Wetter und Klima

Wärmelehre

Wetter und Klima

  • Wie entstehen eigentlich Wolken?
  • Was sind Hoch- und Tiefdruckgebiete?
  • Wie kommt es zu einem Gewitter?
  • Was ist der Treibhauseffekt?

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Als Mittelwert für die Energieeinstrahlung durch die Sonne gelten \(341\,\rm{\frac{W}{m^2}}\), also etwa ein Viertel der Solarkonstanten \(S_0\)
  • Insgesamt ist der Strahlungshaushalt immer in etwa ausgeglichen: Die eingestrahlte Energie entspricht in etwa der abgestrahlten Energie.
  • Beim Strahlungshaushalt der Erde müssen viele Variablen berücksichtigt werden, Darstellungen sind daher immer vereinfacht.

Energieeinstrahlung durch die Sonne

Die von der Sonne einfallende (größtenteils kurzwellige) Strahlung stellt den einzig nenneswerten Energieeintrag in das thermische System Erde dar. Die durchschnittlich empfangene Strahlungsenergie liegt dabei in etwa bei \(341\,\rm{\frac{W}{m^2}}\). Dieser Wert beträgt etwa ein Viertel der Solarkonstanten \(S_0=1367\,\rm{\frac{W}{m^2}}\). Das liegt daran, dass die Erde eine Kugel ist. So treffen die Sonnenstrahlen nicht überall senkrecht auf die Erdoberfläche und auf die jeweils gerade sonnenabgewandte Seite der Erde treffen gar keine Sonnenstrahlen.

Reflexion und Absorption der einfallenden Strahlung

Jedoch erreicht nur ein Teil der einfallenden Sonnenstrahlung auch den Erdboden. Bereits an der Atmosphäre, durch Wolken und durch hier befindliche kleinste Teilchen wird ein Teil der Strahlung zurück in den Weltraum reflektiert. Die genauen Anteile sind in der folgenden Grafik dargestellt. Ein weiterer Teil wird bspw. von in der Atmosphäre befindlichen Wasserteilchen absorbiert und errreicht so auch nicht den Erdboden.  

Auch der Erdboden reflektiert einen kleinen Teil der Sonnenstrahlung und nur knapp die Hälfte der insgesamt einfallenden Strahlung wird von der Oberfläche absorbiert.

1 Strahlungshaushalt der Erde

Energieabstrahlung durch die Erdeoberfläche

Doch die Erde empfängt nicht nur Strahlungsernergie aus dem Weltraum, sondern gibt auch selbst Energie durch Wärmestrahlung in den Weltraum ab. Dabei handelt es sich größtenteils um langwellige Strahlung, da die Erde (zum Glück) sehr viel kälter ist als die Sonne. Die vom Erdboden ausgehende Strahlung wird jedoch zunächst zum größten Teil in der Atmosphäre durch Wolken und Teilchen (Aerosole) wieder absorbiert. Nur ein kleiner Teil passiert die Atmosphäre durch das sog. atmosphärische Fenster und wird direkt in den Weltraum abgestrahlt. Als atmosphärisches Fenster wird dabei ein Wellenlängenbereich bei etwa \(\lambda=10\,\rm{\mu m}\) bezeichnet, in dem die Atmosphäre fast vollständig durchlässig ist.

Energieabstrahlung durch die Atmosphäre

Allerdings absorbiert die Atmosphäre nicht nur Strahlung, sondern strahlt auch selbst Energie ab und zwar sowohl in Richtung des Erdbodens als auch in Richtung des Weltraumes. Sie trägt so einen großen Teil zur gesamten Energieabstrahlung durch die Erde bei.

Insgesamt entspricht die von der Sonne eingestrahlte Energie in etwa der von der Erde abgestrahlten Energie. Wäre dies nicht so, so würde sich die Erde erwärmen oder abkühlen bis beide Größen wieder im Einklang zueinander stehen.

Ausgleich zwischen Erde und Atmosphäre

Zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre wird Energie jedoch nicht nur in Form von Strahlung ausgetauscht. Hier spielt auch Konvektion z.B, in Form von aufsteigender warmer Luft und die sog. Evapotranspiration eine Rolle. Die Evapotranspiration umfasst dabei z.B. die Energie, die notwendig ist, um Wasser auf der Erdoberfläche zu verdampfen und in Luftfeuchtigkeit zu überführen. Steigt diese aus und kondensiert in den Wolken wieder, so wird die entsprechende Energie wieder frei. Insgesamt ist auch der Energiehaushalt zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre in etwa ausgeglichen.

Abweichungen der Ausgeglichenheit

Durch verschiedene Einflüsse und Veränderungen in der Atmosphäre wie bspw. den Treibhauseffekt ist der Strahlungshaushalt der Erde jedoch nicht immer vollständig ausgeglichen. Viele komplexe Messungen und Berechnungen haben so z.B. ergeben, dass Erdoberfläche und Atmosphäre zwischen März 2000 und Mai 2004 in etwa \(0{,}9\,\rm{\frac{W}{m^2}}\) mehr Energie absorbiert als abgestrahlt haben.

Verständnisaufgabe
Strahlungshaushalt der Erde - Aufgabe

Nenne für die nummerierten Äste des folgenden Energieflussdiagramms jeweils ob an dieser Stelle der Energietransport durch Strahlung oder mittel Konvektion stattfindet. Falls es ein Strahlungsvorgang ist gibt zusätzlich an, ob hier Reflexions-, Absorptions- oder Emissionsprozesse stattfinden.

Lösung

1: Energietransport durch Strahlung: Reflexion in der Atmosphäre

2: Energietransport durch Strahlung: Absorption in der Atmosphäre

3: Energietransport durch Strahlung: Absorption durch die Erdoberfläche

4: Konvektion (z.B. von warmer Luft die aufsteigt)

5:  Energietransport durch Strahlung: Emission durch die Atmosphäre

Hinweis: Ein großer Teil der folgenden Ausführungen stammen von Herrn Dr. W. Bube.

Der natürliche Treibhauseffekt: Spurengase in der Atmosphäre sorgen für Wärme auf der Erde

Abb. 1 Prinzip des Treibhauseffektes

Auf die Obergrenze der Atmosphäre trifft Sonnenstrahlung, d.h.

unsichtbare Ultraviolettstrahlung (UV), die z.B. die Haut bräunt

das sichtbare Licht und

die Infrarotstrahlung, die wir als Wärme spüren.

Von der eintreffenden Strahlung wird ein Teil an der Stratosphäre reflektiert, der Rest gelangt auf die Erdoberfläche und erwärmt die Erde. Die dadurch erwärmte Erde strahlt Energie als Wärmestrahlung im langwelligen Infrarot ab. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Ein-und Abstrahlung ein. Ohne die Atmosphäre wäre es auf der Erde allerdings unerträglich kalt. Spurengase in der Atmosphäre reflektieren teilweise – ähnlich wie die Glasscheibe eines Treibhauses - die von der Erde abgegebene Infrarotstrahlung zurück zur Erde, so dass sich auf der Erde eine höhere Gleichgewichtstemperatur zwischen Ein- und Abstrahlung einstellt. Die über den gesamten Erdball und ein Jahr gemittelte Temperatur (globale Jahresmitteltemperatur) beträgt 15°C, ohne Spurengase würden es nur -18°C sein.

Der anthropogene (vom Menschen verursachte) Treibhauseffekt: Unerwünschte Folgen für die Menschheit

Aufgrund der Bevölkerungszunahme und eines erhöhten Energiebedarfs haben die Industriestaat in den letzten 150 Jahren zunehmend fossile Rohstoffe wie Kohle und Erdöl genutzt. Bei deren Verbrennung entsteht Kohlenstoffdioxid CO2, das in der Atmosphäre neben Wasserdampf als wichtiges Treibhausgas wirkt. Ein weiteres wichtiges Treibhausgas ist Methan CH4 . Es blubbert aus Sümpfen, entweicht aus Deponien und entsteht auch vermehrt bei der intensiv betriebenen Landwirtschaft (im Pansen der Kühe).

Diese zusätzlichen, durch den Menschen verursachte Emissionen von Treibhausgasen (hauptsächlich Kohlendioxid CO2 und Methan CH4) verstärken den natürlichen Treibhauseffekt und führen zu einer zusätzlichen Erwärmung. Dieser nur durch den Menschen verursachte Anteil wird nach den Prognosen der führenden Klimawissenschaftler schwerwiegende Folgen für das Leben auf der Erde haben:

Die Anzahl und das Ausmaß der Wirbelstürme nimmt zu

Es gibt mehr extreme Wetterereignisse mit zunehmenden Schäden (einerseits Hitze, Trockenheit und anderseits Dauerregen mit Hochwasser)

Die Pole und Gletscher schmelzen ab (Wasserspeicher)

Der Meeresspiegel steigt an

In den letzten hundert Jahren ist die globale Jahresmitteltemperatur bereits um 0,5 bis 1 Grad Celsius angestiegen. Das scheint wenig zu sein, aber wenn man bedenkt, dass der Unterschied zwischen Warm- und Eiszeiten 4-5°C betrug, dann ist diese Entwicklung bedrohlich. Klimawissenschaftler haben bereits eine Zunahme der extremen Wettersituationen beobachtet. Nicht nur die Zahl der starken Wirbelstürme und die damit verbundenen Schäden hat zugenommen, sondern auch die Rekordwetterlagen: Die heißesten neun Jahre des vergangenen Jahrhunderts fielen in die letzten zehn Jahre!

Das Einzige, was man derzeit dagegen unternehmen kann, ist, den Ausstoß von Treibhausgasen so schnell und gründlich wie möglich zu reduzieren.

Das Treibhaus des Gärtners

2 Pflanzenwachstum in einem Frühbeet ohne Glasabdeckung

Wenn der Gärtner früh im Jahr bereits Salat ernten will, dann bringt er die Pflänzchen in ein sogenanntes Frühbeet. Hier können die Pflanzen geschützt aufwachsen. Ohne Glasabdeckung wachsen die Pflanzen aber gar nicht so gut.

3 Pflanzenwachstum in einem Frühbeet mit Glasabdeckung

Wenn er nun das Frühbeet mit einer Glasplatte abdeckt, so gedeihen die Pflanzen besonders gut. Natürlich schützt die Glasabdeckung vor kaltem Wind, aber ein noch wichtigerer Grund liegt in dem unterschiedlichen Absorptionsverhalten des Glases für verschiedene Strahlungsarten.

Das auf die Glasplatte treffende Sonnenlicht passiert die Glasplatte weitgehend verlustlos, wird im dunklen Boden absorbiert und erwärmt diesen. Nun wird der Boden aber nicht beliebig aufgeheizt, er gibt Energie in Form infraroter Strahlung wieder ab. Diese Infrarotstrahlung (oder Wärmestrahlung) ist langwelliger als das von der Sonne kommende sichtbare Licht und kann die Glasplatte des Frühbeetes nicht nach außen passieren. Die Strahlung wird an der Glasplatte reflektiert und es kommt zu einer stärkeren Erwärmung des Beetes als ohne Glasplatte (Treibhauseffekt). In dem sich einstellenden wärmeren Klima gedeihen die Pflanzen schneller.

Eine ähnliche Wirkung wie die Glasplatte für das Frühbeet hat unsere Atmosphäre für das Erdklima. Im Folgenden ist der Treibhauseffekt in einer sehr stark vereinfachten Weise dargestellt.

Die Erde ohne Treibhausgase: nicht lebenswert

4 Folgen einer Erde ohne Treibhausgase

Hätte die Erde eine Atmosphäre, die sichtbares Licht und Wärmestrahlung ungehindert passieren ließe, so würde das sichtbare Sonnenlicht (gelb) den Erdboden erwärmen. Diese Erwärmung geht nicht beliebig weit, der Boden würde Wärme (Infrarotstrahlung - rot) abstrahlen. Berechnungen zeigen, dass unter den obigen Voraussetzungen die mittlere Temperatur auf der Erde unwirtliche -18°C betragen würde.

Der natürliche Treibhauseffekt

5 Die Animation zeigt die Ursachen und Folgen des natürlichen Treibhauseffektes.

Im Laufe der Erdgeschichte bildeten sich in der Atmosphäre die sogenannten Treibhausgase, die nur einen Teil der Infrarotstrahlung ins All entweichen lassen.

  • Ein Teil der Sonnenstrahlung wird in der oberen Atmosphäre reflektiert.

  • Ein Teil der Sonnenstrahlung wird schon in der Atmosphäre absorbiert.

  • Ungefähr die Hälfte der ankommenden Sonnenstrahlung gelangt zum Boden und erwärmt diesen.

  • Die vom Boden ausgesandte Infrarotstrahlung gelangt teilweise ins All, zum Teil wird sie aber von den Treibhausgasen in der Atmosphäre zurückgehalten (Treibhauseffekt).

Aufgrund des natürlichen Treibhauseffekts beträgt die mittlere Temperatur auf der Erde ca. 15°C.

Der anthropogene (griechisch: anthropos = Mensch ; genesis = Entstammung) Treibhauseffekt

6 Ursachen und Folgen des anthropogenen Treibhauseffektes

Aufgrund des vermehrten Ausstoßes verschiedener Treibhausgase seit der Industrialisierung (symbolisiert durch dunklere Hülle) lässt die Atmosphäre nun noch weniger Infrarotstrahlung ins All entweichen, die Erde erwärmt sich über die durchschnittliche Temperatur von 15°C.

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