KB2-4: Veranschaulichung des 1/r**2 Gesetzes (aus BRIGGS, 1994)
Physikalische Grundlagen |
Strahlungshaushalt |
Strahlungshaushalt der Erde
Alle Prozesse, die auf der Erdoberfläche ablaufen, gewinnen die dafür notwendige Energie aus der Strahlungsenergie von der Sonne. Die Unterschiede im Ablaufen der Prozesse kommen u.a. dadurch zustande, daß unterschiedliche Orte zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedlich viel Strahlungsenergie erhalten. Folgende Faktoren spielen dabei eine Rolle:
In einer mittleren Distanz von 150 Millionen Kilometer (Distanz Sonne-Erde) erreichen von der abgestrahlten Sonnenenergie noch 1370 W/m² die Erde. Diese Größe nennt man die Solarkonstante. Sie ist keine Konstante im eigentlichen Sinn, sondern verändert sich leicht (2-3%) durch unterschiedliche Sonnenaktivitäten (Flecken, Eruptionen).
Die Sonneneinstrahlung ist eine Funktion der Distanz Sonne-Erde. Dabei gilt das 1/r² Gesetz:
KB2-4: Veranschaulichung des 1/r**2 Gesetzes (aus BRIGGS,
1994)
Da die Erde sich nicht auf einer perfekten Kreisbahn um die Sonne bewegt (es ist eher eine Ellipse) hat sie im Perihel eine kleinere Distanz zur Sonne als im Aphel. Dies verändert die Intensität der Sonneneinstrahlung im Laufe des Jahres um 8%:
- im Sommer: - 4%
- im Winter: + 4%
Die mittlere Solarkonstante gilt bei senkrechtem Einfall der Sonnenstrahlen (Zenit) an der Obergrenze der Atmosphäre. Steht die Erdoberfläche schräg zur Sonne verteilt sich die Sonneneinstrahlung auf eine größere Fläche. Dies hat zur Folge, daß die Strahlungsintensität geringer wird. Dies wird beschrieben durch das cos-Gesetz:
Für den cos gilt: cos(0) = 1; cos(90) = 0; Zwischenwert aus dem Taschenrechner!
KB2-5: Das cos-Gesetz, klar ist zu sehen, daß sich die
durch einen Quadratmeter hindurchtretende Sonnenstrahlung bei schrägem Einfall auf eine
größere Fläche verteilt (aus BRIGGS,1994)
Die Erdatmosphäre verändert die Intensität der Sonnenstrahlung durch drei Prozesse:
Drehung der Erde um ihre Achse
Die Erde dreht sich in etwa 24 Stunden einmal um ihre eigene Achse. Damit durchläuft jeder Punkt auf der Erdoberfläche täglich einen Zyklus von sich verändernder Strahlungsintensität von der Sonne, da diese ihre Position zur Erde nicht verändert.
Nach dem cos-Gesetz ist die Intensität der Einstrahlung abhängig vom Einfallswinkel. Zwei Winkel sind wichtig:
Die Veränderung der Intensität der Sonneneinstrahlung kann in der folgenden Bildsequenz von METEOSAT-Bildern verfolgt werden:
KA2-1: Veränderung der Beleuchtung der Erdkugel innerhalb eines Jahres
Ausrichtung der Erdachse und Drehung der Erde um die Sonne
Die Erde bewegt sich in etwa 365 Tagen auf einer Ellipsenbahn einmal um die Sonne. Die abgestrahlte Sonnenenergie ist (glücklicherweise!) in alle Richtungen gleich. Die Drehachse der Erde um sich selbst steht nicht senkrecht auf der Ebene, die die Ellipse der Drehung der Erde um die Sonne bildet. Sie ist (z.Zt.) um 23.5 Grad gegen diese Ebene geneigt. Dies erzeugt die folgende Geometrie:
KG2-6:
Beleuchtungsverhältnisse während Solstitien und Äquinoktien
Die Folgen sind, daß zu unterschiedlichen Stadien des Umlaufs unterschiedliche Teile der Erde beleuchtet werden. Dies führt zu den Jahreszeiten. Bis jetzt waren alles nur theoretische Überlegungen, stimmen sie auch? Die Gegenüberstellung von vier METEOSAT-Bilder am 21.7.1997, 21.9.1997, 21.12.1997 und 21.3.1998 jeweils 12:00 Uhr zeigt es. Im (Nord-)Sommer ist der Nordpol der Sonne zugeneigt als beleuchtet, im (Nord-)Winter ist der Nordpol der Sonne abgeneigt also dunkel. Zu den Äquinoktien (Tage- und Nachtgleiche) ist der Nordpol nach links bzw. rechts von der Sonne geneigt.
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