Sonnenstrahlung und ihre Auswirkungen auf die Erde

Sonnenstrahlung

Die Sonnenstrahlung ist die wichtigste Energiequelle für die Erde. Strahlung von anderen Himmelskörpern ist vernachlässigbar. Licht und Wärme sind Formen von Energie, die durch elektromagnetische Wellen übertragen werden. Die Wellenlängen dieser Strahlung sind sehr klein und werden in Mikrometern gemessen. Nur ein Teil der Sonnenstrahlung, der sichtbare Bereich, wird vom menschlichen Auge wahrgenommen.

Elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen übertragen Energie. Strahlung ist die Emission dieser Wellen. Die Sonne, eine riesige Masse aus Gas und Feuer, ist die wichtigste Energiequelle der Erde. Die Erde dreht sich in 24 Stunden um ihre eigene Achse und in 365 Tagen mit einer Geschwindigkeit von 100.000 km/h um die Sonne.

Tagundnachtgleiche (Equinox)

Wenn die Dauer von Tag und Nacht auf der gesamten Erde gleich ist, spricht man von Tagundnachtgleiche (Equinox). Dies geschieht am 21. März und 22. September.

Sonnenwende (Solstice)

Wenn die Sonne ihre größte Deklination erreicht und die beiden Hemisphären unterschiedlich beleuchtet, spricht man von Sonnenwende (Solstice). Dies geschieht am 21. Juni und 21. Dezember.

Sonneneinstrahlung und sichtbare Strahlung

Das Sonnenlicht wird in drei Arten unterteilt:

• UV-Licht: Nicht sichtbar für den Menschen, 8% des Sonnenlichts, kurze Wellenlänge < 400nm.
• Sichtbares Licht: Sichtbar für den Menschen, 56% des Sonnenlichts, Wellenlänge zwischen 400nm und 800nm. Es besteht aus den Farben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett.
• Infrarot-Licht: Nicht sichtbar für den Menschen, 36% des Sonnenlichts, lange Wellenlänge > 800nm. Es ist auch als Wärmestrahlung bekannt.

Absorption der Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre

Die wichtigsten Absorber der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre sind:

• Sauerstoff (O₂): Absorbiert UV-Strahlung mit Wellenlängen ≤ 200nm (0,2µm) und wandelt sich dabei in atomaren Sauerstoff (O) um, der wiederum Ozon (O₃) bildet.
• Ozon (O₃): Absorbiert UV-Strahlung mit Wellenlängen zwischen 220nm (0,22µm) und 290nm (0,29µm). O₂ und O₃ absorbieren fast 100% der UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 0,29µm. Daher erreicht nur ein geringer Teil der UV-Strahlung die untere Atmosphäre.
• Wasserdampf: Absorbiert Infrarotstrahlung mit Wellenlängen zwischen 800nm (0,8µm) und 2000nm (2,0µm) sowie zwischen 2300nm (2,3µm) und 3600nm (3,6µm). Wasserdampf ist der wichtigste Absorber von Infrarotstrahlung.
• Kohlendioxid (CO₂): Absorbiert Infrarotstrahlung mit Wellenlängen zwischen 2400nm (2,4µm) und 4600nm (4,6µm).

Variation der Sonnenstrahlung

Die Intensität der Sonnenstrahlung variiert aufgrund folgender Faktoren:

• Solarkonstante (S): Die Energiemenge, die die obere Grenze der Atmosphäre (Exosphäre) erreicht. Der Durchschnittswert beträgt 2Cal/cm²/min. Beobachtungen zeigen, dass die Sonnenstrahlung nicht wesentlich variiert.
• Transparenz der Atmosphäre: Gebiete mit starker Bewölkung oder Luftverschmutzung erhalten weniger direkte Strahlung.
• Tägliche Sonnenscheindauer: Variiert je nach Breitengrad und Jahreszeit.
• Einfallswinkel der Sonnenstrahlen: Mittags ist die Sonnenintensität größer als morgens oder abends. Schräge Strahlen bedecken eine größere Fläche als vertikale Strahlen und produzieren daher weniger Wärme.

Formen der Energieübertragung

• Strahlung: Ein Körper mit einer bestimmten Temperatur überträgt Energie in Form von elektromagnetischen Wellen, abhängig von seiner absoluten Temperatur.
• Schwarzer Körper: Ein idealer Körper, der die gesamte auftreffende Energie absorbiert und wieder abgibt. Die von einem schwarzen Körper abgestrahlte Energiemenge wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben.
• Leitung: Wärmeübertragung durch direkten Kontakt.