Strahlungshaushalt der Atmosphäre

Der Strahlungshaushalt der Erde ist der wichtigste Bestandteil des Energiehaushalts der Erde. Über den Teilbereich der Strahlungsbilanz werden dabei die verschiedenen Haushaltsgrößen in einer Gleichung rechnerisch bilanziert, während sie der Strahlungshaushalt darüber hinaus auch beschreibt und in ihren Wechselbeziehungen darstellt.

Strahlungsbilanz

Darstellung der NASA

Die einfallende Sonnenstrahlung ist kurzwellig, deshalb wird diese Formel auch als kurzwellige Strahlungsbilanz (Q_k) bezeichnet:

Q_k = G − R = D + H − R = (1 − a)G

• G = Globalstrahlung
• D = direkte Strahlung
• H = diffuse Strahlung (Himmelsstrahlung)
• R = Reflexstrahlung (Einfluss Ozonschicht etc.)
• a = Albedo

Die Erdoberfläche emittiert Wärmestrahlung (infrarot). Da diese Strahlung langwellig ist, wird diese Formel auch als langwellige Strahlungsbilanz (Q_l) bezeichnet:

Q_l = A_E = A_O − A_G

• A_E = effektive Ausstrahlung
• A_O = Ausstrahlung der Erdoberfläche (terrestrische Strahlung)
• A_G = 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_k − Q_l = G − R − A_E

einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung[1]	342 Watt pro m2
reflektierte Sonnenstrahlung	107 Watt pro m2
emittierte langwellige Strahlung	235 Watt pro m2
SALDO (effektiver "Energie-Input")	= ± 0 Watt pro m2
"[...] Im Jahr werden mehr als 4,2 x 1017 kJ freier Energie auf der Welt durch Photosynthese fixiert. Dies entspricht einer Assimilation von 10 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Kohlenhydrate und andere organische Moleküle. [...]"[2]
Photosyntheseleistung	420.000.000.000.000.000 kJ pro Jahr
Weltenergieverbrauch (432 Exajoule)	432.000.000.000.000.000 kJ pro Jahr

Strahlungshaushalt

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 alle 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 enormen EDV-Kapazitäten auch ein weltweit dichtes Raster von Messdaten über alle Luftschichten, was in der Praxis an Grenzen stößt.

Siehe auch

• Wärmehaushalt_(Erde)
• Globale Erwärmung
• Globale Verdunkelung

Weblinks

• The Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)
• Modellversuch zum Treibhauseffekt
• Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre

Quellen

1. ↑ vgl. Grafik in: NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION The Earth Observer. November - December 2006. Volume 18, Issue 6. page 38 (PDF-Datei; ca. 7,6 MB)
2. ↑ Wörtliches Zitat (Seite 6 von 54) aus: Michael Krauß: Photosynthese, FU Berlin, Institut für Chemie-Biochemie (PDF-Datei; ca 7,3 MB)