Klima1

Bedingungen
des Strahlungs- und Wärmehaushalts der Erde
1. Die Sonneneinstrahlung
In der mittleren Entfernung von 150 Millionen Kilometer erreichen von der
abgestrahlten Sonnenenergie noch 1366 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
Daraus folgt die wichtige Einflußgröße des
Abstandes eines Planeten von der Sonne:
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
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).
Immer wiederkehrende, aber unregelmäßige Veränderungen in der Erdumlaufbahn
können durchaus den Übergang zwischen Warm- und Kaltzeiten (Eiszeiten)
beschleunigen oder auslösen.
Schwankungen war in den letzten 250.000 Jahren unter anderem die Erdneigung
unterworfen, Werte zwischen 22° und 24,5° wurden gemessen (heute: 23,5°).
Die Bahnexzentrizität beschreibt wie stark die elliptische Umlaufbahn der Erde um die
Sonne von einer Kreisbahn abweicht. Auch hier gab es Schwankungen.
Nimmt man die Veränderung dieser Parameter zusammen, so zeigt es sich, dass
Veränderungen der Erdumlaufbahn mit dem Auftreten von Warm- und Kaltzeiten
zusammenhängen.
Wir leben heute in einer Warmzeit, die vor etwa 11.600 Jahren begann und etwa
15.000 bis 20.000 Jahre dauern sollte, wenn man die Längen der letzten vier
Warmzeiten statistisch bewertet. Neue physikalische Überlegungen, basierend auf
der astronomischen Theorie der Eiszeiten, zeigen allerdings, dass die heutige
Warmzeit durchaus auch 50.000 Jahre andauern könnte. Die nächste Eiszeit sollte
ihren Höhepunkt in 50.000 bis 60.000 Jahren haben, dann begänne wieder eine
langsame Erwärmung.
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.
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 auch 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 in Bodennähe, ohne menschliche Einflüsse:
Stickstoff (N2)
78,10%
Sauerstoff (O2)
20,90%
Argon (Ar)
0,9 %
Kohlendioxid (CO2)
0,035%
Neon (Ne)
18 ppm
Helium (He)
5 ppm
Methan (CH4)
2 ppm
Krypton (Kr)
1,1 ppm
Wasserstoff (H2)
0,5 ppm
Distickstoffoxid (N2O)
0,5 ppm
Xenon (Xe)
0,1 ppm
Ozon (O3)
0,03 ppm
Was ist Luftdruck?
Die Luftteilchen bewegen sich mit über 1500 km/h in der Atmosphäre und stoßen
aneinander und an allen Oberflächen an. Die etwa 10 Milliarden Milliarden Teilchen
pro Kubikzentimeter verursachen durch diese Zusammenstöße den Luftdruck.
Bei tiefen Temperaturen ist der Energieinhalt der Teilchen geringer, und somit auch
die Bewegung – daher weniger Kollisionen, weniger Temperatur; hohe Temperaturen
kommen durch höhrere Geschwindigkeiten zustande.
Der Luftdruck ist deshalb in Bodennähe am größten, weil die Schwerkraft auf alle
Teilchen wirkt: auf das oberste alleine, auf darunterliegende zusammen mit dem
Gewicht der darüberliegenden Teilchen.
Thermische Luftschicht
Höhe
Troposphäre
0
Mt.Everest
8848
Tropopause
10000
Stratosphäre
30000
Stratopause
50000
Anteil an Luftmenge
100%
67%
83%
99%
99,9%
Druck
1013 hPA
340 hPA
200 hPA
10 hPA
1 hPA
[hektoPascal=bar]
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),
Zur Wirkung der Treibhausgase gibt es auch kritische Stimmen:
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.
Lehrfilm Wolkenbewegung global: http://www.gerhards.net/astro/wolken_200705.html