Einführung in die Klimatologie
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Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 2. Strahlung
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Einführung in die Klimatologie. Prof. Dr. Otto Klemm. 2. Strahlung. Einstrahlung durch die Sonne. Sonne. Die Sonneneinstrahlung ist eine Funktion der Distanz Sonne-Erde. Dabei nimmt die Einstrahlung (pro Flächeneinheit) mit dem Quadrat des Abstandes zur Sonne ab. - PowerPoint PPT Presentation
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Einführung in die
KlimatologieProf. Dr. Otto Klemm
2. Strahlung
Einstrahlung durch die Sonne
Die Sonneneinstrahlung ist eine Funktion der Distanz Sonne-Erde. Dabei nimmt die Einstrahlung (pro Flächeneinheit) mit dem Quadrat des Abstandes zur Sonne ab.
Sonne
Quelle: Briggs, 1994, Mauser, 2001
Die mittlere Sonneneinstrahlung außerhalb der Atmosphäre ist bei senkrechtem Einfall der Strahlung (Zenitwinkel = 0):
I0 = 1370 W m-2
Quelle: Briggs, 1994, Mauser, 2001
Einstrahlung durch die Sonne
Die von einer Fläche empfangene Strahlung I ist abhängig vom Zenitwinkel :
I = I0 · cos
Wellenlängen
fig. from NASA ESE 2 (2000)
UV-Strahlung: 100—280 nm UV-C; 280—315 nm UV-B; 315—380 nm UV-A
sichtbares Licht:
380—440 nm violet; 440—492 nm blau; 492—571 nm grün; 571—586 nm gelb;
586—610 nm orange; 610—780 nm rot
Infrarot (“Wärmestrahlung”): 1--100 µm
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Bλ λ
1Tλk
hcexp
hcπ2E
Planck
Das Plancksche Strahlungsgesetz beschreibt, wieviel Energie pro
Wellenlängeneinheit ein schwarzer Körper einer gegebenen Temperatur durch
Strahlung in den Halbraum abgibt:
c Lichtgeschwindigkeit: 2.9979 108 m s-1
h Plancksches Wirkungsquantum; 6.626 10-34 J s-1
k Boltzmann Konstante; 1.381 10-23 J K-1
E B spectrale Strahlflussdichte eines schwarzen Körpers
5
2
1Bλ λ
1Tλ
cexp
cE
oder vereinfacht:
Quelle: Kraus, 2000
Spektrum von Sonne und Erde
Ergebnis aus dem
Planckschen
Strahlungsgesetz:
Quelle: Ahrens, 2000
Spektrum von Sonne und Erde
spektrale Strahlflussdichte
- der Sonne (links) bei ca. 6000 K
- der Erde (rechts) bei 288 K
(Erdoberfläche) bzw. 255 K
(Oberkante Atmosphäre)
Das solare Spektrum liegt
zwischen 0.2 µm 4 µm;
das Spektrum der Erde liegt
zwischen 4 µm 50 µm.
Das solare Spektrum wird
„kurzwellig“ genannt,
das Erd-Spektrum „langwellig“
(Grenze bei ca. = 3.5 µm)
Quelle: VDI 3789 Blatt 2
Spektrum von Sonne und Erde
obwohl die Schwarzkörperstrahlung der (heißen) Sonne bei allen Wellenlängen
höher ist als die Schwarzkörperstrahlung der Erde, ist an der „Oberfläche“ der
Erdatmosphäre auf Grund des Abstandes zur Sonne die Strahlintensität der
Erde größer als die der einfallenden Sonnenstrahlung:
Stefan - Boltzmann
Um den gesamten Strahlungsfluss EB (in Einheit W m-2) eines Körpers zu
erhalten, integriert man über alle Wellenlängen:
λdEE0
BλB
4B TσE
Die „Schwarzkörperstrahlung“ EB ist eine Funktion nur der Temperatur und
kann folgendermaßen beschrieben werden:
Hier ist die Stefan-Boltzmann - Konstante mit = 5.67 10-8 W m-2 K-4.
Kirchhoff
Nicht jeder Körper ist schwarz. Die Emissivität nicht-schwarzer („grauer“)
Körper ist kleiner als die entsprechende Schwarzkörperstrahlung, wobei die
Abweichung von den Schwarzkörpereigenschaften eine Funktion der
Wellenlänge des Lichts ist.
B,EεE
Die Emissivität eines Körpers ist gleich seinem Absorptionsvermögen
bei gleicher Wellenlänge: =
Allerdings kann bei Absorption / Emission eine Wellenlängenverschiebung
gemäß Stefan-Boltzmann stattfinden. Nimmt ein Körper mehr Strahlung auf
als er abgibt, erhöht sich seine innere Energie.
All dies gilt auch für Gase.
Kirchhoff
Absorption solarer Strahlung
Atmosphärische Gase absorbieren
die solare Strahlung zum Teil.
Ozon wirkt besonders stark in der
Stratosphäre („Chapman-Cycle“):
Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998
Absorption solarer Strahlung
Quelle: Häckel, 1999
Absorption der Ausstrahlung der Erde
aus Kraus, 2000, verändert
Beispiel eines vom Satelliten aus beobachteten Emissionsspektrums der Erde
„atmosphärische Fenster“: 8 µm 9 µm; 10 µm 12 µm
Wellenlänge / µm
Reflexion kurzwelliger Strahlung
Ein Teil der ankommenden Strahlung wird reflektiert.
Das Verhältnis der reflektierten zu eintreffenden Strahlung nennt man Albedo r
Die Albedo wird meist für den solaren Anteil der Strahlung gemessen:
K
K r
r: Albedo der kurzwelligen Strahlung (ca: 4 µm)
K: einfallende kurzwellige Strahlung
K: reflektierte kurzwellige Strahlung
besonders bei Wasseroberflächen
ist die Albedo abhängig vom
Einfallswinkel.
die planetare Albedo der
Atmosphäre ist ca. 30 %
Oberfläche Albedo r
frischer Schnee 0.95
graues Eis 0.60
Boden 0.06 ... 0.25
dicke Wolken 0.70 ... 0.95
dünne Wolken 0.20 … 0.65
städtisches Mittel 0.15
Getreide 0.2
Wald 0.05 .. 0.25
Gras 0.25
tiefes Wasser, hochstehende Sonne
0.05 .. 0.20
tiefes Wasser, tiefstehende Sonne
ca. 0.8
aus Häckel, 1999)
Reflexion kurzwelliger Strahlung
Regimes der Lichtstreuung
Abhängig vom Verhältnis der Größe des Moleküls oder Partikels zur Wellenlänge des Lichts gibt es 3 Regimes:
D « Rayleigh – Streuung, in der Atmosphäre relevant
für Gase und Partikel mit D < 0.03 µm
D Mie – Streuung, für sehr viele Partikel von Relevanz
D » geometrische Streuung, D > 10 µm
Quelle: Finlayson-Pitts und Pitts, 2000
• Rayleigh-Streuung ist proportional zu -4.
Dies führt dazu, dass die kürzeren
Wellenlängen (blau) wesentlich intensiver
gestreut werden als längere (rot).
• Rayleigh-Streuung ist vorwärts / rückwärts
symmetrisch.
• Rayleigh-Streuung führt dazu, dass Licht,
das eine partikelgeladene Atmosphäre
passiert, rötlich erscheint: Der
kurzwelligere blaue Anteil wird effektiver
herausgestreut als der langwelligere rote
Anteil.
Rayleigh-Streuung
Frage: Wann und warum erscheint der Himmel blau?
Mie
E. Schaller, http://alice.luft.tu-cottbus.de
Die durch-
schnittliche
Einstrahlung
beträgt ca.
342 W m-2
Der natürliche
Treibhauseffekt
beträgt 33 K
globale Strahlungsbilanz - Treibhauseffekt
+ 19 - 51 + 32
E H
342 W m-2
%
optische Phänomene .....können hier nicht behandelt werden
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LichtbeugungFata MorganaRegenbogen
Halo...
Die Erde erhält von der Sonne Energie in Form von Strahlung.
Diese Strahlung ist zeitlich variabel und verteilt sich nicht gleichmäßig auf dem Globus.
Gleichzeitig emittiert die Erde Strahlung mit der jeweiligen Temperatur der Oberfläche.
Diese Emission ist in den Tropen am größten und an den Polen am geringsten. Die Tropen sind Gebiete mit positiver Strahlungsbilanz, sie erhalten mehr Strahlung als sie emittieren. Die Pole sind Gebiete mit negativer Strahlungsbilanz, sie geben mehr Strahlung in den Weltraum ab, als sie erhalten.
Die Pole müssen also, damit sie nicht immer kälter werden, von den Tropen Energie bekommen. Wie kommt die Energie also von den Tropen zu den Polen?
Folgerungen für das globale Klima
nach: Mauser, 2001
