Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase
Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase
2 Physikalische Grundlagen Richtung All reemittiert, die andere Hälfte gelangt aber als atmosphärische Gegenstrahlung zurück zur Erde und sorgt für deren zusätzliche Erwärmung. Mathematisch lässt sich dies wie folgt formulieren: Mit der Bedingung S ∗∗ E + S ∗∗∗ A = S ∗∗∗ E (1 − 0, 12) · S ∗∗∗ E = 2 · S ∗∗∗ A erhält man durch Einsetzen in obige Gleichung für die Oberflächentemperatur der Erde T3 = 4 S∗∗ E = 283 K 0, 56 · σ Nach diesem physikalischen Modell bewirkt die atmosphärische Gegenstrahlung also eine erhebliche Temperaturerhöhung der Erdoberfläche von 38 K, von lebensfeindlichen -28 °C auf 10 °C, und macht damit Leben auf der Erde erst möglich. Der große Einfluss des Absorptionsverhaltens von Treibhausgasen auf das Erdklima macht aber auch die Gefahr deutlich, die der anthropogene Treibhauseffekt durch Erhöhungen der Konzentrationen von beispielsweise Kohlendioxid bedeutet. Würde auch nur 1 % der Erdstrahlung mehr absorbiert, so stiege die Erdtemperatur bereits um mehr als ein halbes Grad an. In der folgenden Abb. 2.15 sind die aus dem vorgestellten Modell resultierenden Zahlenwerte graphisch dargestellt. Abb. 2.15.: Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre nach einfacher physikalischer Modellierung. Alle Zahlenwerte prozentual bezogen auf die einfallende Solarstrahlungsdichte von 342 W/m 2 . Es sei erwähnt, dass es sich bei dem vorgestellten Modell lediglich um eines einer Vielzahl von Modellierungsversuche handelt. Es findet sich in ähnlicher Form in gängigen Schulbüchern [13] und wurde im Hinblick auf den schulischen Einsatz des Gegenstands dieser Arbeit gewählt. 20
2.3.3. Strahlungsbilanz der Erdatmosphäre 2.3 Der Treibhauseffekt Die im vorigen Abschnitt dargestellte physikalische Modellierung der atmosphärischen Strahlungsflüsse spiegelt zwar die lebenswichtige Wirkung des Treibhauseffekts gut wider, wird der Komplexität des Strahlungssystems aber nur bedingt gerecht. Aktuellen Messungen zufolge liegt die mittlere Oberflächentemperatur der Erde nicht bei den rechnerisch bestimmten 10 °C, sondern um 5 °C höher. Gründe hierfür sind unter anderem eine Vernachlässigung weiterer Wärmeübertragungen durch • Wärmeleitung L zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre • Aggregatzustandsänderungen des Wassers und damit verbundener Transport latenter Wärme (Evaporation) V • Wärmeleitung zwischen dem Erdinneren und der Erdoberfläche, sog. Bodenwärmestrom B • Photosynthese der Pflanzen P Tatsächlich strahlt die Atmosphäre entgegen den Werten des Modells mit 95 % der einfallenden Solarstrahlung weitaus mehr in Richtung Erde ab. Die Strahlungsbilanz ∆Q zwischen solarer Einstrahlung und terrestrischer Ausstrahlung muss durch obige nichtradiative Wärmeübertragungsmechanismen ausgeglichen werden, so dass der Energieerhaltungssatz erfüllt ist [14]: ∆Q + L + V + B + P = 0 In Abb. 2.16 ist der Strahlungshaushalt unter Vernachlässigung von Photosynthese und Bodenwärmestrom mit aktuellen Literaturwerten dargestellt. Abb. 2.16.: Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre. Alle Angaben prozentual bezogen auf die einfallende Solarstrahlungsdichte von 342 W/m 2 nach Klose [12]. 21
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2.3.3. <strong>Strahlung</strong>sbilanz der Erdatmosphäre<br />
2.3 Der Treibhauseffekt<br />
Die im vorigen Abschnitt dargestellte physikalische Modellierung der <strong>atmosphärische</strong>n<br />
<strong>Strahlung</strong>sflüsse spiegelt zwar die lebenswichtige Wirkung des Treibhauseffekts gut<br />
wider, wird der Komplexität des <strong>Strahlung</strong>ssystems aber nur bedingt gerecht. Aktuellen<br />
Messungen zufolge liegt die mittlere Oberflächentemperatur der Erde nicht bei den rechnerisch<br />
bestimmten 10 °C, sondern um 5 °C höher. Gründe hierfür sind unter anderem<br />
eine Vernachlässigung weiterer Wärmeübertragungen <strong>durch</strong><br />
• Wärmeleitung L zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre<br />
• Aggregatzustandsänderungen des Wassers und damit verbundener Transport<br />
latenter Wärme (Evaporation) V<br />
• Wärmeleitung zwischen dem Erdinneren und der Erdoberfläche, sog. Bodenwärmestrom<br />
B<br />
• Photosynthese der Pflanzen P<br />
Tatsächlich strahlt die Atmosphäre entgegen den Werten des Modells mit 95 % der<br />
einfallenden Solarstrahlung weitaus mehr in Richtung Erde ab. Die <strong>Strahlung</strong>sbilanz<br />
∆Q zwischen solarer Einstrahlung und terrestrischer Ausstrahlung muss <strong>durch</strong> obige<br />
nichtradiative Wärmeübertragungsmechanismen ausgeglichen werden, so dass der<br />
Energieerhaltungssatz erfüllt ist [14]:<br />
∆Q + L + V + B + P = 0<br />
In Abb. 2.16 ist der <strong>Strahlung</strong>shaushalt unter Vernachlässigung von Photosynthese und<br />
Bodenwärmestrom mit aktuellen Literaturwerten dargestellt.<br />
Abb. 2.16.: <strong>Strahlung</strong>shaushalt der Erdatmosphäre. Alle Angaben prozentual bezogen auf die einfallende<br />
Solarstrahlungsdichte von 342 W/m 2 nach Klose [12].<br />
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