Strahlungsverteilung auf der Erde

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In dieser Stunde werden wir den Einfluss der unterschiedlichen Strahlungsintensität auf das Klima der Erde untersuchen.

Inhaltsverzeichnis

Einstieg

Midnightsun.jpg



CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Strahlungsverteilung auf der Erde (https://wiki.zum.de/wiki/Europa_im_Blick/Strahlungsverteilung_auf_der_Erde)

Strahlungsintensität der Sonnenstrahlung

Die folgende Tabelle stellt die theoretische Strahlungsintensität der Sonnenstrahlung in Abhängig von der geographischen Breite und des Monats der Beobachtung dar. Der Einfluss der Atmosphäre wird in den Daten nicht berücksichtigt. Der höchste, errechnete Wert wurde gleich 100% gesetzt.

Breite Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember
90°N 0% 0% 7% 37% 79% 100% 88% 60% 15% 0% 0% 0%
80°N 0% 2% 15% 43% 79% 97% 91% 60% 23% 4% 0% 0%
70°N 0% 7% 25% 50% 76% 92% 85% 63% 35% 14% 2% 0%
60°N 8% 19% 39% 60% 81% 90% 89% 69% 47% 26% 11% 6%
50°N 21% 32% 51% 69% 85% 90% 87% 76% 57% 39% 24% 17%
40°N 35% 46% 60% 76% 87% 92% 90% 80% 67% 51% 36% 30%
30°N 47% 57% 69% 80% 87% 90% 87% 82% 73% 61% 50% 44%
20°N 59% 69% 77% 83% 85% 86% 85% 83% 78% 69% 61% 57%
10°N 69% 76% 81% 83% 81% 81% 81% 81% 81% 78% 72% 69%
79% 81% 83% 80% 77% 73% 74% 78% 81% 81% 81% 79%
10°S 81% 81% 81% 78% 72% 69% 69% 76% 81% 83% 81% 81%
20°S 85% 83% 78% 69% 61% 57% 59% 69% 77% 83% 85% 86%
30°S 87% 82% 73% 61% 50% 44% 47% 57% 69% 80% 87% 90%
40°S 90% 80% 67% 51% 36% 30% 35% 46% 60% 76% 87% 92%
50°S 87% 76% 57% 39% 24% 17% 21% 32% 51% 69% 85% 90%
60°S 89% 69% 47% 26% 11% 6% 8% 19% 39% 60% 81% 90%
70°S 85% 63% 35% 14% 2% 0% 0% 7% 25% 50% 76% 92%
80°S 91% 60% 23% 4% 0% 0% 0% 2% 15% 43% 79% 97%
90°S 88% 60% 15% 0% 0% 0% 0% 0% 7% 37% 79% 100%
Quelle: Albrecht Keßler: Zur Klimatologie der Strahlungsbilanz an der Erdoberfläche http://www.freidok.uni-freiburg.de


Nuvola Stift.png   Aufgabe 1

Es soll die Strahlungsintensität für verschiedene geographischen Breiten dargestellt werden.

  • Markiere auf dem Farbverlauf die Strahlungsintensitäten für den jeweiligen Monat!
  • Verbinde die markierten Punkte mit einer dünnen, schwarzen Linie!
  • Schneide den Farbverlauf entlang der Außenkanten aus!
  • Schneide nun en oberen Teil des Farbverlaufes entlang der eingezeichneten Linie ab!
  • Notiere die geographische Breite auf der Rückseite des Farbverlaufes!
  • Die Farbverläufe werden von 90°N bis 90°S sortiert an die Pinnwand geheftet!

Auswertung der Grafik

Nuvola Stift.png   Aufgabe 2

Beschreibe und erläutere die zusammengesetzte Grafik!



CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Strahlungsverteilung auf der Erde (https://wiki.zum.de/wiki/Europa_im_Blick/Strahlungsverteilung_auf_der_Erde)

Der Strahlungshaushalt der Erde

Kurzwellige Strahlung der Sonne trifft auf die Atmosphäre und Erdoberfläche. Langwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche abgestrahlt und in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Im thermischen Gleichgewicht wird die absorbierte Energie der Atmosphäre je zur Hälfte in Richtung Erde und Weltall abgestrahlt. Die Zahlen geben die Leistung der Strahlung in Watt/Quadratmeter für den Zeitraum 2000–2004 an.


Die einfallende Sonnenstrahlung ist (überwiegend) kurzwellig, deshalb wird diese Formel auch als kurzwellige Strahlungsbilanz (Q_{\textrm k}) bezeichnet:

Q_{\textrm k} = G - R = (1 - a) G

  • G = Globalstrahlung
  • R = Reflexstrahlung (Einfluss der Ozonschicht etc.)
  • a = Albedo

Die Erdoberfläche emittiert Wärmestrahlung (infrarot). Da diese Strahlung langwellig ist, wird diese Formel auch als langwellige Strahlungsbilanz (Q_{\textrm l}) bezeichnet:

Q_{\textrm l} = A_{\textrm E} = A_{\textrm O} - A_{\textrm G}

  • A_{\textrm E} = effektive Ausstrahlung
  • A_{\textrm O} = Ausstrahlung der Erdoberfläche (terrestrische Strahlung)
  • A_{\textrm G} = Atmosphärische Gegenstrahlung (Einfluss von Atmosphärengasen, Aerosolen und Wolken)

Aus den beiden Formeln für die Strahlungsaufnahme und die Strahlungsabgabe, also für Gewinn und Verlust, lässt sich nun ermitteln, wie viel insgesamt zur Verfügung steht (gesamte Strahlungsbilanz (Q), Nettostrahlung):

Q = Q_{\textrm k} - Q_{\textrm l} = G - R - A_{\textrm E}

einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung 341 Watt pro m2
reflektierte Sonnenstrahlung 102 Watt pro m2
emittierte langwellige Strahlung 239 Watt pro m2
SALDO (effektiver "Energie-Input") = ± 0 Watt pro m2

CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Strahlungsverteilung auf der Erde (https://wiki.zum.de/wiki/Europa_im_Blick/Strahlungsverteilung_auf_der_Erde)

Die zur Erde kommende Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden (hier besonders von Schnee) zu 30 % wieder in den Weltraum reflektiert (das heißt die Albedo der gesamten Erde ist 0,30). Die restlichen 70 % werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre, 50 % vom Erdboden. Letztere werden durch Wärmestrahlung und Konvektion wieder an die Lufthülle abgegeben. Würde diese Energie wieder vollständig in den Weltraum abgestrahlt werden, läge die mittlere Lufttemperatur bei −18 °C, während sie tatsächlich +15 °C beträgt.

Die Differenz erklärt sich aus dem natürlichen Treibhauseffekt der Atmosphäre. Die sogenannten Treibhausgase in der erwärmten Atmosphäre (vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid) emittieren Infrarotstrahlung – auch in Richtung Erde. Der Nachschub für die abgestrahlte Energie erfolgt durch Konvektion und Absorption (ein Teil der Abstrahlung von der Erdoberfläche im Infraroten wird absorbiert). Die von der Atmosphäre emittierte Infrarotstrahlung führt zu einer Erwärmung der Erdoberfläche um durchschnittlich 33 °C.
Diese Zahlen gelten nur für die Erde als Ganzes. Lokal und regional hängen die Verhältnisse von zahlreichen Faktoren ab:

  • von der Albedo der Erdoberfläche, die vom 30 %-Mittel stark abweichen kann (beispielsweise Schnee 40 bis 90 %, Wüste 20 bis 45 %, Wald 5 bis 20 %)
  • vom oben erwähnten Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und der Dauer ihrer Einwirkung
  • von Bewölkung und Luftfeuchtigkeit
  • vom Wärmetransport durch Wind, von Luftschichtungen usw.

Theoretisch sind diese Faktoren weitgehend modellierbar, doch nicht in allen Details wie Staueffekten an Gebirgen oder unregelmäßiger Bewegung von Tiefdruckgebieten. Für gute Vorhersagen benötigt die Meteorologie außer enormer Rechenleistung auch ein weltweit dichtes Raster von Messdaten über alle Luftschichten, was in der Praxis an Grenzen stößt.


Nuvola Stift.png   Aufgabe 3

Erläutere den Einfluss der Atmosphäre auf den Strahlungshaushalt der Erde!



CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Strahlungsverteilung auf der Erde (https://wiki.zum.de/wiki/Europa_im_Blick/Strahlungsverteilung_auf_der_Erde)

Wichtige Fakten

Die Erde dreht sich um die eigene Achse. Außerdem dreht sich die Erde um die Sonne. Die Erdachse steht jedoch schief. Sie hat bildet mit der Ebene der Rotation um die Sonne (Ekliptik) einen Winkel von etwa 23.5°. So Kommt es, dass im Sommer der Nordhalbkugel (21.6.) der Nordpol in Richtung der Sonne geneigt ist, im Winter (21.12.) ist der Südpol der Sonne zugewandt. Im Frühling (21.3.) und Herbst (23.9.) steht die Sonne genau am Äquator im Zenit (senkrecht). Am Herbst- und Frühlingsanfang beobachten wir die Tag-und-Nacht-Gleiche, d.h. der Tag ist genau so lang wie die Nacht.

Solange der Nordpol (oder Südpol) der Sonne entgegen gewandt ist, geht die Sonne am Nordpol nicht unter. Entsprechend geht die Sonne am der Sonne abgewandten Pol nicht auf. An allen Orten die nördlicher liegen als der 66,5°N (90°N-23,5° = nördlicher Polarkreis) beobachten wir zumindest einen Tag (24h) im Jahr an dem die Sonne nicht untergeht. Entsprechendes gilt für den südlichen Polarkreis.

Der Zenit der Sonne wandert über das Jahr vom nördlichen Wendekreis (23,5°N) zum südlichen Wendekreis (23,5°S) und zurück. Er übersreitet dabei zwei mal den Äquator.

Anders als häufig vermutet ist der Abstand zwischen Erde und Sonne im (Nord-)Sommer geringfügig größer als im Winter (1,52*10^9km zu 1,49*10^9km). Der Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde ist jedoch nur sehr gering. Entscheidender ist, die Verteilung von Land und Wasser auf der Nord- und Südhalbkugel. Die Wassermassen auf der Südhalbkugel mildern den Sommer etwas ab, da sie einen Teil der Strahlungsenergie absorbieren.

Die Entstehung der Jahreszeiten

CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Strahlungsverteilung auf der Erde (https://wiki.zum.de/wiki/Europa_im_Blick/Strahlungsverteilung_auf_der_Erde)

mögliche Leitfragen:

  • Wie entstehen die Jahreszeiten?
  • Wie sehen die Jahreszeiten in anderen Breiten aus?

Stundenziele:

  • Die Schüler können die Ursachen der unterschiedlichen Strahlungsverteilung auf der Erde erklären.
  • Die Schüler beschreiben den Einfluss der Atmosphäre auf den Strahlungshaushalt der Erde.