Energiehaushalt_der_Erde

Werbung
Energiehaushalt der Erde
Thomas Krutzler, Philipp Petti
Energiegewinne der Erde


99,98% Sonne
Restliche 0,02% durch
 Radioaktive Zerfälle
 Nutzung von fossilen und nuklearen
Energieträgern
 Gezeitenreibung
Strahlungsbilanz der Erde

System Erde

Gewinne = Globalstr. - Reflexionsstr.

Verluste = Abstrahlung

Gesamtbilanz = Gewinne – Verluste
Globalstr. – Reflexionsstr. – Abstrahlung
Sonne – Proton-Proton-Reaktion
Fusion von 2 H-Atomen
zu Deuterium
(Tunneleffekt)
Entstehung von
Helium unter Abgabe
eines γ-Quants
Fusion zu 4He unter
Abgabe von 2 H-Atomen
Schwarzkörper Strahler

vollständige Absorption elektromagn. Strahlung

Hohlraumstrahler



Thermisches Gleichgewicht  Abstrahlung =
Absorption
Theoretische Beschreibung durch Planck (1900)
Spektrale Leistungsdichte eines schwarzen
Körpers (Planck‘sches Strahlungsgesetz)
M  ( , T ) 
0
2hc ²
1
5
e hc /(k B T )  1
Temperatur der Sonne

Wien‘sches Verschiebungsgesetz
max 


2897 ,8 µmK
T
Wellenlänge Sonne:
λmax~500 nm
Strahlungstemperatur:
T~5800 K
Solarkonstante - Herleitung



Strahlungstemperatur der Sonne:
T~5800 K
Radius der Sonne: RS~696∙106 m
Strahlungsleistung der Sonne (Stefan-BoltzmannGesetz)
P    A  T 4  3,9  10 26W

Abstand Sonne-Erde: 147099∙106 m (MIN)
152100∙106 m (MAX)
Vergleich Primärenergieverbrauch –
Energie der Sonne

Primärenergieverbrauch: 532,4 ∙1018 J (2011)

Leistung: 16,9∙1012 W



Benötigte Fläche: 1,23∙1010 m²
~110 km x 110 km
Annahme: Wirkungsgrad der PV-Module 10%
Aufstellung in Äquator-Nähe
Tatsächlich benötigte Fläche:
~ 350 km x 350 km
Die Atmosphäre der Erde


Lufthülle der Erde, die von Gasen gebildet
Schutz gesundheitsschädlicher Strahlung,
z. B. vor der ultravioletten (UV) Strahlung
Streuung in der Atmosphäre

1) Streuung an Zentren, die klein sind verglichen mit der
Wellenlänge des Lichts :
Rayleigh-Streuung
Beispiel: Streuung sichtbaren Lichts an Luftmolekülen N2,
O2.

2) Streuung an Zentren, deren Radien nicht klein sind
verglichen mit der Wellenlänge des Lichts
Mie-Streuung
Beispiel: Streuung sichtbaren Lichts an Wolken- und
Nebeltröpfchen, Aerosolen
Himmelsblau




Himmelsblau durch Streuung des Sonnenlichts an den
Molekülen der Erdatmosphäre
Blaues Licht wird etwa 4.5-mal stärker gestreut als das
rote Licht
Die Sonne am Horizont ist rot, da das Licht einen längeren
Weg zurücklegt und mehr Blauanteile durch Reflektion
verliert
Je nach Winkel zur Sonne ist das Streulicht unterschiedlich
stark polarisiert
Grafik zur Sonnenstrahlung
Absorption des Lichtes an Gasen



Moleküle besitzen für elektromagnetische Wellen einen
Absorptionskoeffizienten
Der Absorptionskoeffizienten ist wellenlängenabhängig
Die absorbierten Lichtwellen erzeugen in den
Gasmolekülen:
Rotation,
Schwingung => Wärme
angeregte Zustände => Lichtwellen
Rotation eines zweiatomigen
Moleküls



Für niedrige Rotationsquantenzahlen (J)
(Molekül rotiert nicht so schnell, dass der
Kernabstand merklich steigt) kann man das Molekül
als starr betrachten
Bewegungsfreiheit des Molekülschwerpunktes in
jeder Koordinatenachsenrichtung = ein
Freiheitsgrad
Quantisierung des Drehimpulses:
 kb
Das zweiatomige Sauerstoffmolekül


Absorption eines
Lichtquants führt zu
Quantenzahl n = 1
E des Lichtquants muss
Differenz zwischen n=0
& n=1 entsprechen
Molekülschwingungen



In der Luft bei Normalbedingungen
eingefroren
Die Atomkerne eines Moleküls
geraten aus Gleichgewichtslage
Dies führt zu harmonischen
Schwingungen innerhalb des
Moleküls
Normalschwingungen



Kleine Auslenkung der Kerne
Alle Kerne des Moleküls gehen
gleichzeitig durch die Ruhelage
Lassen sich durch den durch den
harmonischen Oszillator nähern
Molekülschwingungen
Treibhausgase



Treibhausgase lassen kurzwellige
Strahlung weitgehend ungehindert
durch
Absorbieren einen Großteil der von
der Erde ausgestrahlten
Infrarotstrahlung
Dadurch erwärmen sie sich und
emittieren selbst Strahlung im
längerwelligen Bereich
Natürlicher Treibhauseffekt




Wasserdampf (H2O) mit 36 bis 66 %
Kohlendioxid (CO2) mit 9 bis 26 %
Methan mit 4 bis 9 %
Führt dazu, dass die
Durchschnittstemperatur der Erde
bei +14 °C liegt. Ohne natürlichen
Treibhauseffekt läge sie bei -18 °C
Anthropogener Treibhauseffekt



Kohlendioxid (CO 2 ):
Jähliche Emission: 25 Mrd. Tonnen
Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs):
1 Mio. Tonnen. 18.000 mal schädlicher als
CO 2.
Ozonloch: mehr vom UV-B-Anteil der
Sonnenstrahlung gelangt zum Erdboden
durch.
Die Entstehung von Wind

Ursache: Unterschied im Luftdruck zwischen
Luftmassen



Bewegung vom Hochdruck zum Tiefdruckgebiet, bis
zum Ausgleich
Wind ist einen Massenstrom
Nach dem zweiten Hauptsatz der
Thermodynamik wird eine
Gleichverteilung der Teilchen im Raum und
damit eine maximale Entropie anstrebt
Literatur

Energiegewinne der Erde:
http://de.wikipedia.org/wiki/Erde#Globaler_Energiehaushalt

Proton-Proton-Reaktion: http://de.wikipedia.org/wiki/Proton-ProtonReaktion

Schwarzkörper-Strahler:
http://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzer_K%C3%B6rper

Wien‘sches Verschiebungsgesetz:
http://de.wikipedia.org/wiki/Wiensches_Verschiebungsgesetz


Solarkonstante und Vergleich Primärenergieverbrauch:
http://www2.physik.uni-greifswald.de/~pompe/UP-VORLESUNG/upwaerme-strahlung.pdf
Strahlungsbilanz der Erde:
http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlungshaushalt_der_Erde
Literatur

http://www.physik.uniregensburg.de/forschung/wegscheider/gebhardt_files/skripten/Strahlungsb
ilanz.Wolf.pdf

http://de.wikipedia.org/wiki/Wind

http://www.m-forkel.de/klima/atmosphaere.html




http://www.geographie.unimuenchen.de/internetvorlesung/Einfuehrung/grundlagen_atmosphaere.ht
m#1.%20Rayleigh-Streuung
http://de.wikipedia.org/wiki/Rayleigh-Streuung
http://de.wikipedia.org/wiki/Himmel_%28planet%C3%A4r%29#Das_Him
melsblau
http://homepages.unipaderborn.de/wgs/Dlehre/Physik_des_Treibhauseffekts.ppt.pdf
Herunterladen
Explore flashcards