Nettostrahlung

Vielleicht hast Du schon einmal etwas vom Treibhauseffekt gehört? Der Treibhauseffekt ist Grund für die Erwärmung der Erdoberfläche und als verstärkter anthropogener Treibhauseffekt Auslöser des globalen Klimawandels. Ursache des Treibhauseffekts ist die sogenannte Globalstrahlung.

Die Globalstrahlung trifft auf die Erde und ist Teil des Strahlungshaushalts der Erde. Sie beeinflusst also die sogenannte Strahlungsbilanz oder Nettostrahlung. Aber was ist die Nettostrahlung einfach erklärt und wie kann man die Strahlungsbilanz berechnen?

Nettostrahlung – Definition

Die Erde und ihre Atmosphäre werden von der Sonne bestrahlt – man nennt diese Strahlung extraterrestrische Strahlung. Der Anteil der extraterrestrischen Strahlung, der auf die Erdoberfläche auftrifft, wird als Globalstrahlung bezeichnet. Diese Globalstrahlung hat damit Einfluss auf die Nettostrahlung der Erde.

Diese Nettostrahlung berechnet sich aus der Globalstrahlung, die von der Erdoberfläche absorbiert wird und der Ausstrahlung der Erde von langwelliger Wärmestrahlung.

Strahlungsbilanz

Das Wort Bilanz stammt vom lateinischen Begriff bilanx und bedeutet so viel wie "Ergebnis", "Fazit" oder "Gleichgewicht". Die Strahlungsbilanz der Erde ist also das Gleichgewicht von der Strahlung, die auf die Erde trifft und der Strahlung, die die Erde abgibt.

Die Strahlungsbilanz ist damit einfach ein Synonym zur Nettostrahlung der Erde.

Nettostrahlung einfach erklärt

Bei der Nettostrahlung unterscheidest Du zwischen:

• kurzwelliger Strahlung
• langwelliger Strahlung

Um Nettostrahlung zu erklären, schaust Du Dir zuerst einmal die kurzwellige Globalstrahlung an. Ein Teil dieser Globalstrahlung wird von der Erdoberfläche reflektiert. Der andere Teil der Globalstrahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert und als absorbierte Globalstrahlung bezeichnet.

Diese absorbierte Globalstrahlung wird von der Erdoberfläche umgewandelt und als langwellige Wärmestrahlung wieder abgegeben. Die Abgabe der Erde von langwelliger Wärmestrahlung ins All wird als Ausstrahlung oder terrestrische Strahlung bezeichnet. Diese Ausstrahlung wird jedoch durch die sogenannte Gegenstrahlung der Atmosphäre verringert.

Die Ausstrahlung, die trotz der atmosphärischen Gegenstrahlung von der Erde ins All gestrahlt wird, bezeichnet man als effektive Ausstrahlung.

Die Nettostrahlung oder Strahlungsbilanz ergibt sich nun aus der Differenz zwischen der absorbierten Globalstrahlung und der effektiven Ausstrahlung. Je nachdem, ob die absorbierte Globalstrahlung oder die effektive Ausstrahlung größer ist, ist die Nettostrahlung, also die Strahlungswirkung der Erde, positiv oder negativ.

Nettostrahlung – Gleichung

Wie Du jetzt weißt, berechnet sich die Nettostrahlung aus den Werten der absorbierten Globalstrahlung und effektiven Ausstrahlung. Die Gleichung für die Nettostrahlung setzt sich also folgendermaßen zusammen:

R = (Q_G - aQ_G) - (A_O - A_G) oder kurz R = Q_G (1 - a) - A_E

Hierfür gilt:

Strahlungsbilanz berechnen

Um die Strahlungsbilanz berechnen zu können, brauchst Du also verschiedene Werte. Diese Werte werden meist im globalen Durchschnitt angegeben und ergeben sich aus vielen Messungen. Die aktuell gemessenen Durchschnittswerte (gerundet) und Prozentanteile findest Du in Tabelle 1:

Tabelle 1 - Durchschnittswerte Strahlungsbilanz. Quelle: spektrum.de ²

Setzt Du diese Werte nun in die Gleichung für die Berechnung der Nettostrahlung R ein, erhältst Du folgendes Ergebnis:

R = (340 W/m² - (102 W/m² + 65 W/m²)) - (333 W/m² - 262 W/m²)

R = 173 W/m² - 71 W/m²

R = 102 W/m²

Richtest Du Dich also nach den globalen Durchschnittswerten, hat die gesamte Erde eine durchschnittliche Nettostrahlung von rund 102 W/m² und damit eine positive Strahlungsbilanz. Die Atmosphäre hingegen verzeichnet eine negative Strahlungsbilanz.

Dieser Energieüberschuss der Erdoberfläche wird durch Verdunstung und Konvektion an die Atmosphäre abgegeben, wodurch sich die Strahlungsbilanz des Erd-Atmosphäre-Systems bei null stabilisiert.

Nettostrahlung – Geographie

Im globalen Durchschnitt ist die Strahlungsbilanz der Erde inklusive der Atmosphäre also ausgeglichen. Geht man jedoch genauer auf die Geographie der Erde ein, zeigen sich große globale Unterschiede in der Nettostrahlung der Erde.

Nettostrahlung Unterschiede – Erde

Die Unterschiede der Nettostrahlung auf der Erde entstehen durch verschiedene Einflüsse. Die wichtigsten Einflüsse auf die Nettostrahlung der Erde sind:

• Bewölkung
• Bodenbeschaffenheit
• Einfallswinkel der Sonne

Wolken bestehen aus Wasserdampf und sind damit an der Reflexion langwelliger Wärmestrahlung zurück zur Erdoberfläche beteiligt. Es gilt also: Je dichter die Wolken über einem Gebiet, desto stärker die Gegenstrahlung dort. Das ist meist über großen Wasserflächen wie Meeren der Fall, da sich dort grundlegend mehr Wasserdampf in der Luft befindet. Meere verzeichnen also überwiegend eine größere Nettostrahlung als Landflächen.

Dieser Umstand wird zusätzlich durch die kleinere Albedo, also ein kleineres Reflexionsvermögen für Strahlung, von Wasserflächen verstärkt. Meere absorbieren mehr Globalstrahlung, während Landflächen größtenteils mehr Globalstrahlung reflektieren. So ist die Nettostrahlung an Wasserflächen nochmals größer.

Der größte Einfluss auf die globalen Unterschiede der Nettostrahlung ist der sich unterscheidende und verändernde Einfallswinkel der Sonne. Da dieser an den Polen der Erde grundsätzlich flacher ist als am Äquator, trifft in Äquatornähe weitaus mehr Globalstrahlung auf eine Fläche, als in Polnähe.

Die jährliche Nettostrahlung ist deshalb in niedrigeren Breiten durchschnittlich positiv, in höheren Breiten im Durchschnitt negativ. Der Wechsel von positiver zu negativer Nettostrahlung befindet sich dabei bei circa 35-40° Nord und Süd.⁴

Neben dem Unterschied in der Nettostrahlung zwischen hohen und niedrigen Breiten entstehen auch tägliche und jährliche Schwankungen der Nettostrahlung an einem Ort. Da die Sonne nachts nicht auf die Erdoberfläche trifft, kommt zu dieser Zeit auch kaum Globalstrahlung an der Erdoberfläche an, wodurch die Strahlungsbilanz nachts geringer, meist negativ ist.

Nettostrahlung – Lufttemperatur

An den meisten Orten der Erde ändert sich der Einfallswinkel der Sonne zudem innerhalb eines Jahres, wodurch sich auch die Globalstrahlung verändert.

Ist der Einfallswinkel steil, also im Sommer, trifft mehr Globalstrahlung auf die Erdoberfläche und die Nettostrahlung steigt. Diese positive Strahlungsbilanz sorgt so meistens für eine Erwärmung der Lufttemperatur.

Ist der Einfallswinkel im Winter flach, verringert sich die Globalstrahlung und die Nettostrahlung nimmt ab und fällt größtenteils in negative Bereiche. Die jetzt negative Strahlungsbilanz sorgt oft für eine Abkühlung der Lufttemperatur.