PDF Download: Einleitung: Die Sonne

Einleitung
Die kurze Frage
„Welche Auswirkungen hat die Sonnenstrahlung auf uns?“
zu beantworten, ist nahezu unmöglich. Wir müssen uns zuerst damit
befassen, welche Arten von Strahlung von der Sonne ausgesendet
werden, und welche davon uns auf der Erde erreichen.
Andererseits müssen wir die Auswirkungen der Strahlung in direkte
und indirekte Auswirkungen trennen.
Die direkten Auswirkungen sind diejenigen, die unseren Körper direkt
beeinflussen. Die wohlige Wärme, die wir empfinden, wenn wir am
Strand in der Sonne liegen, oder der Sonnenbrand danach sind zwei
Ergebnisse, die wir zu erwarten haben. Es gibt aber noch viele weitere direkte Auswirkungen, die wir nicht so augenscheinlich erfahren.
Es sind heilende, aber auch Krankheit erregende Wirkungen.
Sichtbares Licht und ein gewisses Maß an UV-Strahlung sind für die
Gesundheit des Menschen unerlässlich. Hierzu zählt die Aktivierung
der D-Provitamine in der Haut. Ein Mangel an Vitamin D führt zu Rachitis. Auch für die Haut ist UV-Strahlung notwendig. Die UVStrahlung kann zur Heilung von Hautkrankheiten wie z. B. Schuppenflechte und Akne angewandt werden.
Der menschliche Körper reagiert sehr differenziert, wenn die Bestrahlung gewisse Grenzen überschreitet. Der Sonnenbrand ist dabei wohl
für jeden die bekannteste negative Erscheinung. Dass auch Hautkrebs
durch UV-Strahlung entsteht, ist heute wohl hinreichend bekannt.
Die indirekten Auswirkungen sind in ihrer Zahl so groß, dass man
sich vorab klarmachen muss, dass unser Leben auf diesem Planeten
ohne Sonnenstrahlung nicht möglich ist. Die Sonnenstrahlung beeinflusst in ähnlicher Form, wie sie den menschlichen Körper beeinflusst, auch Tiere und Pflanzen, sowie unseren Erdboden. Da uns
Tiere und Pflanzen als Nahrung dienen, bekommen wir die Auswirkungen dann indirekt ebenfalls zu spüren.
Menschen, Tiere und Pflanzen erleben nicht nur direkte Auswirkun-
gen der Strahlung. Die Strahlung beeinflusst unser Wetter in einem
ganz beträchtlichen Ausmaß. Unter Wetter wird hierbei aber nur der
kurzzeitige aktuelle physikalische Zustand unserer Atmosphäre verstanden. Das Wetter mit seinen sehr komplexen und sich gegenseitig
beeinflussenden Ereignissen und Geschehen kann aber nicht nur
kurzzeitig betrachtet werden, es bestimmt über einen mittelfristigen
Zeitraum die Witterung und damit auch, in längeren Zeiträumen betrachtet, das örtliche Klima, aber auch das gesamte Klima der Erde.
Die Sonne strahlt Energie in solch einem Umfang aus, den wir als
Menschen kaum in seinen wirklichen Dimensionen begreifen können.
Die ungeheuren Kräfte, die in den durch Sonnenstrahlung bewirkten
Luft- und Wasserbewegungen entstehen, werden uns von Zeit zu Zeit
durch Wirbelstürme oder Überschwemmungen deutlich.
Wetteraufzeichnungen und Wettervorhersagen gehören heute zu den
Dingen unserer Zivilisation, die nicht wegzudenken sind. Unsere heutige Zivilisation und der technische Fortschritt, wie der Straßen-, Seeoder Luftverkehr wäre ohne die Messung der Wetterdaten nicht aufrecht zu erhalten. Aber auch der persönliche Schutz vor Glatteis oder
Lawinen ist ohne die Messung der Sonnenstrahlung kaum möglich.
Da vor all diesen Messungen andere detaillierte Aufgabenstellungen
stehen, ist es notwendig, auch für diese Aufgabenstellungen entsprechend konzipierte Sensoren zu entwickeln. Die Technik bietet verschiedenartige Verfahren zur Erfassung der geforderten Messgrößen.
Diese Arbeit soll einen kurzen Überblick über die derzeit auf dem
Markt verfügbaren Sensoren und ihre vorrangige Anwendung geben.
Die Sonne
Die Sonne bildet das Gravitationszentrum unseres Sonnensystems.
Sie ist der Energielieferant für unsere Erde. Die von der Sonne abgestrahlte Energie ermöglicht, direkt oder indirekt, erst alle Lebensvorgänge auf der Erde. Die Sonne besteht aus Wasserstoff (71%) und
Helium (27%) sowie 2% schwerer Elemente. Nahe dem Sonnenzentrum herrscht eine Temperatur von ungefähr 16 Millionen Kelvin. Der
nukleare Vorgang im Sonnenkern erstreckt sich auf einen Bereich,
der rund ein Viertel des Sonnendurchmessers (etwa 348.000 km)
ausmacht; der Gesamtdurchmesser der Sonne beträgt 1.392.000 km.
Die Masse der Sonne entspricht 332.000 Erdmassen.
Die Sonne strahlt mit einer Leistung von 3,72 x 1020 MW, dies entspricht einer Strahlungsleistung von 63 MW/m² an der Sonnenoberfläche. Trifft diese Strahlung bei einem mittleren Abstand Erde-Sonne
auf eine senkrecht zu den Sonnenstrahlen orientierte Fläche von 1m²
Größe, ergibt dies im langjährigen Mittel eine Leistung von 1,367
kW/m². Man bezeichnet dies als Solarkonstante. Die von der Sonne
abgestrahlte Energie ändert sich nicht um mehr als 0,1% unabhängig
davon, ob sich die Sonne in einer aktiven oder ruhigen Phase befindet. Die Sonne verzeichnet Zyklen der Aktivität und der Ruhe von
jeweils 11 Jahren.
Die oberste, mit etwa 400 km relativ dünne Schicht, ist die Photosphäre. In dieser Schicht herrscht eine Temperatur von ca. 5770 Kelvin. Diese Temperatur verursacht die weiße, für das menschliche
Auge sichtbare Strahlung.
Die Erde ist im Durchschnitt ungefähr 150 Millionen Kilometer von
der Sonne entfernt. Jeweils Anfang Januar erreicht die Erde ihren der
Sonne nächsten Punkt mit etwa 147 Millionen Kilometer. Nach 6 Monaten, jeweils am 4. Juli erreicht sie ihren der Sonne fernsten Punkt
mit etwa 152 Millionen Kilometer. Die Strahlung und damit das Licht
benötigt etwa 8,3 Minuten, um von der Sonne zur Erde zu gelangen.
Die direkte Sonnenstrahlung ist durch diese Entfernungsunterschiede
jeweils Anfang Januar etwa 7% intensiver als am 4. Juli.
Die Temperaturunterschiede auf der Erde während der verschiedenen Jahreszeiten werden aber nur zu einem kleinen Teil durch diese
Veränderung der von der Erde empfangenen Sonnenstrahlung auf
Grund dieses Entfernungsunterschiedes beeinflusst.
Umlaufbahn der Erde um die Sonne
Seit etwa 4,5 Milliarden Jahren befindet sich die Sonne in diesem
Stadium ihrer Entwicklung. In der Sonne ist noch genug Energie
(Wasserstoff) vorhanden, um den gegenwärtigen Zustand für weitere
4,5 Milliarden Jahre aufrecht zu erhalten.
Die Atmosphäre
Einen Wesentlichen Einfluss auf die Intensität der Sonnenstrahlung,
die auf die Erdoberfläche auftrifft, hat die Atmosphäre unserer Erde.
Die Höhe der Atmosphäre erreicht etwa 70 bis 80 km. Wesentliche
Bestandteile unserer Atmosphäre sind die Gase Stickstoff (~78%)
und Sauerstoff (~21%). Desweiteren sind etwa ein Dutzend weitere
Gase, sowie Wasserdampf zu den Hauptbestandteilen der Atmosphäre zu zählen. Ihr Volumen beträgt allerdings nur 1% - der verbleibende Anteil.
Da sich die verschiedenen Schichten der Atmosphäre sehr unterschiedlich verhalten, nimmt man hier eine Unterteilung mit speziellen Namen
vor.
Die Atmosphäre
Die unterste Schicht wird als Troposphäre bezeichnet. Die Troposphäre reicht bis zur Tropopause und hat eine Höhe von >10 km. Es
ist die wolkenreichste Schicht. Die Tropopause ist die Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre. Sie liegt zwischen 8 und 10 km
Höhe in den Polarregionen und etwa 18 km Höhe in der Nähe des
äquatorialen Gürtels. Die Temperatur innerhalb der Tropopause liegt
unter -50°C.
Die Stratosphäre ist wegen der geringen Luftfeuchte nahezu wolkenlos. Oberhalb der Stratosphäre erstreckt sich die Mesosphäre ab etwa 50 km über der Erdoberfläche. Darüber folgt die Ionosphäre, welche auch vielfach als Thermosphäre bezeichnet wird. Ihre Ausdehnung reicht bis in eine Höhe von etwa 640 km. Jenseits der Ionosphäre erstreckt sich die Exosphäre. Sie stellt die äußere Grenze der
Atmosphäre dar und reicht bis etwa 9.600 km. Etwa die Hälfte der
Masse unserer Atmosphäre befindet sich jedoch in den unte-ren 5
bis 6 km. Beim Durchqueren der Atmosphäre wird die extraterrestrische Sonnenstrahlung durch Extinktion in Folge von Streuung
und Absorption an Luftmolekülen, Aerosolpartikeln, Wolkentropfen
und Wolkenkristallen abgeschwächt.
Die Streuung der Sonnenstrahlung erfolgt im gesamten spektralen
Bereich. Man unterscheidet hierbei verschiedene Arten:
1)
Streuung an Wolkentropfen und / oder Wolkenkristallen
(relativ gleichmäßig im gesamten Spektralbereich)
2)
Streuung an Molekülen (Rayleigh-Streuung),
(größere Streuung bei kürzeren Wellenlängen)
3)
Streuung an Aerosolpartikeln (Mie-Streuung),
(je nach Partikelverteilung; größere Streuung bei kürzeren Wellenlängen)
Gasmoleküle rufen dabei eine relativ hohe Absorption der Solarstrahlung hervor.
Das typische Spektrum der Sonnenstrahlung auf Meeresniveau bei
Normatmosphäre nach DIN ISO 2533 ist im folgenden Bild dargestellt.
Solarstrahlung auf Meeresniveau
Luftdruck- und Temperaturschwankungen in der Atmosphäre beeinflussen die Absorption und somit den Transmissionsgrad ebenfalls.
Die Erde
Wieviel und welche Arten von Strahlung auf der Erdoberfläche auftreffen, hängt natürlich von den unterschiedlichsten Eigenschaften
der Atmosphäre ab. Andererseits ist aber die Größe unserer Erde
und ihre Position im Raum ein wichtiger Faktor. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Beschaffenheit der Erdoberfläche, denn von ihr
hängt es ab, wieviel der Strahlung absorbiert oder reflektiert wird.
Die Erde hat am Äquator etwa einen Durchmesser von 12.756 km.
Dies bedeutet einen Erdumfang von 40.076 km. Die Erdoberfläche
wird dabei zu 70,8% von Wasser bedeckt.
Die Sonne liefert der Erde über 99,98% aller Energie. Dies führt zu
einer mittleren Temperatur auf der Erdoberfläche von 14°C. Zeitlich
und örtlich treten dabei extrem unterschiedliche Temperaturen auf.
Die höchste witterungsbedingte Temperatur betrug 57,3°C in Libyen;
die niedrigste gemessene Temperatur betrug -89,2°C in der Antarktis.
Einfallswinkel der Solarstrahlung
Da die Erde um die Sonne kreist, und sich außerdem um die eigene
Achse dreht, ändert sich der Einfallswinkel der Solarstrahlung dauernd. Das Verhältnis zwischen Intensität der Strahlung und dem Einfallswinkel auf der Erdoberfläche kann als eine Cosinusfunkti-on
beschrieben werden. Man bezeichnet diese Funktion auch als das
Lambert’sche Gesetz. Ein weiterer Einfluss wird durch die Inklination
der Erdachse hervorgerufen. Der entscheidende Faktor ist dabei
die tageszeitliche Änderung des Einfallswinkels der Strahlung.
Inklination der Erde
Die Erde ist aber auch keine plane Scheibe. Durch ihre annähernd
kugelförmige Gestalt - mit ihrer Gravitationskraft - bindet sie die Atmosphäre ebenfalls ringförmig. Durch das Verhältnis zwischen Erddurchmesser (Oberflächenkrümmung) und Höhe der Erdatmosphäre
wird die Intensität der Strahlung, die auf der Erdoberfläche auftrifft,
zusätzlich beeinflusst.
Wenn die Sonne direkt senkrecht steht, und somit der Einfallswinkel
zur Erdoberfläche 90° beträgt, ist die höchste Intensität der Solarstrahlung zu verzeichnen. Je niedriger die Sonne am Himmel steht,
desto mehr Strahlung wird durch die Atmosphäre gestreut und desto
weniger Strahlung erreicht die Oberfläche. Außerdem hat die Strahlung einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurückzulegen und
erfährt so eine größere Dämpfung. Knapp über dem Horizont beträgt
diese Strecke etwa das 5-fache der direkten Strecke. Man spricht
in diesem Fall von der atmosphärischen Tiefe. Die Wirkung der
atmosphärischen Tiefe wird außerdem durch die Beschaffenheit der
Atmosphäre beeinflusst.
Atmosphärische Tiefe
Die Strahlung wird zusätzlich durch die Eigenschaften der Erdoberfläche beeinflusst. Leicht zu verstehen ist, dass eine mit Schnee bedeckte Oberfläche mehr Energie reflektiert als z. B. eine mit schwarzem
Schiefer bedeckte Oberfläche. Den Teil der Strahlung, der hier reflektiert wird, bezeichnet man als Albedo.