Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase
Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase
2 Physikalische Grundlagen Referenz ist das theoretische Emissionsspektrum eines planckschen Strahlers zu einer Temperatur von 288 K aufgetragen, welches in guter Näherung dem Spektrum der Erdstrahlung am Boden entspricht. Abb. 2.10.: Erdstrahlung an der Erdoberfläche und nach Absorption durch die Atmosphäre in 70 km Höhe. Daten simuliert mit MODTRAN. Vergleicht man die Spektren aus Abb. 2.10 mit den Absorptionsspektren aus Abb. 2.9, so ist der Einfluss der Treibhausgase auf die Wärmestrahlung der Erde offensichtlich: bei kleinen Wellenlängen bis 8 µm dominiert Wasserdampf die Absorption, neben kleineren Einflüssen durch Methan und Distickstoffoxid. Der Einschnitt im Wellenlängenbereich zwischen 9 µm und 10 µm lässt sich auf das Absorptionsverhalten von Ozon, die Breite Bande zwischen 13 µm und 17 µm auf die Absorption durch Kohlendioxid zurückführen. Für eine durchgehende Absorption im fernen Infrarot ist wieder vorwiegend Wasserdampf verantwortlich. Auch das große atmosphärische Fenster ist deutlich sichtbar. 14
2.3. Der Treibhauseffekt 2.3 Der Treibhauseffekt Bereits 1824 formulierte Jean-Baptiste Fourier 12 in seiner Veröffentlichung Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires [10] eine physikalische Abhandlung über den globalen Wärmehaushalt und gilt seither als Entdecker des von ihm als effet de serre, zu deutsch Glashauseffekt, bezeichneten Phänomens. Heute meist als Treibhauseffekt bekannt, spiegelt der Begriff die physikalischen Hintergründe des klimatischen Effekts gut wieder: kurzwellige Solarstrahlung tritt nahezu ungehindert durch das Glasdach, wird im Innern des Hauses je nach Oberfläche zu unterschiedlichen Teilen absorbiert beziehungsweise reflektiert 13 , und als langwellige Wärmestrahlung wieder abgestrahlt. Diese entweicht nun jedoch nicht zurück ins Freie, sondern wird fast vollständig durch das Glas absorbiert und nach außen wie zurück ins Innere des Glashauses reemittiert. Somit bleibt ein Teil der Wärmeenergie im Glashaus gewissermaßen eingeschlossen, was zu einer Erhöhung der Temperatur im Innern führt. Dies geschieht so lange, bis die Wärmestrahlung im Innern des Treibhauses die Strahlungsleistung der einfallenden Strahlung von aussen erreicht und sich ein Strahlungsgleichgewicht eingestellt hat. Dieser Vorgang ist schematisch im linken Bild nachstehender Abb. 2.11 dargestellt. Abb. 2.11.: Strahlungsvorgang im Treibhaus und in der Erdatmosphäre im Vergleich. Im Treibhaus Erde nimmt die Atmosphäre die Rolle des Glases ein. Auch hier trifft die Solarstrahlung nahezu ungehindert auf die Erdoberfläche und erwärmt diese. Je nach Temperatur der Oberfläche strahlt diese nun aber langwellige Wärmestrahlung 12 Jean Baptiste Joseph Fourier: 1768-1830, französischer Mathematiker und Physiker. 13 Die Albedo (lateinisch: Weißheit) ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen diffus reflektierender, also nicht selbst strahlender Oberflächen. Sie berechnet sich als Quotient aus reflektierter zu eingefallener Lichtmenge. 15
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2.3. Der Treibhauseffekt<br />
2.3 Der Treibhauseffekt<br />
Bereits 1824 formulierte Jean-Baptiste Fourier 12 in seiner Veröffentlichung Mémoire<br />
sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires [10] eine physikalische<br />
Abhandlung über den globalen Wärmehaushalt und gilt seither als Entdecker des<br />
von ihm als effet de serre, zu deutsch Glashauseffekt, bezeichneten Phänomens.<br />
Heute meist als Treibhauseffekt bekannt, spiegelt der Begriff die physikalischen<br />
Hintergründe des klimatischen Effekts gut wieder: kurzwellige Solarstrahlung tritt<br />
nahezu ungehindert <strong>durch</strong> das Glasdach, wird im Innern des Hauses je nach Oberfläche<br />
zu unterschiedlichen Teilen absorbiert beziehungsweise reflektiert 13 , und als langwellige<br />
Wärmestrahlung wieder abgestrahlt. Diese entweicht nun jedoch nicht zurück ins Freie,<br />
sondern wird fast vollständig <strong>durch</strong> das Glas absorbiert und nach außen wie zurück<br />
ins Innere des Glashauses reemittiert. Somit bleibt ein Teil der Wärmeenergie im<br />
Glashaus gewissermaßen eingeschlossen, was zu einer Erhöhung der Temperatur im<br />
Innern führt. Dies geschieht so lange, bis die Wärmestrahlung im Innern des Treibhauses<br />
die <strong>Strahlung</strong>sleistung der einfallenden <strong>Strahlung</strong> von aussen erreicht und sich ein<br />
<strong>Strahlung</strong>sgleichgewicht eingestellt hat. Dieser Vorgang ist schematisch im linken Bild<br />
nachstehender Abb. 2.11 dargestellt.<br />
Abb. 2.11.: <strong>Strahlung</strong>svorgang im Treibhaus und in der Erdatmosphäre im Vergleich.<br />
Im Treibhaus Erde nimmt die Atmosphäre die Rolle des Glases ein. Auch hier trifft<br />
die Solarstrahlung nahezu ungehindert auf die Erdoberfläche und erwärmt diese. Je<br />
nach Temperatur der Oberfläche strahlt diese nun aber langwellige Wärmestrahlung<br />
12 Jean Baptiste Joseph Fourier: 1768-1830, französischer Mathematiker und Physiker.<br />
13 Die Albedo (lateinisch: Weißheit) ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen diffus reflektierender,<br />
also nicht selbst strahlender Oberflächen. Sie berechnet sich als Quotient aus reflektierter zu<br />
eingefallener Lichtmenge.<br />
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