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Strahlungshaushalt der Erde einfach erklärt
Der Strahlungshaushalt der Erde beschreibt, wie Energie von der Sonne eintrifft, reflektiert oder aufgenommen und schließlich wieder in den Weltraum abgegeben wird. Nimmt das System Erde–Atmosphäre mehr Energie auf, als es abgibt, erwärmt es sich. Bei einem Defizit kühlt es ab.
Auf dieser Seite verfolgst du die wichtigsten Energieflüsse, berechnest eine vereinfachte Bilanz und erkennst, warum Atmosphäre, Treibhauseffekt und globale Mittelwerte richtig eingeordnet werden müssen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Von der Sonne bis zurück ins Weltall
Die Sonne ist der einzige nennenswerte Energieeintrag in das thermische System Erde. Sie sendet überwiegend kurzwellige Strahlung aus. Dazu gehören ultraviolette Strahlung, sichtbares Licht und ein Teil der Infrarotstrahlung.
Die viel kühlere Erde gibt die aufgenommene Energie überwiegend als langwellige Wärmestrahlung im Infrarotbereich ab. Diese von der Erde ausgehende Strahlung heißt auch terrestrische Strahlung.
Strahlungsbilanz und Strahlungshaushalt
Die Strahlungsbilanz ist die rechnerische Gegenüberstellung ein- und ausgehender Strahlung. Der Strahlungshaushalt umfasst zusätzlich die beteiligten Energieflüsse und ihre Wechselwirkungen.
Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts von etwa −273 °C gibt Strahlung ab. Mit steigender Temperatur nimmt seine Strahlungsleistung überproportional zu. Außerdem reicht das Spektrum heißerer Körper weiter in den kurzwelligen Bereich. Deshalb strahlen sowohl Sonne als auch Erde, aber mit unterschiedlichen Schwerpunkten.
Ein warmer Stein leuchtet für dein Auge nicht. Trotzdem gibt er unsichtbare Infrarotstrahlung ab. Dieses Beispiel zeigt: Strahlungsenergie muss nicht sichtbar sein.
Kurzwellige Sonnenstrahlung bringt Energie zur Erde. Die erwärmte Erde gibt Energie überwiegend als langwellige Infrarotstrahlung ab.
Warum global nur etwa ein Viertel ankommt
Die Solarkonstante gibt die Strahlungsleistung auf einer senkrecht zur Sonnenstrahlung stehenden Fläche oberhalb der Atmosphäre an. In den vorliegenden Modellen liegt sie bei ungefähr 1367 bis 1368 W/m².
Dieser Wert gilt nicht als Mittelwert für die gesamte Erdoberfläche. Die Erde fängt Sonnenstrahlung mit ihrer kreisförmigen Querschnittsfläche auf, verteilt die Energie aber über ihre viermal so große Kugeloberfläche. Außerdem liegt stets eine Erdseite im Dunkeln.
$$1367 : 4 = 341{,}75$$
Je nach Rundung und Modell wird die globale mittlere Einstrahlung deshalb mit etwa 340 bis 341 W/m² angegeben.
Albedo
Die Albedo ist der Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung, der reflektiert wird. Eine Albedo von 0,30 bedeutet: 30 % werden zurückgeworfen und 70 % aufgenommen.
Vollständiges Rechenbeispiel
In einem vereinfachten Modell treffen global gemittelt 340 W/m² ein. Davon werden 30 % reflektiert.
- Reflektierte Strahlung:
$$0{,}30 · 340 = 102$$
Es werden 102 W/m² reflektiert.
- Absorbierte Strahlung:
$$0{,}70 · 340 = 238$$
Das System nimmt 238 W/m² auf. Im Gleichgewicht muss es im Mittel auch 238 W/m² an den Weltraum abgeben.
Die Werte sind globale und zeitliche Mittelwerte. Sie beschreiben nicht die momentane Einstrahlung an einem bestimmten Ort.
Was die Atmosphäre mit Wärmestrahlung macht
Die Atmosphäre ist für einen großen Teil der kurzwelligen Sonnenstrahlung durchlässig. Wolken, Teilchen und die Erdoberfläche reflektieren jedoch einen Teil. Andere Anteile werden bereits in der Atmosphäre oder an der Oberfläche absorbiert.
Die erwärmte Oberfläche sendet langwellige Wärmestrahlung aus. Treibhausgase und Wolken absorbieren einen großen Teil davon und emittieren, also senden, ihrerseits Strahlung in alle Richtungen aus:
- nach oben in Richtung Weltraum;
- nach unten als atmosphärische Gegenstrahlung zur Erdoberfläche.
Dieser Vorgang ist keine bloße Reflexion. Die Atmosphäre nimmt Strahlungsenergie auf und gibt anschließend selbst Strahlung ab.
Natürlicher Treibhauseffekt
Der natürliche Treibhauseffekt entsteht, weil Bestandteile der Atmosphäre langwellige Wärmestrahlung absorbieren und wieder emittieren. Die Gegenstrahlung verringert die Abkühlung der Oberfläche.
Ohne diese atmosphärische Rückwirkung läge die berechnete globale Mitteltemperatur bei ungefähr −18 °C. Mit dem natürlichen Treibhauseffekt beträgt sie etwa 15 °C. Die Differenz liegt bei rund 33 °C.
Ein kleiner Teil der Wärmestrahlung kann durch das atmosphärische Fenster unmittelbar entweichen. Damit ist ein Wellenlängenbereich um etwa 10 µm gemeint, in dem die Atmosphäre nahezu vollständig durchlässig ist.
Steigt die Konzentration von Treibhausgasen wie CO₂, verändert sich, welcher Anteil der langwelligen Strahlung absorbiert und reemittiert wird. Das verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt. Dieser zusätzliche Einfluss wird anthropogener Treibhauseffekt genannt.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Die Sonne liefert überwiegend Strahlung. Die Erdoberfläche sendet überwiegend Wärmestrahlung aus. Treibhausgase einen Teil dieser Wärmestrahlung.
Warum die Oberflächenbilanz mehr als Strahlung enthält
Eine quantitative Modellbilanz teilt die global gemittelten 340 W/m² so auf:
- 100 W/m² werden reflektiert;
- 80 W/m² werden in der Atmosphäre absorbiert;
- 160 W/m² werden von der Erdoberfläche absorbiert.
Die Bilanz schließt:
$$340 = 100 + 80 + 160$$
Die Oberfläche erhält in diesem Modell zusätzlich 342 W/m² Gegenstrahlung. Ihre gesamte Energiezufuhr beträgt daher:
$$160 + 342 = 502$$
Die Oberfläche emittiert 398 W/m² als langwellige Wärmestrahlung. Rechnerisch verbleiben:
$$502 - 398 = 104$$
Diese 104 W/m² müssen durch weitere Energieflüsse abgeführt werden. Dazu gehören:
- latente Wärme: Energie für Verdunstung, die bei der Kondensation wieder frei wird;
- sensible Wärme: Energieübertragung durch erwärmte, aufsteigende Luft.
Das Modell nennt dafür gerundet 82 W/m² latente und 21 W/m² sensible Wärme. Zusammen sind das 103 W/m². Die Abweichung von 1 W/m² entsteht durch die gerundeten Ausgangswerte.
Für die Energiebilanz der Erdoberfläche reicht Wärmestrahlung allein nicht aus. Auch Verdunstung, Kondensation und aufsteigende warme Luft übertragen Energie.
Wann sich die Erde erwärmt oder abkühlt
An der Obergrenze der Atmosphäre betrachtet man das gesamte System Erde–Atmosphäre. Im langfristigen Gleichgewicht entspricht die aufgenommene Energie der Energie, die durch Reflexion und Wärmestrahlung in den Weltraum zurückkehrt.
Energieaufnahme größer als Energieabgabe bedeutet Erwärmung. Energieaufnahme kleiner als Energieabgabe bedeutet Abkühlung.
Ein vereinfachtes Beispiel nennt 340 W/m² Einstrahlung und insgesamt 339 W/m² Rückgabe an den Weltraum:
$$340 - 339 = 1$$
Der Energieüberschuss beträgt in diesem Modell 1 W/m². Andere Auswertungen nennen etwa 0,6 oder 0,9 W/m². Diese Werte stammen aus unterschiedlichen Zeiträumen, Modellständen und Rundungen. Sie sind daher nicht als exakt gleiche Messgröße zu behandeln. Gemeinsam zeigen sie einen kleinen positiven Energieüberschuss.
Globale Werte sind keine Ortswerte
Die Strahlungsbilanz eines Ortes hängt unter anderem vom Einfallswinkel, der Tageslänge, der Bewölkung und der Oberfläche ab. Verschiedene Flächen reflektieren unterschiedlich stark:
- Schnee: etwa 40 bis 90 %;
- Wüste: etwa 20 bis 45 %;
- Wald: etwa 5 bis 20 %.
Eine hohe Albedo bedeutet stärkere Reflexion und zunächst geringere Absorption. Für eine vollständige regionale Klimabeurteilung reichen diese Einzelwerte jedoch nicht aus, weil zusätzlich Atmosphäre und Wärmetransport wirken.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Strahlungshaushalt der Erde
- Energiezufuhr: kurzwellige Sonnenstrahlung; global etwa ein Viertel der Solarkonstante
- Aufteilung: Reflexion durch Albedo; Absorption in Atmosphäre und Oberfläche
- Energieabgabe: langwellige terrestrische Strahlung; atmosphärisches Fenster
- Atmosphäre: Absorption und Reemission; Gegenstrahlung und natürlicher Treibhauseffekt
- Oberflächenbilanz: Wärmestrahlung; latente und sensible Wärme
- Bilanzänderung: Überschuss führt zur Erwärmung; Defizit führt zur Abkühlung
Abschluss-Check
Prüfe dich zum Schluss: Kannst du den Weg der Energie von der kurzwelligen Einstrahlung über Reflexion und Absorption bis zur langwelligen Abgabe erklären? Kannst du außerdem begründen, warum Atmosphäre, nichtstrahlungsgebundene Flüsse und die Grenzen globaler Mittelwerte zur vollständigen Erklärung gehören?