Strahlungsvorgänge und Strahlungshaushalt

Plank’sches Strahlungsgesetz:

„Die Ausstrahlung eines Körpers ist um so größer, je höher seine Temperatur ist.“

• Jeder Körper mit einer Temperatur größer als der absolute Nullpunkt sendet elektromagnetische Strahlung aus, die in Relation zur Temperatur des Körpers und zur Wellenlänge steht!

• Sonne: ca. 5.400°C Oberflächentemperatur

• Erde: ca 15°C Oberflächentemperatur

Stephan-Boltzmann-Gesetz:

• Menge der ausgestrahlten Energie

• J = σ · T4 σ (sigma) = 5,67051· 10-8 Wm-2K-4 (σ= 18. Buchstabe des griechischen Alphabets)

• J = Strahlungsstrom des Körpers

• σ = Stephan-Boltzmann-Konstante (Naturkonstante)

• T = absolute Temperatur der Körpers (in Kelvin)

• Beispiel: verdoppelt sich die Temperatur eines Körpers, so erhöht sich seine Emission (Ausstrahlung) um das 16-fache ( 24 )

Wien’sche Verschiebungsgesetz:

• Zusammenhang zwischen Temperatur eines Körpers (= Menge der ausgestrahlten Energie) und Wellenlänge maximal emittierter Strahlung

• d.h. die Frage: in welchem Wellenlängenbereich erfolgt intensivste (maximale) Ausstrahlung eines Körpers?

• λ max · T = const. (T in Kelvin)

  λ (lambda, 11. Buchstabe des griechischen Alphabets)

Merksatz:

->Wellenlänge maximaler Strahlung ist um so kleiner, je höher Temperatur eines Körpers ist.

->Je heißer ein Körper ist, desto kürzer ist die Wellenlänge bei der das Maximum der Strahlung ausgesandt wird

Fortführung Wiensch´es Verschiebungsgesetz:

• Sonne sendet keine Wärmestrahlen zur Erde, größtenteils kurzwelliges sichtbares Licht

• Erde strahlt langwelliges, unsichtbares Licht aus = Wärmestrahlung

• Wärmewirkung kommt nicht von Sonne, sondern sie geht von Erde selbst aus, d.h. vom Erdboden.

• Temperaturabnahme mit zunehmender Höhe in Troposphäre, obwohl wir Sonne näher kommen…

• Ganz einfach ausgedrückt: …Temperatur eines Körpers sagt genau 'welche Sorte' Wärme er vorzugsweise abstrahlt

Alltags Beispiel:

• sehr heißes Eisen glüht hell, weniger heißes Eisen glüht dunkelrot, warmes Eisen strahlt nichtsichtbares infrarotes Licht als

• Herdplatte zunächst rot (500°C), mit zunehmender Temperatur orange gelb glühend (1100°C), „zur Weißglut bringen“ (ab1500°C)

50 % erreicht die Erdoberfläche

Extinktion:

Strahlungsverlust, Abschwächung Strahlung durch Streuung (z.B. diffuse Reflexion), Absorption

Strahlung: Extinktion-> Streuung (diffuse Reflexion)

1. Strahlung trifft auf Bestandteile der Atmosphäre (Luftmoleküle, atmosphärische Verunreinigungen -Aerosole-, Dunst, Wassertröpfchen)

2. eintreffende Strahlung in alle Richtungen umgelenkt/umverteilt = gestreut = diffus reflektiert (zB. durch Wassertröpfchen)

3. Wellenlänge bleibt unbeeinflusst, es erfolgt keine Energieumwandlung an Oberfläche

4. Bestandteile der Atmosphäre werden dabei selbst zur Strahlungsquelle, gestreutes Licht (durch Reflexion)

5. erfolgt Streuung nur in eine einzige Richtung (von der Richtung der einfallenden Strahlung abhängige Richtung) = Reflexion, reflektiertes Licht verlässt Atmosphäre ins Weltall, keine Energieumwandlung an Oberfläche

Alltag Beispiele:

• Milch ist undurchsichtig, wegen Streuung des Lichtes an Fett- und Eiweißtröpfchen

• beschlagene Fensterscheibe ist trüb, auskondensierte Wassertröpfchen streuen Licht

• in dunstiger oder nebliger Luft wird der Lichtstrahl eines Autoscheinwerfers durch Streuung

Besonderheit Luftmoleküle:

• Streuen innerhalb des kurzwelligen sichtbaren Lichtes die kürzeren Wellenlängen stärker als die längeren Wellenlängen

“Streuungsgesetz“ Rayleigh:

• molekularer Streuungskoeffizient verhält sich umgekehrt proportional zur 4. Potenz der Wellenlänge, d.h. je kürzer die Wellenlänge, desto stärker die Streuung durch Luftmoleküle

• kurzwelligeren blauen Anteile werden rund 16 mal stärker gestreut als langwelligeren roten Anteile

• Streuung hängt extrem von Wellenlängen

Konsequenz Gesetz von Rayleigh:

• an wolkenlosen, klaren Tag, d.h. ohne viel Wasserdampf und Aerosole sind überwiegend Luftmoleküle (kleine Teilchen < 10-5 cm) an Streuung beteiligt

• Anteile des gestreuten blauen Lichtes am größten (blau die kleinste Wellenlänge), Blau kommt stärker zur Geltung

• Himmel erscheint blau

Erde ohne Atmosphäre:

• Himmel schwarz

• Kaum Streuung

• Sonne und Sterne können immer gesehen werden

• Mensch: keine Luft zum Atmen

Himmel verschieden blau

• Bergen: Himmel tiefblau

• in noch größere Höhen: Anzahl der streuenden Luftmoleküle immer geringer, immer weniger Streuung, Himmel wird dunkler mit schwach violettem Schleier

• Tälern Blau: viel blasser, obwohl schönes Wetter, mehr atmosphärische Beimengungen

• oft in Städten: schöner wolkenloser Tag, aber Himmel mit fahlem Weißblau, Graublau

• gewöhnlich bei uns: warme, feuchte, staubangereicherte Luft: Himmel weißlich grau

• kalte, trockene Polarluft: Himmel blau (Winter)

• Wolken wirken sich negativ auf Lichteinfall Erdoberfläche aus

Albedo:

= Anteil der diffusen Reflexion, der zurückgestrahlt wird

• beschreibt Fähigkeit einer Oberfläche die Sonnenergie zu reflektieren

• Reflexion hängt von Helligkeit der Oberfläche an, Verhätnis der Rückstrahlung hängt von Struktur, Farbe Oberfläche ab

• Verhältnis Rückstrahlung zur Einstrahlung in %

• Verhältnis von reflektierter zur eingefallenen Gesamtenergie 0% - 100%

• zurückgeworfene kurzwellige Strahlung, trägt nicht zur Erwärmung bei

• planetarische Albedo: Anteil, der ins Weltall zurückgestrahlt wird. Jahresmittel Erde rund 30%

• Bereits geringe Änderungen der planetaren Albedo genügen zur Auslösung von spürbaren Änderungen der globalen Mitteltemperatur -> Folge der positiven Eis-Albedo- Rückkopplung

Was ist eine positive Albedo Rückkopplung?

1. steigende Temperaturen: Schnee, Eis schmelzen (hell -> hohe Albedo)

2. Schmelzen: hell -> dunkler Oberfläche, Staub und Schmutz werden frei

3. Zusätzliche Erwärmung durch dunkle Oberflächen

Absorption:

• bestimmter Anteil von Licht wird vom Körper aufgenommen (Abgabe als Wärmeenergie), anderer Teil wird reflektiert

• selektive Absorption: Betrifft nur bestimmte Wellenlängen (= teilweise oder voll)

• Anteil nicht absorbierten und dauernd reflektierten Strahlungsanteile bestimmt Farbe eines Gegenstandes

• Absorptionskoeffizient: Quotient von absorbierter zu auffallender Energie

• Kohlendioxid: absorbiert in einigen (langwelligen) Infrarotbereichen, in sog. Absorptionsbanden

->in der Atmosphäre haben Ozon, CO2 und Wasserdampf, Aerosole absorbierende Wirkung nur auf bestimmte Wellenlängen

Grundregel von Absorption:

von bestimmten Körpern werden jeweils nur bestimmte Wellenlängenbereiche aus der Strahlung absorbiert, andere Wellenlängen werden durch die Atmosphäre durchgelassen

->in Atmosphäre haben Ozon, CO2 und Wasserdampf, Aerosole absorbierende Wirkung nur auf bestimmte Wellenlängen

Anpassungmaßnahmen “gegen” Absorption:

Stadtklima:

• helle Flächen / dunkle Flächen -> Schattenwirkung /direkte Sonneneinstrahlung, Versickerungsrate

• Erhöhung des Albedo-Effektes als strahlungsklimatische Maßnahme zur Reduktion der innerstädtischen Aufheizung durch Absorptionsvorgänge.

Vegetation:

• Schattenwirkung am Boden, Pflanze verdunstet Wasser, Energieentzug an der Blattoberfläche, Abkühlung. Mehr Grün in die Städte, Vegetation und Wasserflächen (-läufe,-rinnen) reduzieren Temperaturextreme

Latente Wärme:

• Wärme die zu Änderung Aggregatzustands führt

• in gasförmigen Wasserdampf enthaltene Wärme

• durch Verdunstung von Wasser wird verdunsteten Oberfläche Energie entzogen, die im Wasserdampf gebunden ist = latente Wärme = verborgene Energie

• Wärmeabgabe bei Kondensation (Übergang gasförmig -> flüssig), Regen

• Freisetzung oft in Troposphäre

Evapotranspiration:

Evaporation:

• Verdunstung auf Wasser- und Landflächen

• inklusive Interzeption (Niederschlag haftend an Pflanze-> verdunstet)

Transpiration:

• Verdunstung über Spaltöffnungen (und Schweißdrüsen)

• durch Spaltöffnungen erfolgt CO2 - Aufnahme und Wasserabgabe

Gut zu wissen

Beispiele Alltag:

• wolkenfreie Nächte haben geringe atmosphärische Gegenstrahlung, daher starke nächtliche Auskühlung

• bedeckter Himmel: geringere Abkühlung durch höhere atmosphärische Gegenstrahlung durch Absorptionsvermögen des Wassers

• Großstädte: durch größere Lufttrübung (Aerosole), höherer CO2-Gehalt der Luft und mehr Wasserdampf nachts stärkere atmosphärische Gegenstrahlung, d.h. Städte werden zu nächtlichen Wärmeinseln: Notwendigkeit der Frischluftzufuhr, Kaltluftströme

• Waldklima: ausgeglichener Temperaturverlauf

Treibhauseffekt-> Verkleinerung atmosphärische Fenster

• CO2 und H2O –> geringe Absorptions- wirkung auf kurzwellige (solare) Strahlung

• CO2 und H2O –>große Absorptions- wirkung auf langwellige (terrestrische) Strahlung, siehe Absorptionsbanden

• natürlicher Treibhauseffekt

• 2 IR (Infra-Rot)- Fenster

• Bei einer Zunahme des Anteils klimawirksamer Gase in Atmosphäre verkleinern sich die atmosphärischen Fenster, weil sich die Absorptionsbanden dieser Gase an den Rändern erweitern

• Durch eine Zunahme von CO₂ wird mehr Strahlung in diesem Bereich absorbiert, wodurch das Fenster „geschlossener“ wird

• Minderung der langwelligen Ausstrahlung, Erhöhung der Gegenstrahlung -> Die dadurch zusätzlich umgesetzte Energie bedingt eine Erhöhung der bodennahen globalen Temperaturen

Was sind atmosphärische Fenster?

• Bereiche im Infrarotspektrum, in denen die Atmosphäre relativ transparent ist

• Wärmeenergie (Infrarotstrahlung)kann von Erdoberfläche ungehindert ins Weltall entweichen

• Fenster spielen wichtige Rolle im Energiehaushalt der Erde -> geben überschüssige Wärme ab