Strahlungshaushalt
Die Bilanz der ein- und ausgehenden Strahlung der Atmosphäre oder des Erdbodens. Für die Atmosphäre ist die Bilanz negativ, d.h. es wird weniger kurzwellige Sonnenstrahlung absorbiert als langwellige Strahlung abgegeben. Die Erdoberfläche dagegen hat eine positive Strahlungsbilanz. Von der ursprünglichen Sonnenstrahlung erreicht im Durchschnitt ein Drittel den Erdboden auf direktem Wege. Die insgesamt am Erdboden ankommende Sonnenstrahlung besteht aus dieser direkten Strahlung und der diffus gestreuten Himmelsstrahlung. Diese Globalstrahlung erwärmt den Erdboden, der seinerseits (entsprechend seiner Temperatur) langwellig ausstrahlt. Die regionalen Unterschiede im Strahlungshaushalt sind eine Folge der wechselnden Einstrahlungsverhältnisse und terrestrischer Parameter, die die Strahlungsumsätze beeinflussen.
| | Globaler mittlerer Energiehaushalt unter heutigen Klimabedingungen Die Zahlen geben die Größenordnungen der einzelnen Energieströme in W m-2 an, die innerhalb ihrer Unsicherheitsbereiche angepasst wurden, um die Energiebudgets zu schließen. Zahlen in Klammern, die an die Energieströme angehängt sind, decken den Wertebereich ab, der mit den Beobachtungseinschränkungen übereinstimmt. Quelle: IPCC, 2013: Climate Change 2013 - The Physical Science Basis (S. 181) |
Die zur Erde kommende Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden (hier besonders von Schnee) zu 30 % wieder in den Weltraum reflektiert (das heißt die Albedo der gesamten Erde ist 0,30). Die restlichen 70 % werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre, 50 % vom Erdboden. Letztere werden durch Wärmestrahlung und durch Wärmeleitung mit anschließender Konvektion wieder an die Lufthülle abgegeben. Würde diese Energie wieder vollständig in den Weltraum abgestrahlt werden, läge die mittlere Lufttemperatur bei -18 °C, während sie tatsächlich +15 °C beträgt.
Die Differenz erklärt sich aus dem natürlichen Treibhauseffekt der Atmosphäre. Die sogenannten Treibhausgase in der erwärmten Atmosphäre (vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid) emittieren Infrarotstrahlung – auch in Richtung Erde. Der Nachschub für die abgestrahlte Energie erfolgt durch Konvektion und Absorption (ein Teil der Abstrahlung von der Erdoberfläche im Infraroten wird absorbiert). Die von der Atmosphäre emittierte Infrarotstrahlung führt zu einer Erwärmung der Erdoberfläche um durchschnittlich 33 °C.
Diese Zahlen gelten nur für die Erde als Ganzes. Lokal und regional hängen die Verhältnisse von zahlreichen Faktoren ab:
- von der Albedo der Erdoberfläche, die vom 30 %-Mittel stark abweichen kann (beispielsweise Schnee 40 bis 90 %, Wüste 20 bis 45 %, Wald 5 bis 20 %)
- vom oben erwähnten Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und der Dauer ihrer Einwirkung
- von Bewölkung und Luftfeuchtigkeit
- vom Wärmetransport durch Wind, von Luftschichtungen usw.
Theoretisch sind diese Faktoren weitgehend modellierbar, doch nicht in allen Details wie Staueffekten an Gebirgen oder unregelmäßiger Bewegung von Tiefdruckgebieten. Für gute Vorhersagen benötigt die Meteorologie außer enormer Rechenleistung auch ein weltweit dichtes Raster von Messdaten über alle Luftschichten, was in der Praxis an Grenzen stößt.
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