Sonnenstrahlung ist eine wichtige meteorologische Variable, die dazu dient, die Menge an "Wärme" zu bestimmen, die wir von der Sonne auf der Erdoberfläche erhalten. Diese Menge an Sonnenstrahlung wird durch den Klimawandel und die Rückhaltung von Treibhausgasen verändert.
Sonnenstrahlung erwärmt die Erdoberfläche und Objekte (einschließlich uns selbst), während die Luft kaum erwärmt wird. Darüber hinaus ist diese Größe entscheidend für die Bewertung unserer Bemühungen im Kampf gegen den Klimawandel. Möchten Sie mehr über Sonnenstrahlung erfahren?
Sonnenstrahlung geht durch die Atmosphäre
An einem heißen Sommertag am Strand legen wir uns in die Sonne. Je länger wir auf unseren Handtüchern liegen, desto mehr merken wir, wie unser Körper aufheizt und unsere Temperatur steigt, bis wir uns abkühlen oder Schatten suchen müssen, weil wir einen Sonnenbrand bekommen. Was ist da passiert, wenn die Luft gar nicht so heiß ist? Die Sonnenstrahlen sind durch die Atmosphäre hindurchgedrungen und haben unsere Körper erwärmt, ohne die Luft selbst merklich zu erwärmen.
Etwas Ähnliches geschieht auf der Erde: Die Atmosphäre ist für Sonnenstrahlung nahezu durchlässig, doch die Erdoberfläche und andere Himmelskörper absorbieren sie. Die von der Sonne zur Erde übertragene Energie wird als Strahlung bezeichnet. Strahlung breitet sich im Weltraum in Form von Wellen aus, die Energie transportieren. Je nach ihrer Energie werden sie im elektromagnetischen Spektrum klassifiziert. Es gibt energiereiche Wellen wie Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und Ultraviolettstrahlung sowie energieärmere Wellen wie Infrarotstrahlung, Mikrowellen und Radiowellen.
Alle Körper senden Strahlung aus
Alle Körper emittieren Strahlung entsprechend ihrer Temperatur. Dies wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben , das besagt, dass die von einem Körper abgegebene Energie direkt proportional zur vierten Potenz seiner Temperatur ist. Deshalb strahlen die Sonne, ein brennendes Stück Holz, unser eigener Körper und sogar ein Stück Eis kontinuierlich Energie ab.
Das führt uns zu der Frage: Warum können wir die Strahlung der Sonne oder eines brennenden Holzstücks sehen, nicht aber unsere eigene, die Strahlung der Erdoberfläche oder eines Eisstücks? Das hängt im Wesentlichen von der Temperatur ab, die jedes Objekt erreicht , und damit von der Menge an Energie, die es abgibt. Je höher die Temperatur eines Körpers, desto mehr Energie sendet er in Form von Wellen aus, und deshalb wird er sichtbarer.
Die Sonne hat eine Temperatur von 6.000 Kelvin und strahlt hauptsächlich im sichtbaren Spektrum (allgemein bekannt als Lichtwellen) ab. Sie emittiert außerdem ultraviolette Strahlung (die energiereicher ist und daher bei längerer Einwirkung Verbrennungen auf der Haut verursacht) sowie Infrarotstrahlung, die für das menschliche Auge unsichtbar ist. Aus diesem Grund können wir die Strahlung unseres eigenen Körpers nicht wahrnehmen. Der menschliche Körper hat eine Temperatur von etwa 37 Grad Celsius, und die von ihm abgegebene Strahlung liegt hauptsächlich im Infrarotbereich.
Wie Sonnenstrahlung funktioniert
Da Objekte ständig Strahlung und Energie abgeben, stellt sich die Frage: Warum kühlen sie sich nicht allmählich ab, wenn sie doch Energie und Strahlung abgeben? Die Antwort ist einfach: Sie absorbieren auch Energie. Es gibt ein weiteres Gesetz, das Strahlungsgleichgewicht, das besagt, dass ein Objekt genauso viel Energie abgibt, wie es aufnimmt. Deshalb können Objekte eine konstante Temperatur halten.
In unserem System Erde-Atmosphäre laufen daher verschiedene Prozesse ab, bei denen Energie absorbiert, emittiert und reflektiert wird. Die endgültige Bilanz zwischen der von der Sonne auf die obere Atmosphäre treffenden Strahlung und der in den Weltraum entweichenden Strahlung ist somit ausgeglichen. Das bedeutet, dass die durchschnittliche Jahrestemperatur konstant bleibt. Wenn Sonnenstrahlung auf die Erde trifft, wird der größte Teil von der Erdoberfläche absorbiert. Nur ein geringer Teil der einfallenden Strahlung wird von Wolken und Luft absorbiert. Der Rest der Strahlung wird von der Oberfläche, Gasen und Wolken reflektiert und in den Weltraum zurückgesandt.
Der Anteil der von einem Objekt reflektierten Strahlung im Verhältnis zur einfallenden Strahlung wird als „Albedo“ bezeichnet. Das System Erde-Atmosphäre hat demnach eine durchschnittliche Albedo von 30 %. Frisch gefallener Schnee oder einige Cumulonimbuswolken mit ausgeprägter vertikaler Ausdehnung weisen eine Albedo von nahezu 90 % auf, während Wüsten etwa 25 % und Ozeane rund 10 % erreichen (sie absorbieren fast die gesamte einfallende Strahlung).
Wie messen wir Strahlung?
Um die an einem Punkt einfallende Sonnenstrahlung zu messen, verwenden wir ein Pyranometer. Dieses Gerät besteht aus einem Sensor, der in einer transparenten Halbkugel eingeschlossen ist, die alle Strahlungen mit sehr kurzen Wellenlängen durchlässt. Der Sensor besitzt abwechselnd weiße und schwarze Segmente, die Strahlung unterschiedlich absorbieren. Der Temperaturkontrast zwischen diesen Segmenten wird anhand des Strahlungsflusses (gemessen in Watt pro Quadratmeter) kalibriert.
Eine Schätzung der Menge an Sonnenstrahlung, die wir erhalten, kann auch durch Messen der Anzahl der Sonnenstunden erhalten werden, die wir haben. Dazu verwenden wir ein Instrument namens Heliograph. Dies wird durch eine nach Süden ausgerichtete Glaskugel gebildet, die als große Lupe fungiert und die gesamte an einem Glühpunkt empfangene Strahlung konzentriert, die ein spezielles Papierband verbrennt, das mit den Stunden des Tages abgestuft ist.
Sonneneinstrahlung und erhöhter Treibhauseffekt
Wir haben bereits erwähnt, dass die Menge der auf die Erde einfallenden und austretenden Sonnenstrahlung gleich ist. Das stimmt so nicht ganz, denn wäre dem so, läge die durchschnittliche globale Temperatur unseres Planeten bei -88 Grad Celsius. Wir benötigen also einen Mechanismus, der uns hilft, Wärme zu speichern, um eine angenehme und lebensfreundliche Temperatur auf der Erde zu gewährleisten. Hier kommt der Treibhauseffekt ins Spiel. Wenn Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche trifft, wird fast die Hälfte davon in die Atmosphäre zurückreflektiert, bevor sie ins Weltall abgegeben wird. Wir haben bereits besprochen, wie Wolken, Luft und andere atmosphärische Bestandteile einen kleinen Teil der Sonnenstrahlung absorbieren. Diese absorbierte Menge reicht jedoch nicht aus, um eine stabile Temperatur aufrechtzuerhalten, die unseren Planeten bewohnbar machen würde. Wie können wir also bei diesen Temperaturen leben?
Treibhausgase sind Gase, die einen Teil der von der Erdoberfläche abgegebenen Wärme speichern und so verhindern, dass diese wieder in die Atmosphäre entweicht. Beispiele für Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid (CO₂), Stickoxide, Schwefeloxide und Methan. Jedes Treibhausgas hat ein unterschiedliches Absorptionsvermögen für Sonnenstrahlung. Je höher dieses Absorptionsvermögen ist, desto mehr Wärme wird gespeichert und kann nicht ins Weltall entweichen.
Im Laufe der Menschheitsgeschichte hat die Konzentration von Treibhausgasen (insbesondere CO₂) stetig zugenommen. Dieser Anstieg ist größtenteils auf die Industrielle Revolution und die Verbrennung fossiler Brennstoffe in Industrie, Energieerzeugung und Verkehr zurückzuführen . Die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl und Kohle erzeugt Emissionen von CO₂ und Methan. Diese zunehmend hohen Emissionen halten einen erheblichen Teil der Sonnenstrahlung zurück und verhindern so deren Wiederaustritt ins Weltall.
Dies ist als Treibhauseffekt bekannt. Die Verstärkung dieses Effekts, den wir Treibhauseffekt nennen, ist jedoch kontraproduktiv , da wir dadurch die globalen Durchschnittstemperaturen immer weiter erhöhen. Je höher die Konzentration dieser strahlungsabsorbierenden Gase in der Atmosphäre ist, desto mehr Wärme wird gespeichert und desto stärker steigen die Temperaturen.
Sonneneinstrahlung und Klimawandel
Die globale Erwärmung ist weltweit bekannt. Dieser Temperaturanstieg aufgrund der starken Rückhaltung der Sonnenstrahlung führt zu einer Veränderung des globalen Klimas. Dies bedeutet nicht nur, dass die Durchschnittstemperaturen des Planeten steigen werden, sondern dass sich auch das Klima und alles, was dazu gehört, ändern werden.
Steigende Temperaturen verursachen Instabilitäten in Luftströmungen, Meeresmassen, der Verbreitung von Arten und dem Wechsel der Jahreszeiten sowie eine Zunahme extremer Wetterereignisse (wie Dürren, Überschwemmungen, Hurrikane usw.) . Um unser Strahlungsgleichgewicht nachhaltig wiederherzustellen, müssen wir daher die Treibhausgasemissionen reduzieren und unser Klima sanieren.
