wenn das Kohlendioxid in dem 8 bis 14 μm - Fenster keine nennenswerten Absorptionslinien hat, dann kann es dieses unmöglich schließen.1 1 http://krahmer.freepage.de/klima/thuene/thuene1.html und http://krahmer.freepage.de/klimakt.html Streuung an Molekülen Lichtstrahlen bewegen sich ohne äußere Einwirkungen auf einer geraden Bahn. Durch Auftreffen auf ein Gasmolekül der Atmosphäre können sie von dieser geraden Ausbreitung abgebracht werden. Streuung an Molekülen, die etwa so groß sind, wie die Wellenlänge des eintreffenden Lichts nennt man Rayleigh – Streuung z.B.: sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von 400 bis 1000 nm, Moleküle haben 4 nm, Faktor 0.01 => Rayleigh-Streuung von sichtbarem Licht an Molekülen tritt auf Mikrowellen haben eine Wellenlänge von ca. 20 cm, Blätter haben auch Größen im Zentimeterbereich, also Faktor 0.05 => Rayleigh-Streuung von Mikrowellen an Blättern tritt auf Experimente zeigen: Licht wird in alle Richtungen gestreut (sogar dorthin, wo es hergekommen ist). Licht wird umso stärker gestreut, je kleiner die Wellenlänge ist (je größer die Frequenz ist). Blaues Licht wird also stärker gestreut als rotes Licht. Deshalb wird der Himmel wegen der höheren Streuung gegen Abend rötlich. Die Intensität des gestreuten Lichtes steigt mit kleinerer Wellenlänge mit der vierten Potenz an. Die Winkelverteilung der Intensität des gestreuten Lichtes (Phasenfunktion) hat eine Hantelform. Streuung an Aerosolen Streuung von Licht an Partikeln, die viel größer sind, als die Wellenlänge des Lichtes nennt man Mie-Streuung. Bei Wassertröpfchen, Russpartikeln, Salzkristallen (alle haben eine Größe von 1 ... 50mm) ist dies für sichtbares Licht gegeben. Sie ist hauptsächlich nach vorne gerichtet. z.B.: Licht an Aerosolen (Wellenlänge Licht ca. 600nm, Aerosoldurchmesser ca. 0.1 ... 10µm) Mikrowellen an Flugzeugen (Wellenlänge Mikrowellen: ca. 10cm, Flugzeugdurchmesser; ca. 2m) Neben der Nettostrahlung gibt es eigentlich noch eine weitere Nettogröße in der globalen Energiebilanz des Systems Erde/Atmosphäre, die jedoch in der Regel als solche nicht explizit ausgewiesen wird: die Verdunstung. Selbstverständlich ist es zunächst einmal so, dass die am Boden zur Verdunstung aufgewandte Energie in der Atmosphäre, also in einigen Kilometern Höhe, durch Kondensation wieder freigesetzt wird. Aber die zur Erdoberfläche fallenden Niederschläge führen auch einen Energiestrom mit sich zurück. Die charakteristische Temperatursenkungsrate eines mit einer Atmosphäre ausgestatteten Planeten mit anwachsender Höhe über der Oberfläche kommt originär durch die Wirkung der Gravitation auf die Lufthülle zustande und wird auf Dauer aufrechterhalten, indem die von der Sonne beschienene Planetenoberfläche die unteren Luftschichten erwärmt, die Wärme nach oben transportiert wird und die Infrarot-strahlenden Gebilde die Wärme oben in das kalte Weltall abführen.