Strahlungshaushalt der Atmosphäre

Der Treibhauseffekt

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Abb. 1: Die Strahlungsbilanz der Atmosphäre

Wenn in der Öffentlichkeit heute vom „Treibhauseffekt“ die Rede ist, so ist meist der anthropogene oder vom Menschen verursachte Treibhauseffekt gemeint. Der anthropogene Treibhauseffekt ist jedoch nichts anderes als eine Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts, der eine Folge von natürlichen Strahlungsvorgängen in der Atmosphäre ist. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt wäre Leben auf der Erde undenkbar, da durch ihn die durchschnittliche globale Temperatur der Erdoberfläche um 33 °C von –18 °C auf gegenwärtig ca. 15 °C erhöht wird.

Die Solarkonstante

Um diese Vorgänge zu verstehen, ist zunächst ein Blick auf den natürlichen Strahlungshaushalt nötig. Die mit Abstand wichtigste Energiequelle der Erde und des Klimasystems ist die Sonnenenergie. Aufgrund ihrer hohen Temperatur von etwa 5700 °C strahlt die Sonne ungleich viel mehr Energie ab als die relativ kühle Erde. Die hohe Temperatur an der Sonnenoberfläche bewirkt auch, dass die von der Sonne abgegebene Strahlung hauptsächlich im kurzwelligen Bereich bis etwa 3,5 µm (1 µm = 10^-6 m = 1 Millionstel Meter), d.h. im Bereich des sichtbaren Lichts liegt. Die Energie der kurzwelligen Sonneneinstrahlung besitzt oberhalb der Erdatmosphäre einen Wert von etwa 1366 W/m² (Watt pro Quadratmeter). Dieser Wert wird als Solarkonstante bezeichnet.

Reflexion und Absorption

Im Durchschnitt erhält die Atmosphäre von der gesamten Sonneneinstrahlung wegen der Kugelgestalt der Erde und der sonnenabgewandten Nachtseite jeweils einer Erdhälfte nur ein Viertel der Solarkonstanten oder 342 W/m². Von dieser Strahlung stehen aber nur 235 W/m² oder 69% für die Erwärmung der Atmosphäre und der Erdoberfläche tatsächlich zur Verfügung, da durch die Reflexion an der Erdoberfläche und in der Atmospäre 31% bzw. 107 W/m², die sogenannte planetare Albedo, in den Weltraum wieder unmittelbar zurückgestrahlt werden. Von den 342 W/m² werden 67 W/m² von Wolken, Wasserdampf, Staub und Ozon in der Atmosphäre absorbiert und erwärmen so die Atmosphäre direkt, während 168 W/m² von der Erdoberfläche absorbiert werden und diese erwärmen.

Die Strahlungsbilanz

Abb. 2: Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre. Die Werte sind in W/m² angegeben.

Das auf diese Weise erwärmte System Erde-Atmosphäre gibt die aufgenommene Energie entsprechend seiner gegenüber der Sonne deutlich geringeren Temperatur im langwelligen Infrarotbereich als Wärmestrahlung wieder ab (Ausstrahlung). Die Menge der gesamten an den Weltraum zurückgestrahlten Energie an der Obergrenze der Atmosphäre, d.h. der reflektierten Solarstrahlung und der emittierten Wärmestrahlung, entspricht genau der aufgenommenen Solarenergie. Andernfalls würde die Erde sich stetig aufheizen bzw. abkühlen. Abb. 1 macht vereinfacht den Vorgang an der Obergrenze der Atmosphäre deutlich: Die Atmosphäre nimmt die kurzwellige Solarstrahlung von 342 W/m² auf und gibt die reflektierte Strahlung von 107 W/m² sowie die langwellige Wärmestrahlung von 235 W/m² an den Weltraum wieder ab.

Antriebe des Klimawandels

Änderungen der atmosphärischen Treibhausgas- und Aerosolkonzentrationen, der Landnutzung und der Sonneneinstrahlung verändern die Energiebilanz des Klimasystems und treiben den Klimawandel an. Sie beeinflussen die Absorption, Streuung und Emission von Strahlung innerhalb der Atmosphäre und an der Erdoberfläche. Die resultierenden positiven oder negativen Änderungen in der Energiebilanz aufgrund dieser Faktoren werden in Form des Strahlungsantriebs ausgedrückt, der für den Vergleich von wärmenden oder kühlenden Einflüssen auf das Weltklima herangezogen wird.

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Kontakt: Dieter Kasang