Strahlungs und Wärmehaushalt der Erde

Strahlungs- und Wärmehaushalt – Grundlagen

Die Sonne strahlt in alle Richtungen Energie, in Form von Sonnenstrahlen, in das Weltall ab. Daher kommt auch Strahlung auf der Erde an und wird entweder aufgenommen, reflektiert oder umgewandelt. Aus diesen drei Prozessen entsteht dann der Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erde.

Strahlungshaushalt der Erde– Definition

Der Strahlungshaushalt fasst alle wichtigen Prozesse in der Atmosphäre zusammen, die mit der Sonneneinstrahlung zusammenhängen.

Bei der Strahlung der Sonne muss man zwischen langwelliger und kurzwelliger Strahlung unterscheiden. Der Großteil der Strahlung, der in der Atmosphäre beziehungsweise auf der Erde ankommt, ist kurzwellig und wird über verschiedene Prozesse in langwellige Strahlung umgewandelt. Mehr dazu wirst Du in den folgenden Abschnitten erfahren.

Wärmehaushalt – Definition

Wenn von dem Strahlungshaushalt der Erde gesprochen wird, wird in diesem Zusammenhang auch häufig der Begriff Wärmehaushalt genannt.

Strahlung kann von der Erde in verschiedene Formen von Wärme umgewandelt werden. Diese Wärme ist unter anderem für den Treibhauseffekt verantwortlich.

Der Treibhauseffekt ist ein natürlicher Effekt, der durch Emissionen des Menschen jedoch verstärkt wird. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt wäre es deutlich kälter auf der Erde. Man geht von einer durchschnittlichen Temperatur von -18 °C¹ aus.

Globalstrahlung

Die Globalstrahlung ist wichtiger Bestandteil des Strahlungs- und Wärmehaushaltes der Erde.

Mit einer horizontalen Ebene kann sowohl eine ebene, gerade Landmasse, als auch ein Gewässer gemeint sein.

Man unterscheidet dabei zwischen direkter und gestreuter Strahlung. Die direkte Strahlung besteht aus Sonnenstrahlen, die direkt und ohne Hindernisse auf die Erdoberfläche strahlen können.

Unter gestreuter Strahlung versteht man die Strahlung, die Hindernisse wie Wolken passieren muss und dadurch abgelenkt wird. Das bedeutet, dass die Strahlung nicht in einer geraden Linie aus der Wolke wieder hinausstrahlen kann, sondern in verschiedene Richtungen gestrahlt wird.

Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erde

Der Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erde beschreibt, wie viel Strahlung der Sonne und entsprechend Wärme an die Erde gegeben und durch die Erde wieder abgegeben wird. Strahlung und Wärme sind dabei immer im Gleichgewicht. Damit das auch so bleibt, gibt es verschiedene Zwischenschritte und Prozesse, wodurch Strahlung zum Beispiel wieder ins Weltall abgeführt werden kann.

Strahlungshaushalt der Atmosphäre – einfach erklärt

Wenn man vom Strahlungshaushalt der Erde spricht, ist oft auch die Rede von der Strahlungsbilanz. Die Strahlung wird nämlich bilanziert. Das bedeutet, dass man sich anschaut, wie viel Strahlung ankommt und wieder abgegeben wird. Man nennt das auch In- und Output von Strahlung.

Der In- und Output von Strahlung ist im Durchschnitt ausgeglichen, wenn man das menschliche Handeln, woraus etwa der menschengemachte Treibhauseffekt resultiert, außer Acht lässt.

Bei der Strahlungsbilanz handelt es sich nur um die kurzwellige Strahlung, die in die Atmosphäre und an die Erdoberfläche gestrahlt wird.

Die Sonne strahlt ins Weltall und die Sonnenstrahlen gelangen zur Erde. Der Bereich, der senkrecht von der Sonne bestrahlt wird – also dort, wo die Sonne im Zenit steht – wird mit der sogenannten Solarkonstanten von 1.368 Watt pro Quadratmeter angestrahlt. Die anderen Bereiche der Erde werden weniger oder gar nicht von der Sonne bestrahlt.

Die Sonne strahlt aber nicht gleichmäßig jeden Bereich der Erde an, sondern nur die Seite, die der Sonne zugewandt ist. Deshalb spricht man von einer durchschnittlichen Sonneneinstrahlung von 341,3 Watt pro Quadratmeter, kurz W/m². Diese Strahlung wird von der Erdoberfläche reflektiert oder absorbiert.

Ungefähr 79 W/m^{2 1} werden durch Wolken und Aerosole reflektiert. Aerosole sind feinste Partikel, die in der Atmosphäre schweben, ein Beispiel ist Feinstaub.

Etwa 23 W/m² werden an der Erdoberfläche reflektiert. Das passiert zum Beispiel, wenn eine Fläche einen hohen Reflexionsgrad hat, dieser Reflexionsgrad wird auch Albedo genannt.

Zusammengefasst werden also 102 W/m^{2 1} der Strahlung wieder zurück ins Weltall reflektiert.

161 W/m^{2 1} werden von der Erdoberfläche aufgenommen. Die aufgenommene Strahlung wird an der Erdoberfläche in sogenannte langwellige Wärmestrahlung umgewandelt. Die übrigen 78 W/m^{2 1} werden von der Atmosphäre absorbiert.

98 % der Wärmestrahlung der Erde werden wieder in die Atmosphäre abgegeben. Jedoch wird der Großteil, etwa 77 %, davon wieder von Wolken und Aerosolen reflektiert und auf die Erdoberfläche zurückgestrahlt. Diese Strahlung nennt man auch Gegenstrahlung.

Das führt dann zur Erwärmung der Erde. Man spricht hierbei von dem Treibhauseffekt. Der übrige Anteil wird in Form von langwelliger Strahlung wieder ins Weltall gestrahlt. Das erfolgt unter anderem durch Wärmestrahlung.

Wärmehaushalt der Erde – einfach erklärt

Der Wärmehaushalt und die Strahlungsbilanz hängen unmittelbar zusammen, denn ohne Sonnenstrahlung kann keine Wärmestrahlung entstehen. Und ohne Wärme kann der Energieüberschuss, also der Überschuss an Strahlung, nicht ins Weltall transportiert werden.

Wenn Strahlung von der Erde aufgenommen wird, kann diese in Wärme umgewandelt werden. Dabei handelt es sich um latente Wärme. Latente Wärme entsteht zum Beispiel, wenn das Wasser einer feuchten Oberfläche durch die Sonneneinstrahlung verdunstet. Das bedeutet, dass das Wasser in eine andere Phase übergeht. In der Chemie nennt man das einen Phasenübergang.

Fühlbare Wärme ist ebenfalls eine Form von Wärme, die bei der Sonneneinstrahlung auf der Erde entsteht. Diese Wärme ist mit einem Thermometer messbar und wird durch Wind oder Wolken transportiert.

Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erde – Klimawandel

Der Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erde wird durch den Klimawandel aus dem Gleichgewicht gebracht. Dadurch erhöht sich die Differenz zwischen In- und Output an Strahlung.

Treibhauseffekt – Strahlung und Wärme

Der Treibhauseffekt ist ein natürlich vorkommender Effekt, der auf der Reflexion und Absorption von Wärme beruht. Wird der Strahlungs- und Wärmehaushalt aus dem Gleichgewicht gebracht, kann das dazu führen, dass sich die Erde weiter erwärmt und der Treibhauseffekt verstärkt wird.

Langwellige Wärmestrahlung wird in einem sehr hohen Anteil von Wolken, den Aerosolen und Treibhausgasen aufgenommen und wieder zurück auf die Erde gestrahlt.

Zu den Treibhausgasen gehören unter anderem CO₂ und CH₄, also Kohlenstoffdioxid und Methan.

Wenn sich der Gehalt an Treibhausgasen in der Atmosphäre zum Beispiel durch Verkehr und Industrie erhöht, kann immer mehr langwellige Strahlung absorbiert und wieder auf die Erdoberfläche gestrahlt werden. Die Erde erwärmt sich also immer mehr.