Lexikon der Geowissenschaften: Strahlungshaushalt
Strahlungshaushalt, beschreibt die abwärts und aufwärts gerichteten Strahlungsflüsse in der Atmosphäre und deren Änderungen durch Reflexion, Streuung, Absorption und Emission. Die Summe von absorbierter Strahlungsenergie und im Infraroten abgegebener Strahlungsenergie wird Strahlungsbilanz genannt. Sind beide Anteile gleich groß, ist die Strahlungsbilanz null und der Strahlungshaushalt ausgeglichen. Unter diesen Bedingungen befindet sich eine Atmosphärenschicht im Strahlungsgleichgewicht. Die Stratosphäre befindet sich global und zeitlich gemittelt im Strahlungsgleichgewicht, während die Troposphäre ein deutliches Defizit im Strahlungshaushalt aufweist. Der über ein Jahr gemittelte extraterrestrische Strahlungsfluß der Sonne auf eine senkrecht zur Verbindungslinie Erde-Sonne stehende Fläche, die sogenannte Solarkonstante, beträgt 1368 W/m2. Auf die gesamte Erdoberfläche bezogen ergibt sich eine mittlere Bestrahlungsstärke von einem Viertel des Wertes der Solarkonstanten, nämlich 342 W/m2.
Zum besseren Verständnis der relativen Anteile der verschiedenen Strahlungsflüsse im System Erde/Atmosphäre wird die solare Bestrahlungsstärke mit 100% gleichgesetzt (entspricht demnach 342 W/m2). Von der einfallenden Sonnenstrahlung werden 30% durch Reflexions- und Streuprozesse direkt in den Weltraum zurückgeworfen; dieser Anteil, die sogenannte planetare Albedo, setzt sich aus 5% an der Erdoberfläche reflektierter, aus 8% an Gasen bzw. Aerosolen gestreuter und aus 17% an Wolken gestreuter Strahlung zusammen ( Abb. 1). Ein Teil der einfallenden Sonnenstrahlung wird in der Atmosphäre absorbiert, nämlich 3% in der Stratosphäre (hauptsächlich durch Ozon), 19% durch Gase und Aerosol in der Troposphäre sowie 4% durch Wolken. Der Rest der Sonnenstrahlung gelangt zur Erdoberfläche und wird dort absorbiert (44%), d.h. dem Erdboden und den Ozeanen wird relativ viel Sonnenenergie direkt zugeführt. Im terrestrischen Spektralbereich (elektromagnetisches Spektrum) strahlt die Erdoberfläche mehr als 100% der einfallenden Sonnenstrahlung im Infraroten ab, um die Energiebilanz ausgeglichen gestalten zu können. Von den 116% abgegebener Strahlungsenergie verbleibt ein großer Anteil, nämlich 108%, in der Atmosphäre durch Absorption an Gasen, Aerosolen und in Wolken. Lediglich 8% der am Erdboden emittierten Infrarotstrahlung gelangt in den atmosphärischen Fenstern direkt in den Weltraum. Die Gase, Aerosole und Hydrometeore emittieren selbst Infrarotstrahlung entsprechend ihrer Temperatur. Ein relativ großer abwärts gerichteter Strahlungsfluß im Infraroten erreicht die Erdoberfläche und trägt zu deren Erwärmung bei (101%, Treibhauseffekt). Die von den Gasen und Aerosolen in der Atmosphäre an den Weltraum abgegebene Strahlungsenergie beträgt 32%; davon stammen 3% aus der Stratosphäre. Die Wolken emittieren ebenfalls im infraroten Spektralbereich; der entsprechende Strahlungsfluß in den Weltraum ergibt sich zu 30%. Alle Angaben über die Strahlungsflüsse sind nach wie vor mit Unsicherheiten behaftet, da die Bestimmung globaler Mittelwerte mit einer Reihe von Schwierigkeiten verknüpft ist. Der Strahlungshaushalt des Systems Erde/Atmosphäre und der Strahlungshaushalt des Teilsystems Stratosphäre ist demnach ausgeglichen. Dies trifft nicht für die Teilsysteme Troposphäre und Erdoberfläche zu; der Erdboden weist einen Überschuß an Strahlungsenergie von 29% auf und die Troposphäre ein entsprechendes Defizit. Der Ausgleich des Energiehaushalts dieser Teilsysteme erfolgt über turbulente Wärmeflüsse. Der aufwärts gerichtete latente Wärmefluß, gesteuert durch die Verdunstung des Wassers an der Erdoberfläche, trägt mit 24% wesentlich dazu bei. Das übrigbleibende Defizit der Troposphäre wird durch Flüsse fühlbarer Wärme beseitigt. Zusätzlich zum lebenswichtigen natürlichen Treibhauseffekt führt die anthropogene Emission von Spurenstoffen mit Absorptionsbanden im Infraroten, vor allem in den atmosphärischen Fenstern, zu einer Verstärkung des Treibhauseffekts. Dieser anthropogene Treibhauseffekt wird insbesondere durch die Produktion von Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid sowie die Zunahme des troposphärischen Ozons verursacht.
Der Strahlungshaushalt in Abhängigkeit von der geographischen Breite, d.h. für zonale Mittel, ist meist nicht ausgeglichen. In den Tropen ist der Strahlungshaushalt positiv; es wird mehr solare Strahlung im System Erde/Atmosphäre absorbiert als im terrestrischen Bereich wieder abgestrahlt wird ( Abb. 2 ). Bereits in mittleren Breiten größer 40º ist der Strahlungshaushalt negativ. Durch die unterschiedliche Verteilung von Land- und Meeresoberflächen in der Nord- und Südhemisphäre ist die Kurve des Strahlungshaushalts in bezug auf den Äquator unsymmetrisch. Der zonale Energiehaushalt wird durch großräumige Transporte mittels der globalen atmosphärischen Zirkulation und der Meeresströmungen ausgeglichen. Die Unterschiede zwischen den Hemisphären werden noch deutlicher bei einer Separation des Strahlungshaushalts entsprechend der vier Jahreszeiten ( Abb. 3 ). Erwartungsgemäß zeigt sich eine starke Variation der Strahlungsbilanz mit der Zeit. Da die Ozeane mehr Sonnenstrahlung absorbieren als die Landoberflächen, erreicht die Strahlungsbilanz höhere positive Werte in mittleren Breiten der Südhemisphäre im Süd-Sommer als im vergleichbaren Nord-Sommer in mittleren Breiten der Nordhemisphäre. Der Anstieg der Kurve für den Süd-Winter zwischen 60º S und 90º S ist durch die geringe Abstrahlung im terrestrischen Spektralbereich über der sehr kalten Antarktis zu erklären. Die Energiebilanz in den Hemisphären kann im Winter und Sommer nicht durch Transport von Energie über den Äquator in der Atmosphäre und in den Ozeanen ausgeglichen werden. Im Sommer wird Energie im Meer und im Boden gespeichert und im Winter wieder abgegeben.
Nach der Inbetriebnahme meteorologischer Satelliten in den 60er Jahren ergab sich die Möglichkeit, auch die örtliche aktuelle Verteilung des Strahlungshaushalts am Rande der Atmosphäre zu messen. Dies führte zu einigen Detailergebnissen. Im sommerlichen Nordpolargebiet sind die Bereiche negativer Strahlungsbilanz nur klein, weil die Abgabe von Strahlungsenergie nur wenig größer ist als deren Aufnahme. In Grönland dagegen vermindert die starke Reflexion der Schneedecke die Absorption solarer Strahlung, so daß die Strahlungsbilanz auf -120 W/m2 absinkt. Die Maxima der Strahlungsbilanz liegen über den tropischen Meeren mit mehr als +120 W/m2, weil dort geringe Bewölkung und niedrige Reflexion des Meeres zu einer starken Absorption solarer Strahlung führen. Auffallend ist auch die Strahlungssenke über der Sahara, wo die hohe Reflexion des hellen Sandes und die starke Emission des heißen Bodens für einen negativen Strahlungshaushalt sorgen. [HF]
Strahlungshaushalt 1: schematische Darstellung der Strahlungsbilanz. Strahlungshaushalt 1:
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Strahlungshaushalt 2: mittlere jährliche Strahlungsbilanz des Systems Erde/Atmosphäre in Abhängigkeit von der geographischen Breite. Strahlungshaushalt 2:
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Strahlungshaushalt 3: zonal gemittelte Strahlungsbilanz für die vier Jahreszeiten in Abhängigkeit von der geographischen Breite (Nordwinter entspricht den Monaten Dezember, Januar und Februar usw.); die Einteilung der Abszisse entspricht dem Sinus der geographischen Breite. Strahlungshaushalt 3:
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