Strahlung

   

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Strahlung

 

Wrmebertragung - Strahlung

Wrmebertragung durch Strahlung vergr秤ern

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

Wrmestrahlung oder thermische Strahlung ist also physikalisch gesehen eine elektromagnetische Strahlung, die jeder Krper aussendet (emittiert). Bei Festkrpern und Flssigkeiten ist das Spektrum der emittierten Strahlung im Wesentlichen nur von der Temperatur abhngig.

Wrmestrahlung ist damit die bertragung von Wrmeenergie durch den Raum in Form elektromagnetischer Wellen. Sie bentigt daher - anders als z.B. die bertragung durch Leitung oder Konvektion - kein Medium zur bertragung. 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 (zurckgeworfen) man spricht auch von Remission.

Die Erde ist der Strahlung der Sonne nicht unmittelbar im luftleeren Raum ausgesetzt, sondern ist von der Atmosphre umhllt. Die in den verschiedenen Breiten der Erde unterschiedlich stark eintreffende Sonnenstrahlung wird daher zustzlich von Erdatmosphre in ihrer Intensitt durch drei Prozesse verndert:

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 Atmosphre und die Wolken auf. 20 % werden von den Wolken wieder in den Weltraum zurck abgestrahlt. Weitere 5 % werden von der Atmosphre und 5 % von der Erdoberflche in den Weltraum abgestrahlt.

Rckstrahlung und Absorption

Reflexion (Albedo)

Die Reflexion des Lichts erfolgt an festen und flssigen Bestandteilen der Luft, aber auch an der Erdoberflche. Das Licht wird dabei nicht verndert oder abgeschwcht, sondern in seiner Richtung abgelenkt. Von wesentlicher Bedeutung fr den Wrmehaushalt der Erde ist die sog. "Albedo" (von lat.: albus = wei). Sie ist ein Ma fr das Rckstrahlvermgen von Oberflchen, angegeben als das Verhltnis von reflektierter langwelliger Wrmestrahlung zu einfallender kurzwelliger Sonnenstrahlung. Eine Oberflche mit einer Albedo von z.B. 0,3 reflektiert 30% der einfallenden Strahlung und absorbiert 70%. Je heller die Oberflche, desto gr秤er ist ihre Albedo. Die Albedo ist damit das Ma fr das Rckstrahlvermgen nicht selbst leuchtender Oberflchen.

Die hchsten 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 zurck. Auf der anderen Seite werden aber bis zu 55% der einfallenden Sonnenstrahlung absorbiert, weshalb sich der Sand so stark aufheizen kann, da man am Strand u.U. das Gefhl hat sich die F廻e zu verbrennen. Der etwas dunklere Sand der Wsten liegt nur geringfgig unter diesen Albedowerten. Bei Grasflchen oder Waldgebieten werden immer noch bis zu 20% der einfallenden Strahlung reflektiert. Die geringste Reflektion und somit die gr秤ten Absorptionswerte weisen Wasser (< 0,1) und durch das vorherrschende "dunkle" Mauerwerk und Straen auch Stdte (0,1 - 0,18) auf.

Neben dem Erdboden reflektieren aber vor allem die Wolken Sonnenstrahlung zurck ins Weltall. Im Verhltnis zum Erdboden sind deren reflektierte Anteile sogar deutlich hher. Grundstzlich gilt jedoch auch bei den Wolken: Je heller, desto gr秤er das Reflektionsvermgen. Die geringste Albedo weist der Cirrus (aus Eiskristallen bestehende dnne Schleierwolken) mit Werten zwischen 0,15 und 0,2 auf. Die hchsten Werte bis 0,8 erreichen die weien Cumulus-Wolken. Allerdings ist die Albedo bei diesem Wolkentyp sehr variabel. Je nach Flssigwassergehalt und Tropfengr秤e in der Wolke kann der reflektierte Anteil deutlich absinken und nur noch so um 40% liegen.

Von der Atmosphre werden ca. 42 % der gesamten Sonneneinstrahlung direkt wieder in den Weltraum zurckgeworfen. Wolken, insbesondere geschlossene Wolkendecken reflektieren einen groen Teil des Sonnenlichts. Bei entsprechender Dicke der Wolkenschicht knnen durch Reflexion bis zu 70 % des einfallenden Lichts zurckgestrahlt werden. Nicht zuletzt dieser Effekt l癌t die Erde aus dem Weltraum wie einen glitzernden Edelstein funkeln. Unter den Wolken bleibt es deswegen khl.

In gleicher Weise kann auch Kleidung mehr oder weniger viel Wrme absorbieren bzw. reflektieren. Dunkle Kleidung absorbiert die Sonnenstrahlen sehr stark und wandelt sie in langwellige Wrmestrahlung um, was wir dann direkt auf der Haut spren knnen. Whrend dieser Effekt vor allem in den noch khleren Frhlingsmonaten als angenehm empfunden wird, kann er im heien Hochsommer doch eher zur Qual werden. Dann sind eher helle und leichte Stoffe optimal. Helle Kleidung (wei, gelb, etc.) reflektiert einen groen Anteil der kurzwelligen Sonnenstrahlung und heizt sich daher nicht so stark auf.

Albedo

Albedowerte vergr秤ern

 

Albedowerte verschiedener Oberflchen

Material

Albedo

Frischer Schnee 

0,80 0,95

Alter Schnee

0,45 0,90

Wolken  

0,60 0,90

Wste   

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 Rckstrahlvermgen der Erde, einschlielich der Wolken, liegt bei ca. 0,3 oder 30 %. Dieses Rckstrahlung der Erde wird Albedo genannt.

Streuung, Absorption und Reflektion der Sonnenstrahlung

Streuung

Die Luftmolekle der Atmosphre weisen in etwa die Gr秤enordnung des kurzwelligen blauen Lichtanteils der Sonnenstrahlung auf. Deshalb lenken sie umso mehr blaues Licht aus dem weien Sonnenlicht heraus, je mehr Luftmolekle auf dem Weg des Lichts liegen. Dies geschieht nicht gerichtet, sondern aufgrund der unendlichen Vielzahl von Ablenkungsvorgngen an den Moleklen ungerichtet, d.h. diffus (diffuse Streuung).

Auf diese Weise wird ein groer Teil des blauen Lichtanteils stark gestreut, weshalb uns der Himmel blau erscheint. Bei niedrigem Sonnenstand am Abend wird der Weg des Lichts durch die Atmosphre immer lnger, die Streuung des blauen Lichtanteils folglich immer strker, so da schlielich der rote Lichtanteil berwiegt und die Sonne eine rote Frbung anzunehmen scheint (Abendrot).

Durch die Streuung des Sonnenlichts erfolgt keine Energieumwandlung.

Absorption

Die Sonne selbst kann die Luft kaum erwrmen. Das geschieht vielmehr fast ausschlielich ber die Erdoberflche. Diese ist daher hauptverantwortlich fr die Temperatur der Luft. ber Land wird die Wrme schnell an die Atmosphre weitergegeben. Wasser speichert sie gr秤tenteils, erwrmt sich also im Sommer wesentlich langsamer als die Landmassen. Wrme wird also insbesondere durch die Bestrahlung von Landflchen produziert.
Nheres dazu wird im Kapitel Wrmeleitung erlutert.

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

Die Erde erwrmt sich dadurch. Die aufgenommene Energie (kurzwellige Einstrahlung der Sonne) wird von der Erde wie von jedem warmen Krper auch wieder in Form von langwelliger Wrmestrahlung an die Atmosphre abgegeben. Weil die Oberflche der Erde aber viel khler ist als die Sonne, hat die Strahlung der Erde eine lngere Wellenlnge 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 fhrt. Die Abkhlung der Erdoberflche und der bodennahen Luftschichten whrend der Nacht, beruht auf dieser Ausstrahlung der tagsber aufgenommenen Wrme. Die Strahlungsbilanz wird negativ. Da Luft ein thermisch trges Medium ist, reagiert sie nicht so schnell wie der Erdboden auf die Temperaturnderungen, das Temperaturminimum wird somit erst in den frhen Morgenstunden bei Sonnenaufgang erreicht.  

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

nchtliche Ausstrahlung

In den Nachtstunden gibt der Erdboden die tagsber aufgenommene Energie als langwellige Ausstrahlung (Wrmestrahlung) wieder an die Atmosphre ab. Bei vorhandener Wolkendecke wird ein Teil dieser Energie reflektiert und wieder zum Boden zurckgeworfen, die Abkhlung ist dadurch deutlich vermindert. Deshalb ist ein klarer Himmel die Grundvoraussetzung fr einen kontinuierlichen, bodennahen Abkhlungsproze.

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

nchtlicher Ausstrahlungsschutz durch Wolken

Dabei kommt im Winter das hohe Reflexionsvermgen (Albedo) des Schnees besonders zur Geltung. ber frischen und noch nicht verunreinigten Schneeflchen wird nmlich die solare Einstrahlung tagsber nahezu vollstndig reflektiert. Nicht zuletzt wirkt eine frische Schneedecke mit ihren zahlreichen Lufteinschlssen auch isolierend. Das unterbindet zwar einerseits die nchtliche Abstrahlung der darunter befindlichen Bodenwrme, andererseits findet deswegen eine Erwrmung der darunter liegenden Erdoberflche aber erst gar nicht statt. Umso strker wirkt somit die nchtliche Abkhlung, insbesondere wenn bei einer winterlichen Hochdrucklage mehrere solche Tage aufeinander folgen. Dann knnen die Temperaturen mchtig in den Keller rauschen.

Der Vollstndigkeit halber sei noch erwhnt, da dabei auch der Wind eine wesentliche Rolle spielt. Bleibt dieser whrend der Nachtstunden lebhaft, so wird die Bildung von flachen "Kaltluftseen" in Mulden und Tlern infolge der permanenten Durchmischung erheblich erschwert, wodurch es ebenfalls milder bleibt.

Gleichwohl gelangt nicht die gesamte Wrme wieder zurck 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 Gewchshauses, das die kurzwellige Sonnenstrahlung fast ungestrt durchl癌t, die langwellige Wrmestrahlung aber durch Absorption zurckhlt. Auch Wolken absorbieren und reflektieren diese Erdstrahlung. Hierauf wird gleich anschlieend im Abschnitt "Der Treibhaus-Effekt" eingegangen.

Festzuhalten ist damit, da die Erwrmung der Luft der Troposphre nicht direkt durch die Sonnenstrahlung erfolgt, sondern indirekt von der Erdoberflche ausgeht. Am wichtigsten ist dabei die Temperatur in etwa 1500 m Hhe. Egal, wie krftig und lange die Sonne scheint, am Boden kann es nicht viel mehr als 15 Grad wrmer als in dieser Hhe werden.

Ergnzend darf insoweit auch auf das Kapitel Strahlungshaushalt verwiesen werden.

 

Der "Treibhaus-Effekt"

Wre das alles, wrde sich die Erde am Tag aufheizen, nachts aber die ganze Energie wieder zurck in den Raum abstrahlen und die Temperatur auf der Oberflche des Planeten wrde sehr schnell wieder weit unter Null fallen. Auf dem Mond ist das beispielsweise so der Fall. Der Grund, da das auf der Erde nicht geschieht, sind die Molekle der Atmosphre, welche diese Wrme absorbieren und diese verzgert wieder abgeben. Das reduziert die Wrmeabstrahlung in den Weltraum. Auf diese Weise wird der gr秤te Teil der Sonnenstrahlung, welche die Erdoberflche erreicht, als Wrmenergie wieder an die Atmosphre abgegeben. Damit sind diese Molekle letztlich dafr verantwortlich, da die Erde fr unsere energetisch aktive und komplizierte Biosphre die passenden Temperaturen aufweist.

Von wesentlicher Bedeutung sind dafr sind die sog. "Treibhausgase", weil sie die Wrme wie die Glaswnde eines Gewchshauses zurckhalten.

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

Wasserdampf und CO2 sind dabei die wichtigsten Wrme aufnehmenden Gase der Lufthlle der Erde. Womglich ist Wasserdampf sogar das bedeutsamste Treibhausgas in der unteren Atmosphre. Allein der in der Atmosphre befindliche Wasserdampf absorbiert etwa 5-mal mehr dieser Erdstrahlung als alle anderen Gase zusammen. Das erklrt die warmen Temperaturen in der unteren Troposphre, wo sich der gr秤te Teil des Wasserdampfs befindet.

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

Energiehaushalt der Erde

Strahlungsbilanz der Erde vergr秤ern

Ungefhr 30 % des eingehenden Sonnenlichtes wird also durch die Wolken oder helle Gebiete auf der Oberflche der Erde in den Weltraum zurck reflektiert oder durch die Gasmolekle der Atmosphre zurck gestreut ins All. Die Streuung l癌t den Himmel blau erscheinen, nicht schwarz.

Von den verbleibenden 70 % erreichen rd. 2/3 die Erdoberflche, whrend ber 1/3 von den Wolken absorbiert wird. Wenn die Erdoberflche oder eine Wolke das Sonnenlicht absorbieren, werden diese erwrmt. Alles, was wrmer ist als der absolute Nullpunkt, sendet Infrarotstrahlung aus. Deshalb strahlen sowohl die Erdoberflche als auch die Wolken Wrme 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 knstlich erzeugter Effekt. Vielmehr handelt es sich um die natrliche Eigenschaft der Atmosphre, die von der Erdoberflche abgestrahlte Wrme bei ihrem Weg zurck ins Weltall fr einige Zeit zu speichern und uns so mit einer wrmeren bodennahen Lufthlle zu umgeben (im weltweiten Mittel +15 C). Ohne diesen Effekt wrde nmlich die Durchschnittstemperatur in der unteren Atmosphre bei -18 C liegen und es wre auf der gesamten Erde bitter kalt.

 

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