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Der Strahlungshaushalt der Erde

Grundlegende Voraussetzung für das Leben auf der Erde und alle dafür wichtigen Vorgänge ist die Sonne. Ihre Strahlungsenergie ist der Motor für die damit zusammenhängenden Prozesse auf der Erdoberfläche und damit auch für das Klima und das Wettergeschehen. Alle Wettervorgänge sowie damit zusamenhängenden Abläufe in der Atmosphäre und auf der Erdoberfläche erhalten also die notwendige Energie aus der Strahlungsenergie der Sonne. Das Sonnenlicht ist deshalb der entscheidende Faktor für alles Leben und alle Abläufe auf der Erde.

Unterschiede im Ablauf dieser Prozesse entstehen vor allem dadurch, daß unterschiedliche Orte zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedlich viel Strahlungsenergie erhalten. Grund dafür ist die Neigung der Erdachse und die verschiedene Beschaffenheit der Erdoberfläche.

Alles Wissenswerte zur Sonne, zur Sonnenstrahlung und zum Einfluß der Sonnenenergie steht im Kapitel "Die Sonne". Wie die Energie der Sonne zur Erde kommt und wie Energieübertragung überhaupt funktioniert, wird im Kapitel "Energietransfer" erläutert.

Von wesentlicher Bedeutung für den Wärmehaushalt ist die sog. "Albedo" (von lat.: albus = weiß). Sie ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen der Erde, d.h. für das Verhältnis von reflektiertem zu absorbierter Sonnenstrahlung. Näheres dazu wird im Kapitel "Strahlung" ausgeführt.

Energie der Sonne

Die Sonne ist eine gigantische Energiequelle, vielfach größer als alle Energiequellen auf der Erde zusammen. Die ganze Erdatmosphäre kann insofern als eine geschlossene Wärmemaschine betrachtet werden. Die Sonne strahlt und liefert der Erde seit 4,6 Milliarden Jahren und für noch ungefähr 4 – 5 Milliarden Jahre ihre Wärme.

Die Sonne strahlt auf die Erde insgesamt rund 1,08 x 10¹⁸ Kilowattstunden (kWh) pro Jahr in Form von Licht und Wärme. Jede Sekunde sind dies 47 Milliarden kWh. Im Jahr 2003 hat die Welt 16 Millionen GWh Strom verbraucht. Das bedeutet, daß die Erde in 6 Stunden so viel Sonnenenergie erreicht wie weltweit in einem Jahr als Strom verbraucht wird.

Die Sonnenenergie ist als Wärme auf der Erde sehr ungleich verteilt. Dies hat verschiedene Ursachen:

• die Kugelform der Erde
  (der Äquator erhält mehr Sonneneinstrahlung als die Polgebiete)
• die Neigung der Erdachse
  (wodurch die Jahreszeiten entstehen)
• die Drehung der Erde um ihre Achse
  (nachts kühlt die Erdoberfläche ab)
• die ungleiche Wärmekapazität der Erdoberfläche
  (das Festland erwärmt sich schneller als die Ozeane)
• die Topographie
  (die Sonne zugeneigte Flächen erwärmen sich stärker als Ebenen - Weinberg-Effekt)
  
• der Temperaturverlauf in der Atmosphäre
  (die Temperatur nimmt mit der Höhe ab)
• das Wetter
  (Bewölkung behindert die Sonneneinstrahlung).
• die Feuchtigkeit der Luft
  (Wasserdampf ist ein äußerst wirksames Klimagas).

Sonneneinstrahlung

Die Erde erhält von der Sonne Energie in Form von Strahlung. Diese Strahlung ist zeitlich variabel (siehe unten Erdrotation) und auch nicht gleichmäßig auf dem Globus verteilt. Wäre die Erde nämlich flach und die Sonne schiene überall in gleichem Winkel darauf, würden an jedem Ort zur gleichen Zeit die selben Bedingungen herrschen. Die von den Temperaturunterschieden angetriebene Zirkulation der Luftmassen käme zum Erliegen, die Wettermaschine stünde still (siehe Abbildung A, rechts oben). Steht die Erdoberfläche aber schräg zur Sonne, verteilt sich die Sonneneinstrahlung auf eine größere Fläche. Dies hat zur Folge, daß die Strahlungsintensität geringer wird. Die durch ein Fenster von einem Quadratmeter hindurch scheinende Menge an Sonnenstrahlung erwärmt bei senkrechtem Auftreffen einen m2 der Erdoberfläche. Bei flachem Strahlungswinkel verteilt sich die gleiche Strahlungsmenge aber auf eine größere Fläche, so daß diese entsprechend weniger erwärmt wird. Das zeigt die Abbildung B, rechts Mitte. Schon allein durch die Kugelform der Erde steht die Sonne in einem steileren Winkel über dem Äquator als in den höheren Breiten. Pro Flächeneinheit der Erdoberfläche trifft also mit steigenden Breitengraden weniger Energie auf die Erdoberfläche. Vor allem aber erhalten die Tropen durch die geneigte Erdachse mehr Strahlung als die Pole. Bei insgesamt gleichbleibender Einstrahlung müssen die Pole also, damit sie nicht immer kälter werden, von den Tropen Energie bekommen. Wie aber kommt die Energie von den Tropen zu den Polen? Durch vertikalen Transport der Wärme von der Erdoberfläche in die Atmosphäre (Konvektion) und durch horizontalen Transport warmer Luftmassen von den Tropen zu den Polen (Zirkulation). Dieser Vorgang wird Wind genannt. Weitere Einzelheiten dazu stehen in den Kapiteln Luftbewegung und Wind. Ein senkrechter Einfall der Sonnenstrahlen ergibt sich bei schräg stehender Erdachse somit nur am Äquator. Je weiter man zu den gemäßigten Breiten fortschreitet, desto schräger wird der Einfallswinkel, so daß dieselbe Energiemenge eine größere Fläche bescheint, die auf 1 m2 auftreffende Energiemenge ist also geringer. Sie nimmt zu den Polen noch weiter ab, bis schließlich am Pol selbst in der jeweiligen Winterzeit gar kein Licht mehr auftrifft (siehe Abbildung C, rechts, und Abbildung E, ganz unten). Tatsächlich ist die Erde aber eine sich drehende Kugel mit geneigter Erdachse, deren Umlaufbahn außerdem auch noch leicht elliptisch ist. Daraus ergeben sich völlig unterschiedliche Strahlungsverhältnisse in Raum und Zeit, so daß die verschiedenen Regionen der Erde zur selben Zeit unterschiedlich stark von der Sonne bestrahlt werden. Aber auch über die Zeit hinweg erhalten die Regionen der Erde unterschiedliche Strahlungsmengen. Das geschieht durch Tag und Nacht sowie durch die Jahreszeiten. Im Sommer der nördlichen Hemisphäre ist der Nordpol der Sonne zugeneigt und wird bestrahlt, im Winter ist er der Sonne abgeneigt und wird nicht bestrahlt, ist also dunkel. Die Folge: Hitze am Äquator, gemäßigte Wärme in den mittleren Breiten und Kälte an den Polen. Schon allein durch die Kugelform der Erde steht die Sonne in einem steileren Winkel über dem Äquator als in den höheren Breiten. Pro Flächeneinheit der Erdoberfläche trifft also mit steigenden Breitengraden weniger Energie auf die Erdoberfläche (siehe Abbildung D, rechts unten). Vor allem aber erhalten die Tropen durch die geneigte Erdachse mehr Strahlung als die Pole. Bei insgesamt gleichbleibender Einstrahlung müssen die Pole also, damit sie nicht immer kälter werden, von den Tropen Energie bekommen. Wie aber kommt die Energie von den Tropen zu den Polen? Durch vertikalen Transport der Wärme von der Erdoberfläche in die Atmosphäre (Konvektion) und durch horizontalen Transport warmer Luftmassen von den Tropen zu den Polen (Zirkulation). Dieser Vorgang wird Wind genannt. Weitere Einzelheiten dazu stehen in den Kapiteln Luftbewegung und Wind. Nicht zuletzt ist die Erdoberfläche mit ihren Bergen, Ebenen, Meeren keineswegs gleichförmig wie eine Bowlingkugel. Die verschiedenen Materialien absorbieren die Sonnenstrahlung in unterschiedlicher Größenordnung, was sich aus deren Albedowerten ablesen läßt. Auch das Relief führt zu verschieden starker Erwärmung (Weinbergeffekt), was ja in unseren Breiten der Grund für den Weinanbau an sonnenzugeneigten Hängen ist, während der Wein in weiter südlich gelegenen Regionen in der Ebene gedeiht.

A   Unterschiedliche Erwärmung durch unterschiedliche Strahlungswinkel B Geringere Erwärmung bei flacherem Strahlungswinkel   C Geringere Erwärmung bei flacherem Strahlungswinkel     D

E

Sonneneinstrahlung und Erdrotation

Die Erde dreht sich in etwa 24 Stunden einmal um ihre eigene Achse (Erdrotation). Damit durchläuft jeder Punkt auf der Erdoberfläche täglich einen Zyklus von sich ändernder Strahlungsintensität. Durch die Sonneneinstrahlung wird die Erde am Tag erwärmt. In der Nacht strahlt die empfangene Wärme ganz oder teilweise durch die terrestrische Abstrahlung (Erdstrahlung) wieder ins Weltall zurück und kühlt dabei ab. Zwar erfolgt die terrestrische Abstrahlung auch tagsüber, jedoch ist am Tag der Strahlungszufluß durch die Sonne weitaus größer, so daß sich ein positives Strahlungssaldo ergibt: Die Erde erwärmt sich. Bei Nacht bleibt nur die Abstrahlung: Die Erde kühlt ab. Diese Abkühlung läuft auch nach Sonnenaufgang noch so lange weiter, bis die Sonneneinstrahlung die Abstrahlung wieder überwiegt und die Erdoberfläche sich erneut zu erwärmen beginnt. Zur Zeit des Sonnenaufgangs ist somit die Dauer der reinen Abstrahlung am längsten, weshalb dann für gewöhnlich auch die niedrigsten Tagestemperaturen herrschen. Dieser Umstand ist auch die Ursache dafür, daß sich Nebel oft erst kurz nach Sonnenaufgang bildet.

Die Erdumdrehung

Der Wechsel zwischen Erwärmung am Tag und Abkühlung in der Nacht ist ein Grund für das atmosphärische Wettergeschehen. Ein weiterer Grund ist die unterschiedlichen Erwärmung der Erdoberfläche infolge der Neigung der Erdachse.

 

Sonneneinstrahlung und Topographie

Ganz unabängig von der Kugelgestalt der Erde, der Erdumdrehung oder der Umlaufbahn um die Sonne, ergeben sich allein durch die unterschiedlichen topographischen Verhältnisse und den verschiedenen Regonen und Landstrichen völlig unterschiedliche Strahlungsverhältnisse und damit auch unterschiedliche Temperaturen. Wie schon beim Thema Solarkonstante dargestellt, verteilt sich bei einer flachen Neigung der Erdoberfläche die einfallende Sonnenstrahlung auf eine entsprechend größere Fläche. Somit bleibt auch die Erwärmung und die Temperatur gering. Trifft die Sonne jedoch auf einen passend geneigten Berghang, gleicht die Hangneigung den geringeren Einfallswinkel aus, so daß die Erwärmung wieder entsprechend groß werden kann. Jeder kennt das aus dem Weinberg oder vom Wandern in den Bergen.

Außerdem weisen konkave Geländeformen (Täler) größere Temperaturschwankungen auf als konvexe Bodenformen (Berge, Hügel). Nachts kommt es in den Tälern zu starker Abkühlung, weil aufgrund der Ausstrahlung an den umliegenden Hängen verstärkt kalte Luft in die Tallagen fließt. Dies ist im Kapitel Wind unter dem Stchwort Berg-/Talwind näher erläutert.

Bewölkung

Je nach Bedeckungsgrad wird die direkte Sonneneinstrahlung teilweise erheblich behindert. Eine dicke geschlossene Wolkendecke reflektiert ca. 70 % der Sonneneinstrahlung zurück ins Weltall. Hierauf wird zum Stichwort Reflexion näher eingegangen. Bewölkung behindert aber auch die Ausstrahlung der Erde. In Winternächten ist dies beispielsweise deutlich zu bemerken. In einer klaren Winternacht kann die Erdstrahlung ungehndert ins All entweichen, so daß die Temperatur entsprechend tief absinkt. Wird die Ausstrahlung dagegen von einer Wolkendecke abgeschirmt, bleibt die Nacht bedeutend milder.

Neigung der Erdachse
oder: Die Entstehung der Jahreszeiten

Die Neigung der Erdachse   Sonneneinfallswinkel und Tageslänge Autor: Thomas Steiner - wikicommons

Als astronomische Jahreszeiten bezeichnet man die an sich willkürliche Einteilung des Jahres in 4 etwa gleich lange, 90° weite Abschnitte auf der Ekliptik, die durch jeweils zwei 180° voneinander entfernte Tagundnachtgleichen ("Äquinoktien") und Sonnenwenden ("Solstitien") markiert werden. Diese Einteilung ergibt die bekannten Jahreszeiten. Ursache der Tagundnachtgleichen und Sonnenwenden ist die himmelsmechanisch bedingte Neigung der rotierenden Erdachse und damit der Erdbahnebene gegenüber dem (Himmels-)Äquator um ca. 23,5° ("Schiefe der Ekliptik"). Der Tag- und Nachtwechsel infolge der Erdrotation wird überlagert durch den Umlauf der Erde um die Sonne. Dabei bewegt sich die Erde in ca. 365 Tagen auf einer Ellipsenbahn einmal um die Sonne. Die Drehachse der Erde um sich selbst steht also nicht senkrecht auf der Ebene, die die elliptische Umlaufbahn um die Sonne bildet, die Ekliptik. Sie ist vielmehr um 23,5° gegen diese Umlaufebene geneigt. Dies hat zur Folge, daß der Zenitstand der Sonne zwischen dem nördlichen und südlichen Wendekreis hin- und herwandert (daher auch der Name Wendekreis). Dadurch entstehen neben den unterschiedlichen Einstrahlungen auch die unterschiedlichen Tag- und Nachtlängen, die mit zunehmender Polnähe immer ausgeprägter werden. Zugleich verändert sich damit auch der Winkel der auf die Erdoberfläche treffenden Sonnenstrahlung auf den Erdhalbkugeln. Deswegen werden zu unterschiedlichen Stadien des Umlaufs unterschiedliche Teile der Erde unterschiedlich stark bestrahlt. Das verändert die Einstrahlungsdauer und Intensität der Sonne in den verschiedenen Gebieten der Erde (siehe Abbildungen links). Dies führt zu den Jahreszeiten. Die Jahreszeiten unterteilen den Zeitraum eines Erdjahres - also einen Umlauf des Planeten Erde um die Sonne - vereinfacht gesagt in 4 verschiedene Perioden, die sich durch charakteristische astronomische sowie klimatische Eigenschaften von einander abheben - Frühling, Sommer, Herbst und Winter. Auf der Nord- und Südhalbkugel der Erde herrschen dabei jeweils die entgegengesetzten Jahreszeiten - ist im Süden Sommer, so herrscht auf der Nordhalbkugel Winter, und umgekehrt. Meteorologisch werden den Jahreszeiten jeweils 3 Kalendermonate zugeordnet: Frühling: März - Mai Sommer: Juni - August Herbst: September - November Winter: Dezember - Februar. Die Länge der Jahreszeiten beträgt wegen der unterschiedlichen Bahngeschwindigkeit der Erde nicht genau ein Vierteljahr, sonder variiert geringfügig. Der Frühling dauert auf der Nordhalbkugel 92 Tage und 18 Stunden, der Sommer 93 Tage und 16 Stunden, der Herbst 89 Tage und 20 Stunden und der Winter ziemlich genau 89 Tage. Die Entfernung der Erde von der Sonne durch die elliptische Umlaufbahn hat auf die Jahreszeiten keinen wahrnehmbaren Einfluß. Tatsächlich befindet sich die Erde Anfang Januar, also kurz nach dem Winteranfang auf der Nordhalbkugel, sogar rund 5.000.000 km näher an der Sonne als im Sommer. Die Jahreszeiten sind vor allem von Temperatur- und/oder Niederschlagsmengenschwankungen geprägt. In den gemäßigten Breiten fällt besonders der Wechsel der Tageshöchst- bzw. Tagestiefsttemperaturen auf. In subtropischen und noch ausgeprägter in tropischen Regionen wird dieses Temperaturregime von den Schwankungen der Monatsmittel des Niederschlags überlagert und in seiner Wahrnehmbarkeit beeinflußt. In den Tropen gibt es wegen des Fehlens der jahreszeitlichen Schwankungen keine solchen saisonalen Jahreszeiten. Dort wird zwischen Trockenzeit und Regenzeit unterschieden.

Zur Zeit der Tag- und Nachtgleiche steht die Sonne senkrecht über dem Äquator. Im März ist der Nordpol wegen der gekippten Erdachse jetzt der Sonne zugeneigt und es beginnt die Zeit, in der die Sonne nicht mehr untergeht und 24 Stunden lang scheint. Der Südpol dagegen ist jetzt der Sonne abgewandt, die Sonne geht nicht mehr auf und die lange Polarnacht beginnt.

durchschnittliche Sonnenscheindauer

Am geografischen Nordpol bzw. Südpol dauert die Polarnacht fast ein halbes Jahr, an den Polarkreisen genau einen Tag, wobei die Sonne aber noch teilweise über den Horizont steigt, nur ihr unterer Rand nicht. Je näher man den Polen kommt, umso länger dauert die Polarnacht. Die Polarnacht entsteht durch die Neigung der Erdachse um etwa 23,5°. Die Polarnacht ist das Gegenteil des Polartages mit der Mitternachtssonne.

Da die Erde um die Sonne kreist und die Erdachse von dieser Bahnbewegung unabhängig ihre Neigung beibehält, sind die Pole im jeweiligen Sommer der Sonne zugewandt und im Winter von ihr abgewandt. Daher steht die Sonne an den geographischen Polen für etwa ein halbes Jahr unter dem Horizont. In diesem Zeitraum kann es zur Bildung von polaren Stratosphärenwolken in 22 - 29 km Höhe kommen, diese bilden sich erst bei Temperaturen unter - 88.3 °C.

Als Folge dieser Sonnenstandswanderung wird auf der nördlichen Halbkugel in den Monaten Juni, Juli und August am meisten Sonnenenergie empfangen: Es ist Sommer. In den Monaten Dezember, Januar und Februar ist die Sonneneinstrahlung am geringsten: Es ist Winter.
In der südlichen Hemisphäre ist es umgekehrt.

Für diese Wanderung ergibt sich somit folgender Jahresrhythmus:

• 21. Dezember (Wintersonnenwende): Die Sonne steht über dem südlichen Wendekreis (Wendekreis des Steinbocks). Auf der Nordhalbkugel ist nun der kürzeste und auf der Südhalbkugel der längste Tag des Jahres. Der astronomische Winter beginnt. Durch die geringere Einstrahlung der Sonne auf die Nordhalbkugel sinkt die mittlere Tages- bzw. Monatstemperatur ab. Wegen der Dämpfungseigenschaft der Atmosphäre erreicht sie aber erst mit einiger Verzögerung ihren Tiefpunkt, für gewöhnlich ist das im Januar/Februar der Fall. Am Nordpol ist die Mitte der Polarnacht und am Südpol die Mitte des Polartags.
• 19. bis 21. März: Tagundnachtgleiche: Es ist der astronomischer Frühlingsbeginn im Norden und Herbstbeginn im Süden. Die Sonne steht auf Höhe des Äquators.
• 21. Juni (Sommersonnenwende): Die Sonne steht über dem nördlichen Wendekreis (Wendekreis des Krebses). Das ist der längste Tag auf der Nordhalbkugel und kürzeste Tag auf der Südhalbkugel. Im Norden beginnt nun der astronomische Sommer und der Winter im Süden. Durch die höhere Einstrahlung der Sonne auf die Nordhalbkugel erreicht die mittlere Tages- bzw. Monatstemperatur ihren Höchstpunkt. Am Nordpol ist die Mitte des Polartags und am Südpol die Mitte der Polarnacht.
• 22. oder 23. September (Tagundnachtgleiche): Im Norden beginnt astronomisch der Herbst, im Süden der Frühling. Die Sonne ist erneut auf Höhe des Äquators.

Abweichend davon wird in der Meteorologie der Beginn der Jahreszeiten jeweils auf den Monatsanfang vorverlegt (1. Dezember, 1. März usw.).

Allerdings stimmt das wegen der unterschiedlichen Wärmekapazität von Land und Wasser weitgehend nur dort, wo kein Meereseinfluß herrscht. Dieser Einfluß wird im Kapitel "Planetare Zirkulation" näher erläutert. Die grundlegenden Vorgänge der Wärmeübertragung werden in den Kapiteln Energietransfer und Wärmeleitung dargestellt.

Während sich also insbesondere die Meeresluftmassen, welche mit Tiefausläufern in unsere mittleren Breiten gelangen, hier mäßigend auf das Temperaturregime auswirken, treten Extremtemperaturen stets in meeresfernen, wetterberuhigten Arealen auf. Dazu zählen auch die Wüsten, die man vor allem im Bereich der subtropischen Hochdruckgürtel in geografischen Breiten um 25° Nord und Süd findet. Von diesen "Wendekreiswüsten" ist die Sahara im Norden Afrikas mit einer Fläche von 9 Millionen Quadratkilometern bei weitem die größte. Tagsüber herrscht dort bei hoch stehender Sonne regelmäßig wolkenarmes Wetter, daher ist bei geringem Pflanzenbewuchs die am Boden empfangene (kurzwellige) Strahlung gewaltig. Auch die nächtliche (langwellige) Ausstrahlung ist bei meist klarem Himmel beträchtlich. Dennoch verbleibt insgesamt ein positiver Strahlungssaldo, dessen Betrag etwa doppelt so hoch wie in Mitteleuropa ist.

Wo bleibt nun diese Energie? Verdunstung findet in der Wüste infolge Wassermangels nicht statt. Der Boden besteht aus Sand, Kies, Geröll oder Fels - allesamt Materialien mit sehr schlechter Wärmeleitung - kann also die Energie kaum aufnehmen. Nur durch die Erhöhung der Lufttemperatur kann der Energieüberschuss abgeführt werden. Dies wiederum führt zu entsprechender Luftbewegung, also Wind. Damit sind wie wieder bei der planetaren Zirkulation.

Wenn aber, wie in unseren Breiten, das Wettergeschehen sehr stark von herangeführten kühleren Luftmassen bestimmt wird, hinkt die Erdbodentemperatur regelmäßig etwas dem Sonnenstand hinterher, sodaß die höchsten Temperaturen erst Anfang Juli erreicht werden. Bei uns kommen die Luftmassen aber meist aus dem Süden über das Mittelmeer oder über den Westatlantik. Im Sommer ist die Lufttemperatur dabei regelmäßig wärmer als das Wasser. Je länger die Luft über das kühlere Wasser zieht, desto mehr kühlt sie ab, da sie ihre Wärme an das Wasser abgibt. Je wärmer aber das Wasser, umso geringer ist die Abkühlung. Im August erreicht die Meerestemperatur schließlich ihr Maximum und die Luft kühlt daher auf dem Weg zu uns am wenigsten ab. Einen weiteren Beitrag liefert der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Wenn es nachts stark abkühlt, muß die Sonne in der Frühe zuerst viel Energie darauf verwenden, die kühle Morgenluft aufzuheizen. Andererseits dämpft der Wasserdampf in der Atmosphäre die Abkühlung. Die Wasserdampfmenge in der Atmosphäre erreicht ihr Maximum ebenfalls im August.

Während also im Juni mit dem höchsten Sonnenstand die stärkste Einstrahlung herrscht, sind bei uns aufgrund der dann höheren Meerestemperatur und des höheren Wasserdampfgehaltes der Atmosphäre die Temperaturen im August am höchsten. Da sich diese drei Einflüsse "addieren", verschiebt sich die im Mittel wärmste Zeit des Jahres vom Sonnenhöchststand nach hinten, typischerweise auf den Monatswechsel Juli/August. Deshalb sind bei uns die Abende im August trotz des früheren Sonnenuntergangs oft am lauesten. Auf den Inseln in der Nordsee ist die Verschiebung sogar noch größer. Auf Helgoland ist daher manchmal sogar erst der September der wärmste Monat des Jahres.