Quelltext der Seite Strahlungshaushalt der Erde

{{Redundanztext|3=Strahlungshaushalt der Erde|4=Ausstrahlung (Atmosphäre)|12=f|2=Februar 2019|1=[[Benutzer:W!B:|W!B:]] ([[Benutzer Diskussion:W!B:|Diskussion]]) 12:58, 11. Feb. 2019 (CET)}}

[[Datei:Klimafaktor Sonne (ZDF, Terra X) 720p HD 50FPS.webm|mini|Änderung der Sonneneinstrahlung im Laufe der Zeit]]

Der '''Strahlungshaushalt der Erde''' ist der wichtigste Bestandteil des [[Erde#Globaler Energiehaushalt|Energiehaushalts der Erde]]. Über den Teilbereich der [[Strahlungsbilanz]] werden die verschiedenen Haushaltsgrößen in einer Gleichung rechnerisch bilanziert, während sie der Strahlungshaushalt darüber hinaus auch beschreibt und in ihren Wechselbeziehungen darstellt.

== Strahlungsbilanz ==
[[Datei:Sun climate system alternative (German) 2008.svg|miniatur|hochkant=2|Beispiel einer Modellrechnung von 2009 zur mittleren jährlichen [[Strahlungsbilanz]] der Erde für den Zeitraum von März 2000 bis Mai 2004. Die Berechnungen wurden erstellt teils aufgrund von Satellitendaten ([[Clouds and the Earth’s Radiant Energy System|CERES]]) und teils aufgrund von Annahmen ([[Hypothese]]n). Die Breite der breiten Pfeile deutet die Proportionen des Energieflusses an.<ref>{{Literatur |Autor=[[Kevin Trenberth|Kevin E. Trenberth]], John T. Fasullo, Jeffrey Kiehl |Titel=Earth's Global Energy Budget |Sammelwerk=[[Bulletin of the American Meteorological Society]] |Band=90 |Nummer=3 |Datum=2009 |Seiten=311–324 |DOI=10.1175/2008BAMS2634.1}}, Fig. 1, S. 314.</ref> Eine spätere Modellrechnung von 2013 ergab einen Energieüberschuss von 0,6 W/m², mit einem Unsicherheitsbereich von 0,2 bis 1,0 W/m².<ref name="DOI10.1007/s00382-012-1569-8">Martin Wild, Doris Folini, Christoph Schär, Norman Loeb, Ellsworth G. Dutton, Gert König-Langlo: ''The global energy balance from a surface perspective.'' In: ''Climate Dynamics.'' 40, 2013, S.&nbsp;3107, {{DOI|10.1007/s00382-012-1569-8}}, Fig. 1, S. 3108, [https://doc.rero.ch/record/321020/files/382_2012_Article_1569.pdf PDF].</ref>]]

Die einfallende [[Sonnenstrahlung]] ist (überwiegend) kurzwellig, deshalb wird diese Formel auch als ''kurzwellige Strahlungsbilanz'' (<math>Q_{\mathrm k}</math>) bezeichnet:

:<math>Q_{\mathrm k} = G - R = D + H - R = (1 - a) G</math>

mit

* <math>G</math> = [[Globalstrahlung]]
* <math>D</math> = [[direkte Strahlung]]
* <math>H</math> = [[diffuse Strahlung]] (Himmelsstrahlung)
* <math>R</math> = [[Reflexstrahlung|reflektierte Strahlung]] (Einfluss [[Ozonschicht]] etc.)
* <math>a</math> = [[Albedo]]

Die [[Erdoberfläche]] emittiert [[Wärmestrahlung]] ([[infrarot]]). Da diese Strahlung langwellig ist, wird diese Formel auch als ''langwellige Strahlungsbilanz'' (<math>Q_{\mathrm l}</math>) bezeichnet:

:<math>Q_{\mathrm l} = A_{\mathrm E} = A_{\mathrm O} - A_{\mathrm G}</math>

mit

* <math>A_{\mathrm E}</math> = effektive [[Ausstrahlung (Atmosphäre)|Ausstrahlung]]
* <math>A_{\mathrm O}</math> = Ausstrahlung der Erdoberfläche (terrestrische Strahlung)
* <math>A_{\mathrm G}</math> = [[Atmosphärische Gegenstrahlung|Gegenstrahlung]] (Einfluss von [[Atmosphärengase]]n, [[Aerosol]]en und [[Wolke]]n)

Aus den beiden Formeln für die Strahlungsaufnahme und die Strahlungsabgabe, also für Gewinn und Verlust, lässt sich nun ermitteln, wie viel insgesamt zur Verfügung steht (''gesamte Strahlungsbilanz'' (<math>Q</math>), [[Nettostrahlung]]):

:<math>Q = Q_{\mathrm k} - Q_{\mathrm l} = G - R - A_{\mathrm E}</math>

{| class="wikitable"
|Einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung<ref>J. Lean, P. Pilewskie, T. Woods, V. George: ''[https://eospso.gsfc.nasa.gov/sites/default/files/eo_pdfs/Nov_Dec06.pdf SORCE Has 4th Annual Science Team Meeting.]'' (PDF; 7,6&nbsp;MB). In: ''The Earth Observer.'' November–Dezember 2006. Volume 18, Issue 6. Graphik auf S.&nbsp;38.</ref>
| +342 [[Watt (Einheit)|Watt]] pro m<sup>2</sup>
|-
|Reflektierte Sonnenstrahlung
| −107 Watt pro m<sup>2</sup>
|-
|Emittierte [[Schwarzer Körper|langwellige Strahlung]]
| −235 Watt pro m<sup>2</sup>
|-
|Saldo (effektiver [[Energie]]-„Input“)
| = ±0 Watt pro m<sup>2</sup>
|}

== Wert der globalen Strahlungsbilanz ==
Die effektive Energiebilanz ist nahezu Null, weil sie sich langfristig auf einem Wert einpendeln muss, soweit die astrophysikalischen Rahmenbedingungen stabil sind ([[Erster Hauptsatz der Thermodynamik]] über abgeschlossene Systeme), und daher ein –&nbsp;in geologischem Maßstab&nbsp;– weitgehend stabiles Klima zur Folge hat (globale Durchschnittstemperatur). Dass sie nicht genau Null ist, ist von wesentlicher Bedeutung für den [[Klimawandel]] im Allgemeinen und speziell für die [[globale Erwärmung]] der Jetztzeit.

Die mittlere Flächenleistungsdichte der [[Solarkonstante#Weitere Fakten|gesamten oberhalb der Atmosphäre auf die Erde einfallenden Sonnenstrahlung]] beträgt ca. 341,3&nbsp;W/m². Dieser Wert errechnet sich aus der [[Solarkonstante]], die im zeitlichen Mittel ca. 1367&nbsp;W/m² beträgt, und berücksichtigt zusätzlich, dass die Oberfläche der Erde wegen ihrer Kugelform und Rotation rechnerisch nur zu 1/4 (bspw.eines Tages oder Jahres) der vollen, senkrecht auftreffenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist.

== Strahlungshaushalt ==
Die auf die Atmosphäre der Erde auftreffende [[Sonnenstrahlung]] wird durch [[Treibhausgas]]e (hier insbesondere Ozon) in der Stratosphäre, durch Wolkendecken und Luftsauerstoff ([[Rayleigh-Streuung]]) sowie den Boden (hier vor allem von Schnee und Wasser) zu 30 % (101,9&nbsp;W/m²) unmittelbar in den Weltraum reflektiert, was einer [[Albedo]] von 0,30 entspricht. Die verbleibenden 239,4&nbsp;W/m² werden auf verschiedene Arten absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre und 50 % von der Erdoberfläche, wo sie in Wärme umgewandelt werden. Diese Wärme wird entsprechend den Regeln der [[Wärmeleitung]] durch [[Wärmestrahlung]] und [[Konvektion]] wieder an die Lufthülle abgegeben. Würde diese Energie ungehindert in den Weltraum abgestrahlt, läge die mittlere Temperatur der Erdoberfläche rechnerisch bei −18&nbsp;°C, während sie Schätzungen zufolge tatsächlich ca. +14,8&nbsp;°C beträgt.<ref>{{cite journal |author=[[Veerabhadran Ramanathan]] u. a. |year=1989 |title=Cloud-Radiative Forcing and Climate: Results from the Earth Radiation Budget Experiment |journal=Science |volume=243 |pages=57–63 |doi=10.1126/science.243.4887.57 |pmid=17780422 |issue=4887 |bibcode=1989Sci...243...57R}}</ref>

Die Differenz von 32,8&nbsp;°C erklärt vor allem der [[Treibhauseffekt]]. Die sogenannten [[Treibhausgas]]e in der Atmosphäre (vor allem [[Wasserdampf]] und [[Kohlendioxid]]) absorbieren die ausgehende langwellige Wärmestrahlung der Erde und reemittieren sie in alle Richtungen, auch in Richtung der Erdoberfläche. Dadurch gelangt nur ein Teil der von der Erdoberfläche abgestrahlten Strahlungsenergie unmittelbar zurück in den Weltraum, sodass die Rückstrahlung aus der Atmosphäre die Abkühlung der Erdoberfläche abschwächt.

Diese Zahlen gelten nur für die Erde als Ganzes. Lokal und regional hängen die Verhältnisse von zahlreichen Faktoren ab:
* von der [[Albedo]] der Erdoberfläche – (beispielsweise Schnee 40–90 %, Wüste 20–45 %, Wald 5–20 %)
* vom oben erwähnten [[Einfallswinkel]] der Sonnenstrahlen und der Dauer ihrer Einwirkung
* von Bewölkung und [[Luftfeuchtigkeit]]
* vom Wärmetransport durch [[Wind]], von Luftschichtungen, Meeresströmungen usw.
* von der Nähe zum Wasser
* von Exposition und Höhe (negativer Temperaturgradient in [[Troposphäre]])

Teilweise sind diese Faktoren modellierbar, doch gilt dies nicht für alle Faktoren, wie zum Beispiel Staueffekte an [[Gebirge]]n oder unregelmäßige Bewegung von [[Tiefdruckgebiet]]en. Für gute [[Vorhersage]]n benötigt die [[Meteorologie]] außer enormer Rechenleistung auch ein weltweit dichtes Raster von [[Messwert]]en über alle Luftschichten, was in der Praxis an Grenzen stößt.

== Siehe auch ==
* [[Globale Verdunkelung]]

== Weblinks ==
* [https://www.nasa.gov/centers/langley/news/factsheets/ERBE.html The Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)]
* [https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Strahlungshaushalt_der_Atmosph%c3%a4re Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Solarstrahlung]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]