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Strahlungshaushalt der Erde einfach erklärt
Der Strahlungshaushalt beschreibt, wie viel Energie das System Erde–Atmosphäre von der Sonne aufnimmt und wie viel es wieder an den Weltraum abgibt. Ein dauerhafter Energieüberschuss führt zur Erwärmung, ein dauerhaftes Defizit zur Abkühlung.
Auf dem Weg durch das Klimasystem wird Energie reflektiert, absorbiert, als Wärmestrahlung abgegeben und zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre ausgetauscht.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was wird beim Strahlungshaushalt bilanziert?
Eine Bilanz stellt Eingang und Ausgang eines Systems gegenüber. Beim globalen Strahlungshaushalt ist der betrachtete Raum das gesamte System aus Erde und Atmosphäre.
- Eingang: kurzwellige Sonnenstrahlung
- Ausgang: reflektierte Sonnenstrahlung und langwellige Wärmestrahlung
Im langjährigen globalen Mittel sind Eingang und Ausgang näherungsweise gleich. Das bedeutet nicht, dass überall und zu jeder Zeit gleich viel Energie ein- und ausgeht. Tag und Nacht, Jahreszeiten, Wolken und unterschiedliche Oberflächen verursachen räumliche und zeitliche Unterschiede.
Ein Strahlungsgleichgewicht bedeutet: Im Mittel verlässt ungefähr so viel Energie das System Erde–Atmosphäre, wie zuvor aufgenommen wurde.
Warum kommen im globalen Mittel nur etwa 340 W/m² an?
An der Obergrenze der Atmosphäre trifft eine senkrecht zur Sonnenstrahlung ausgerichtete Fläche auf etwa 1367 bis 1368 W/m². Dieser Wert heißt Solarkonstante.
Die Erde ist jedoch eine Kugel. Sie fängt Sonnenstrahlung mit ihrer kreisförmigen Querschnittsfläche auf, verteilt die Energie aber über ihre gesamte Oberfläche. Außerdem liegt stets eine Erdhalbkugel im Dunkeln.
Das Verhältnis der auffangenden Kreisfläche zur gesamten Kugeloberfläche beträgt:
$$\frac{\pi R^2}{4\pi R^2}=\frac14$$
Daher ergibt sich für das globale und zeitliche Mittel:
$$1368 / 4 = 342$$
Das sind gerundet etwa 340 bis 342 W/m². Verschiedene Darstellungen runden diesen Wert unterschiedlich.
Ein Modell verwendet eine Solarkonstante von 1368 W/m². Für das globale Mittel teilst du durch vier:
$1368 / 4 = 342$
Die Erde erhält in diesem Modell global gemittelt 342 W/m². Die Viertelung entsteht durch die Geometrie der Kugel und die Nachtseite, nicht durch einen Energieverlust in der Atmosphäre.
Was geschieht mit der kurzwelligen Sonnenstrahlung?
Die Sonne ist viel heißer als die Erde und sendet ihre Energie überwiegend als kurzwellige Strahlung aus. Dazu gehören ultraviolette Strahlung, sichtbares Licht und kurzwellige Infrarotstrahlung.
Trifft Sonnenstrahlung auf Atmosphäre, Wolken oder Erdoberfläche, sind zwei Vorgänge besonders wichtig:
Reflexion
Bei der Reflexion wird Strahlung zurückgeworfen. Sie erwärmt das reflektierende Material dabei nicht unmittelbar.
Absorption
Bei der Absorption nimmt ein Stoff Strahlungsenergie auf. Dadurch kann er sich erwärmen und später selbst Energie abgeben.
Die Albedo gibt an, welcher Anteil der einfallenden Strahlung reflektiert wird. Eine Albedo von 0,30 beziehungsweise 30 Prozent bedeutet: Von 100 einfallenden Einheiten werden 30 reflektiert.
Das vereinfachte 100-Einheiten-Modell
Das Modell setzt die einfallende Sonnenenergie gleich 100 Einheiten:
- 30 Einheiten werden reflektiert oder gestreut.
- 70 Einheiten werden vom System Erde–Atmosphäre absorbiert.
- Von diesen 70 Einheiten nimmt die Atmosphäre 20 auf.
- Die Erdoberfläche nimmt 50 auf.
Die Bilanz lautet:
$$100 = 30 + 20 + 50$$
Die 100 Einheiten sind relative Anteile und keine Angabe in W/m². Du darfst sie nicht wie Messwerte mit einem anderen W/m²-Modell verrechnen.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Im 100-Einheiten-Modell treffen Einheiten ein. Davon werden reflektiert und insgesamt absorbiert. Die Atmosphäre absorbiert , die Erdoberfläche Einheiten.
Wie entsteht der natürliche Treibhauseffekt?
Die erwärmte Erdoberfläche sendet Energie als überwiegend langwellige Infrarotstrahlung aus. Diese wird auch terrestrische Ausstrahlung oder Wärmestrahlung genannt. Sie wird am Tag und in der Nacht abgegeben.
Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Wolken und weitere Bestandteile der Atmosphäre absorbieren einen großen Teil dieser langwelligen Strahlung. Die Atmosphäre gibt die aufgenommene Energie anschließend als Strahlung in alle Richtungen ab:
- Ein Teil gelangt in den Weltraum.
- Ein Teil erreicht als atmosphärische Gegenstrahlung wieder die Erdoberfläche.
Dieser Austausch ist der Kern des natürlichen Treibhauseffekts. Ein kleinerer Anteil der Wärmestrahlung kann durch einen durchlässigeren Wellenlängenbereich, das atmosphärische Fenster, direkt in den Weltraum gelangen.
Kurzwellige Sonnenstrahlung erwärmt das System. Die erwärmte Erde strahlt langwellig. Die Atmosphäre absorbiert einen großen Teil dieser Wärmestrahlung und emittiert sie in alle Richtungen.
Ohne den natürlichen Treibhauseffekt läge die globale Jahresmitteltemperatur bei ungefähr −18 °C. Mit ihm beträgt sie ungefähr +15 °C. Die Differenz liegt bei etwa 33 °C.
Der anthropogene Treibhauseffekt ist kein völlig anderer Vorgang. Menschliche Aktivitäten verstärken den natürlichen Mechanismus, indem sie die Zusammensetzung der Atmosphäre verändern.
Nicht mit dem Ozonabbau verwechseln
Ozon kann einen Teil der Sonnenstrahlung absorbieren. Der hier erklärte Treibhauseffekt beruht dagegen vor allem auf der Absorption und Emission langwelliger Wärmestrahlung. Der Abbau von Ozon und die Verstärkung des Treibhauseffekts sind deshalb nicht derselbe Vorgang.
Wie wird die Energiebilanz der Erdoberfläche vollständig?
An der Erdoberfläche wirkt nicht nur Strahlung. Ein detailliertes globales Modell nennt folgende Energiezufuhr:
- 160 W/m² absorbierte Sonnenstrahlung
- 342 W/m² atmosphärische Gegenstrahlung
Zusammen erhält die Oberfläche:
$$160 + 342 = 502$$
Das sind 502 W/m². Als langwellige Strahlung gibt sie 398 W/m² ab. Eine reine Strahlungsrechnung ergäbe:
$$502 - 398 = 104$$
Es bliebe ein Überschuss von 104 W/m². Die Oberfläche gibt jedoch zusätzlich Energie ohne Strahlung an die Atmosphäre ab:
- etwa 82 W/m² als latente Wärme: Energie wird bei der Verdunstung aufgenommen und bei der Kondensation wieder frei;
- etwa 21 W/m² als sensible Wärme: Warme Luft steigt auf und transportiert Energie durch Konvektion.
Zusammen sind das 103 W/m². Die Abweichung zu 104 W/m² entsteht durch die Rundung der einzelnen globalen Mittelwerte.
So prüfst du die Oberflächenbilanz:
- Addiere alle Energiezuflüsse: $160 + 342 = 502$ W/m².
- Ziehe die langwellige Ausstrahlung ab: $502 - 398 = 104$ W/m².
- Berücksichtige Verdunstung und Konvektion: $82 + 21 = 103$ W/m².
- Deute die Differenz von 1 W/m² als Rundungsabweichung des Modells, nicht als exakt bestimmten Restfluss.
Ein anderes berichtetes Modell stellt an der Atmosphärenobergrenze 340 W/m² Einstrahlung einem Ausgang von 339 W/m² gegenüber. Die Differenz von 1 W/m² beschreibt dort ein positives Energieungleichgewicht. Diese zusätzliche Energie wird hauptsächlich vom Ozean aufgenommen; ein weiterer Anteil erwärmt vor allem die untere Atmosphäre.
Die Zahlen sind globale, gerundete Mittelwerte. Werte aus verschiedenen Modellen, Zeiträumen oder Darstellungen dürfen nicht zu einer neuen scheinbar exakten Bilanz zusammengesetzt werden.
Wie analysierst du ein Energiefluss-Schema?
Bei einem unbekannten Schema gehst du in vier Schritten vor:
- Systemgrenze bestimmen: Betrachtest du die Erdoberfläche oder das gesamte System Erde–Atmosphäre?
- Richtung lesen: Zeigt der Pfeil hinein, hinaus oder zwischen Oberfläche und Atmosphäre?
- Transportart bestimmen: Handelt es sich um Strahlung, Verdunstung oder Konvektion?
- Strahlung genauer benennen: Unterscheide Einstrahlung, Reflexion, Absorption und Emission.
Ein Pfeil führt von der Erdoberfläche zur Atmosphäre und beschreibt aufsteigende warme Luft. Das ist Konvektion, keine Strahlung.
Ein anderer Pfeil führt als langwellige Strahlung von der Atmosphäre zurück zur Erdoberfläche. Das ist Emission der Atmosphäre und aus Sicht der Oberfläche atmosphärische Gegenstrahlung.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Strahlungshaushalt
- Eingang: kurzwellige Sonnenstrahlung
- Verteilung: Reflexion und Absorption
- Albedo: Anteil der Reflexion
- Erdoberfläche: langwellige Wärmestrahlung
- Atmosphäre: Absorption und Emission
- Gegenstrahlung: Energie zurück zur Oberfläche
- Weitere Flüsse: Verdunstung und Konvektion
- Ergebnis: Gleichgewicht oder Energieungleichgewicht
Prüfe bei jeder Bilanz zuerst die Systemgrenze und die Einheit. Relative Einheiten, W/m²-Werte und Zahlen aus verschiedenen Modellen gehören nicht automatisch in dieselbe Rechnung.
Abschluss-Check
Wenn du die drei Fragen Welche Systemgrenze? Welche Richtung? Welcher Vorgang? sicher beantwortest, kannst du auch neue Darstellungen des Strahlungshaushalts fachlich prüfen.