Strahlung

   

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Strahlung

 

Wärmeübertragung - Strahlung

Wärmeübertragung durch Strahlung vergrößern

Wer vor einem Kamin oder an einem Lagerfeuer sitzt, spürt die als Strahlung bekannte Wärmeübertragung. Die dem Feuer zugewandte Seite wird erwärmt, während die andere Seite kalt bleibt. Anscheinend hat die umgebende Luft nichts mit dieser Form der Wärmeübertragung zu tun. Wärmelampen, die das Essen warm halten, arbeiten auf die gleiche Weise.

Wärmestrahlung oder thermische Strahlung ist also physikalisch gesehen eine elektromagnetische Strahlung, die jeder Körper aussendet (emittiert). Bei Festkörpern und Flüssigkeiten ist das Spektrum der emittierten Strahlung im Wesentlichen nur von der Temperatur abhängig.

Wärmestrahlung ist damit die Übertragung von Wärmeenergie durch den Raum in Form elektromagnetischer Wellen. Sie benötigt daher - anders als z.B. die Übertragung durch Leitung oder Konvektion - kein Medium zur Übertragung. Die Strahlung der Sonne erreicht uns auch durch das leere All.

Trifft die Strahlung auf ein Hindernis, wird sie entweder absorbiert (umgewandelt), unbeeinflusst transmittiert (hindurchgelassen), gestreut oder reflektiert (zurückgeworfen) – man spricht auch von Remission.

Die Erde ist der Strahlung der Sonne nicht unmittelbar im luftleeren Raum ausgesetzt, sondern ist von der Atmosphäre umhüllt. Die in den verschiedenen Breiten der Erde unterschiedlich stark eintreffende Sonnenstrahlung wird daher zusätzlich von Erdatmosphäre in ihrer Intensität durch drei Prozesse verändert:

Von 100 % Sonnenenergie, welche die Erde erreichen, werden ca. 55 % wieder ins Welktall abgegeben. Die anderen 45 % werden vom Land und den Ozeanen absorbiert. 20 % davon nehmen dann die Atmosphäre und die Wolken auf. 20 % werden von den Wolken wieder in den Weltraum zurück abgestrahlt. Weitere 5 % werden von der Atmosphäre und 5 % von der Erdoberfläche in den Weltraum abgestrahlt.

Rückstrahlung und Absorption

Reflexion (Albedo)

Die Reflexion des Lichts erfolgt an festen und flüssigen Bestandteilen der Luft, aber auch an der Erdoberfläche. Das Licht wird dabei nicht verändert oder abgeschwächt, sondern in seiner Richtung abgelenkt. Von wesentlicher Bedeutung für den Wärmehaushalt der Erde ist die sog. "Albedo" (von lat.: albus = weiß). Sie ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen von Oberflächen, angegeben als das Verhältnis von reflektierter langwelliger Wärmestrahlung zu einfallender kurzwelliger Sonnenstrahlung. Eine Oberfläche mit einer Albedo von z.B. 0,3 reflektiert 30% der einfallenden Strahlung und absorbiert 70%. Je heller die Oberfläche, desto größer ist ihre Albedo. Die Albedo ist damit das Maß für das Rückstrahlvermögen nicht selbst leuchtender Oberflächen.

Die höchsten Albedo-Werte werden bei (Neu-) Schnee mit bis zu 0,95 erreicht. Trockener heller Sand strahlt zwischen 0,30 bis 0,45 bis zu 45% der kurzwelligen Sonnenstrahlung zurück. Auf der anderen Seite werden aber bis zu 55% der einfallenden Sonnenstrahlung absorbiert, weshalb sich der Sand so stark aufheizen kann, daß man am Strand u.U. das Gefühl hat sich die Füße zu verbrennen. Der etwas dunklere Sand der Wüsten liegt nur geringfügig unter diesen Albedowerten. Bei Grasflächen oder Waldgebieten werden immer noch bis zu 20% der einfallenden Strahlung reflektiert. Die geringste Reflektion und somit die größten Absorptionswerte weisen Wasser (< 0,1) und durch das vorherrschende "dunkle" Mauerwerk und Straßen auch Städte (0,1 - 0,18) auf.

Neben dem Erdboden reflektieren aber vor allem die Wolken Sonnenstrahlung zurück ins Weltall. Im Verhältnis zum Erdboden sind deren reflektierte Anteile sogar deutlich höher. Grundsätzlich gilt jedoch auch bei den Wolken: Je heller, desto größer das Reflektionsvermögen. Die geringste Albedo weist der Cirrus (aus Eiskristallen bestehende dünne Schleierwolken) mit Werten zwischen 0,15 und 0,2 auf. Die höchsten Werte bis 0,8 erreichen die weißen Cumulus-Wolken. Allerdings ist die Albedo bei diesem Wolkentyp sehr variabel. Je nach Flüssigwassergehalt und Tropfengröße in der Wolke kann der reflektierte Anteil deutlich absinken und nur noch so um 40% liegen.

Von der Atmosphäre werden ca. 42 % der gesamten Sonneneinstrahlung direkt wieder in den Weltraum zurückgeworfen. Wolken, insbesondere geschlossene Wolkendecken reflektieren einen großen Teil des Sonnenlichts. Bei entsprechender Dicke der Wolkenschicht können durch Reflexion bis zu 70 % des einfallenden Lichts zurückgestrahlt werden. Nicht zuletzt dieser Effekt läßt die Erde aus dem Weltraum wie einen glitzernden Edelstein funkeln. Unter den Wolken bleibt es deswegen kühl.

In gleicher Weise kann auch Kleidung mehr oder weniger viel Wärme absorbieren bzw. reflektieren. Dunkle Kleidung absorbiert die Sonnenstrahlen sehr stark und wandelt sie in langwellige Wärmestrahlung um, was wir dann direkt auf der Haut spüren können. Während dieser Effekt vor allem in den noch kühleren Frühlingsmonaten als angenehm empfunden wird, kann er im heißen Hochsommer doch eher zur Qual werden. Dann sind eher helle und leichte Stoffe optimal. Helle Kleidung (weiß, gelb, etc.) reflektiert einen großen Anteil der kurzwelligen Sonnenstrahlung und heizt sich daher nicht so stark auf.

Albedo

Albedowerte vergrößern

 

Albedowerte verschiedener Oberflächen

Material

Albedo Ø

Frischer Schnee 

0,80 – 0,95

Alter Schnee

0,45 – 0,90

Wolken  

0,60 – 0,90

Wüste   

0,30

Felder (unbestellt) 

0,10 – 0,26

Rasen

0,18 – 0,23

Wald

0,08 – 0,18

Asphalt

0,05 – 0,10

Das durchschnittliche direkte Rückstrahlvermögen der Erde, einschließlich der Wolken, liegt bei ca. 0,3 oder 30 %. Dieses Rückstrahlung der Erde wird Albedo genannt.

Streuung, Absorption und Reflektion der Sonnenstrahlung

Streuung

Die Luftmoleküle der Atmosphäre weisen in etwa die Größenordnung des kurzwelligen blauen Lichtanteils der Sonnenstrahlung auf. Deshalb lenken sie umso mehr blaues Licht aus dem weißen Sonnenlicht heraus, je mehr Luftmoleküle auf dem Weg des Lichts liegen. Dies geschieht nicht gerichtet, sondern aufgrund der unendlichen Vielzahl von Ablenkungsvorgängen an den Molekülen ungerichtet, d.h. diffus (diffuse Streuung).

Auf diese Weise wird ein großer Teil des blauen Lichtanteils stark gestreut, weshalb uns der Himmel blau erscheint. Bei niedrigem Sonnenstand am Abend wird der Weg des Lichts durch die Atmosphäre immer länger, die Streuung des blauen Lichtanteils folglich immer stärker, so daß schließlich der rote Lichtanteil überwiegt und die Sonne eine rote Färbung anzunehmen scheint (Abendrot).

Durch die Streuung des Sonnenlichts erfolgt keine Energieumwandlung.

Absorption

Die Sonne selbst kann die Luft kaum erwärmen. Das geschieht vielmehr fast ausschließlich über die Erdoberfläche. Diese ist daher hauptverantwortlich für die Temperatur der Luft. Über Land wird die Wärme schnell an die Atmosphäre weitergegeben. Wasser speichert sie größtenteils, erwärmt sich also im Sommer wesentlich langsamer als die Landmassen. Wärme wird also insbesondere durch die Bestrahlung von Landflächen produziert.
Näheres dazu wird im Kapitel Wärmeleitung erläutert.

Vom Land, den Ozeanen, der Vegetation und des Gasmolekülen der Luft wird die einfallende Sonnenstrahlung absorbiert, d.h. das sichtbare Licht wird direkt in Wärme umgewandelt. Insbesondere die Ozonschicht der Stratosphäre absorbiert die kurzwellige Ultraviolettstrahlung und heizt sich dadurch von ca. - 60 °C auf fast 0 °C stark auf. Auch das in der Luft enthaltene Wasser, insbesondere in Wolken oder Dunst, aber auch in Form von unsichtbarem Wasserdampf, absorbiert in geringem Maße die einfallende Sonnenstrahlung.

Die Erde erwärmt sich dadurch. Die aufgenommene Energie (kurzwellige Einstrahlung der Sonne) wird von der Erde wie von jedem warmen Körper auch wieder in Form von langwelliger Wärmestrahlung an die Atmosphäre abgegeben. Weil die Oberfläche der Erde aber viel kühler ist als die Sonne, hat die Strahlung der Erde eine längere Wellenlänge als Sonnenstrahlung. Sie liegt im unsichtbaren Infrarotbereich.

 

Strahlung und Reflektion

Ausstrahlung

Diese langwellige Strahlung wird dann vom Erdboden wieder abgestrahlt. Eine solche Ausstrahlung beinhaltet immer einen Energieverlust, der zum entsprechenden Temperaturabfall führt. Die Abkühlung der Erdoberfläche und der bodennahen Luftschichten während der Nacht, beruht auf dieser Ausstrahlung der tagsüber aufgenommenen Wärme. Die Strahlungsbilanz wird negativ. Da Luft ein thermisch träges Medium ist, reagiert sie nicht so schnell wie der Erdboden auf die Temperaturänderungen, das Temperaturminimum wird somit erst in den frühen Morgenstunden bei Sonnenaufgang erreicht.  

Jeder kennt diesen Effekt, wenn es sich in einer klaren Nacht stark abkühlt.

nächtliche Ausstrahlung

In den Nachtstunden gibt der Erdboden die tagsüber aufgenommene Energie als langwellige Ausstrahlung (Wärmestrahlung) wieder an die Atmosphäre ab. Bei vorhandener Wolkendecke wird ein Teil dieser Energie reflektiert und wieder zum Boden zurückgeworfen, die Abkühlung ist dadurch deutlich vermindert. Deshalb ist ein klarer Himmel die Grundvoraussetzung für einen kontinuierlichen, bodennahen Abkühlungsprozeß.

Auch diesen Effekt kennt jeder, wenn die nächtliche Ausstrahlung von Wolken behindert wird und es in bedeckten Nächten dann relativ warm bleibt.

nächtlicher Ausstrahlungsschutz durch Wolken

Dabei kommt im Winter das hohe Reflexionsvermögen (Albedo) des Schnees besonders zur Geltung. Über frischen und noch nicht verunreinigten Schneeflächen wird nämlich die solare Einstrahlung tagsüber nahezu vollständig reflektiert. Nicht zuletzt wirkt eine frische Schneedecke mit ihren zahlreichen Lufteinschlüssen auch isolierend. Das unterbindet zwar einerseits die nächtliche Abstrahlung der darunter befindlichen Bodenwärme, andererseits findet deswegen eine Erwärmung der darunter liegenden Erdoberfläche aber erst gar nicht statt. Umso stärker wirkt somit die nächtliche Abkühlung, insbesondere wenn bei einer winterlichen Hochdrucklage mehrere solche Tage aufeinander folgen. Dann können die Temperaturen mächtig in den Keller rauschen.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß dabei auch der Wind eine wesentliche Rolle spielt. Bleibt dieser während der Nachtstunden lebhaft, so wird die Bildung von flachen "Kaltluftseen" in Mulden und Tälern infolge der permanenten Durchmischung erheblich erschwert, wodurch es ebenfalls milder bleibt.

Gleichwohl gelangt nicht die gesamte Wärme wieder zurück ins Weltall, da das in der Luft enthaltene Wasser, insbesondere in Wolken oder Dunst, aber auch in Form des unsichtbaren Wasserdampfs, die langwellige Erdstrahlung absorbiert. Der Wasserdampf  der Luft wirkt insoweit wie das Glas eines Gewächshauses, das die kurzwellige Sonnenstrahlung fast ungestört durchläßt, die langwellige Wärmestrahlung aber durch Absorption zurückhält. Auch Wolken absorbieren und reflektieren diese Erdstrahlung. Hierauf wird gleich anschließend im Abschnitt "Der Treibhaus-Effekt" eingegangen.

Festzuhalten ist damit, daß die Erwärmung der Luft der Troposphäre nicht direkt durch die Sonnenstrahlung erfolgt, sondern indirekt von der Erdoberfläche ausgeht. Am wichtigsten ist dabei die Temperatur in etwa 1500 m Höhe. Egal, wie kräftig und lange die Sonne scheint, am Boden kann es nicht viel mehr als 15 Grad wärmer als in dieser Höhe werden.

Ergänzend darf insoweit auch auf das Kapitel Strahlungshaushalt verwiesen werden.

 

Der "Treibhaus-Effekt"

Wäre das alles, würde sich die Erde am Tag aufheizen, nachts aber die ganze Energie wieder zurück in den Raum abstrahlen und die Temperatur auf der Oberfläche des Planeten würde sehr schnell wieder weit unter Null fallen. Auf dem Mond ist das beispielsweise so der Fall. Der Grund, daß das auf der Erde nicht geschieht, sind die Moleküle der Atmosphäre, welche diese Wärme absorbieren und diese verzögert wieder abgeben. Das reduziert die Wärmeabstrahlung in den Weltraum. Auf diese Weise wird der größte Teil der Sonnenstrahlung, welche die Erdoberfläche erreicht, als Wärmenergie wieder an die Atmosphäre abgegeben. Damit sind diese Moleküle letztlich dafür verantwortlich, daß die Erde für unsere energetisch aktive und komplizierte Biosphäre die passenden Temperaturen aufweist.

Von wesentlicher Bedeutung sind dafür sind die sog. "Treibhausgase", weil sie die Wärme wie die Glaswände eines Gewächshauses zurückhalten.

Schon das Ozon der Stratosphäre in ca. 20 - 50 km Höhe absorbiert den kurzwelligen Anteil der ankommenden Sonnenstrahlung (UV-Strahlung). Dabei heizt sich diese Ozonschicht bis zu annähernd behaglichen Temperaturen auf. Ein Teil dieser Wärme wird ins All, der andere aber zur Erdoberfläche abgestrahlt.

Wasserdampf und CO2 sind dabei die wichtigsten Wärme aufnehmenden Gase der Lufthülle der Erde. Womöglich ist Wasserdampf sogar das bedeutsamste Treibhausgas in der unteren Atmosphäre. Allein der in der Atmosphäre befindliche Wasserdampf absorbiert etwa 5-mal mehr dieser Erdstrahlung als alle anderen Gase zusammen. Das erklärt die warmen Temperaturen in der unteren Troposphäre, wo sich der größte Teil des Wasserdampfs befindet.

bullet_28.gif Die Sonnenstrahlung erwärmt also den Erdboden, nicht die Luft.

Energiehaushalt der Erde

Strahlungsbilanz der Erde vergrößern

Ungefähr 30 % des eingehenden Sonnenlichtes wird also durch die Wolken oder helle Gebiete auf der Oberfläche der Erde in den Weltraum zurück reflektiert oder durch die Gasmoleküle der Atmosphäre zurück gestreut ins All. Die Streuung läßt den Himmel blau erscheinen, nicht schwarz.

Von den verbleibenden 70 % erreichen rd. 2/3 die Erdoberfläche, während über 1/3 von den Wolken absorbiert wird. Wenn die Erdoberfläche oder eine Wolke das Sonnenlicht absorbieren, werden diese erwärmt. Alles, was wärmer ist als der absolute Nullpunkt, sendet Infrarotstrahlung aus. Deshalb strahlen sowohl die Erdoberfläche als auch die Wolken Wärme im Infrarotbereich ab. Ein Teil dieser Strahlung geht ins All verloren, der andere Teil bleibt im erdnahen Bereich gefangen.
Dies ist der sog. "Treibhauseffekt".

Der "Treibhauseffekt" ist somit kein vom Menschen künstlich erzeugter Effekt. Vielmehr handelt es sich um die natürliche Eigenschaft der Atmosphäre, die von der Erdoberfläche abgestrahlte Wärme bei ihrem Weg zurück ins Weltall für einige Zeit zu speichern und uns so mit einer wärmeren bodennahen Lufthülle zu umgeben (im weltweiten Mittel +15° C). Ohne diesen Effekt würde nämlich die Durchschnittstemperatur in der unteren Atmosphäre bei -18° C liegen und es wäre auf der gesamten Erde bitter kalt.

 

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