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Grundwissen

Strahlungshaushalt der Erde

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.
Aufgaben Aufgaben

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.

Abb. 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.

Aufgabe
strahlungshaushalt_erde_aufgabe.png

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

Aufgaben

Strahlungshaushalt der Erde

Übungsaufgaben