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Sachinformationen für Lehrkräfte - Die Strahlung der Sonne als Motor des Wettergeschehens

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Die Strahlung der Sonne als Motor des Wettergeschehens

Die Sonne hat an ihrer Oberfläche eine Temperatur von etwa 6000°C und strahlt deshalb eine enorme Menge an Energie durch elektromagnetische Wellen ab. Auf einen Quadratmeter der Erde fällt pro Sekunde (!) eine Strahlungsenergie von etwa 1400 Joule (bei senkrechtem Einfall). Zum Vergleich mit elektrischen Geräten: das sind pro Quadratmeter 1,4 Kilowatt. Zur Veranschaulichung: Diese Energie wird im Durchschnitt in unserem Körper zur Aufrechterhaltung der Körperfunktionen und bei leichter Arbeit alle 12 Sekunden benötigt.

Die Strahlung der Sonne enthält ein ganzes Spektrum von elektromagnetischer Strahlung: sehr energiereiche, kurzwellige Strahlung (UV-Strahlung), sichtbares Licht und Strahlung im Infrarotbereich (langwellige „Wärmestrahlung“). Die Atmosphäre absorbiert und reflektiert einen Teil der Sonnenstrahlung, etwa 47 % erreichen den Erdboden. Wiederum etwa ein Drittel dessen, was auf dem Erdboden ankommt, wird wieder zurückgestreut (vorwiegend als langwellige Strahlung). Etwa ein Drittel erwärmt den Erdboden und die darüber liegende untere Schicht der Atmosphäre und ein Teil wird bei der Verdunstung von Wasser benötigt. Bei einem stabilen Klima müssen Einstrahlung von der Sonne und Abstrahlung durch die Erde im Gleichgewicht sein, sonst gäbe es eine fortschreitende Erwärmung oder Abkühlung. Die äquatornahen Zonen erwärmen sich stärker als die Polgegenden, weil dort die Sonnenstrahlung über viele Stunden am Tag nahezu senkrecht einfällt. An den Polen verteilt sie sich auf eine größere Fläche (und muss einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen). Diese Unterschiede in der Erwärmung führen in der Folge zu Ausgleichsströmungen von Luft und Wasser.

Wie stark sich die Oberfläche – und damit die darüber liegende Luftschicht – erwärmt, hängt weiterhin stark von der Beschaffenheit der Oberfläche ab. Schneeflächen reflektieren einen großen Teil der einfallenden Sonnenstrahlung (ca. 90 %), Wälder nur einen Anteil von etwa 7 %, Wüsten etwa 25 %, Wasser je nach Einfallswinkel zwischen 3 % (senkrechte Einfall) und fast 100 % bei streifendem Einfall. Wolken verhindern zum großen Teil den Einfall. Den Anteil der reflektierten Strahlung an der einfallenden Strahlung nennt man Albedo. Die Albedo ist einer der Faktoren, die bestimmen, wie stark sich die Oberfläche erwärmt. Kleine Werte bedeuten eine große Absorption der Strahlungsenergie und damit tendenziell eine größere Erwärmung.

Oberfläche

Albedo

Oberfläche

Albedo

Meerwasser (steiler Einfall)

5-10

Sanddünen

35%

Wüstensand

25-30%

Neuschnee

20-25%

Fels

25-30%

Alter Schnee

40-70%

Asphalt

5-20%

Grasflächen

10-20%

Ackerboden (dunkel)

7-10%

Waldgebiet

15-18%

Laubwald

10-20%

Stadtgebiet

10-30%

Nadelwald

5-15%

Wolken

40-90%

Tabelle 3: Albedowerte

 

Neben dem Albedowert muss noch berücksichtigt werden, welchen Energiebetrag ein Material benötigt, um seine Temperatur zu erhöhen. Dies wird mit der Wärmekapazität erfasst, die angibt, welcher Energiebetrag einem kg des Materials zugeführt werden muss, damit seine Temperatur um ein Grad ansteigt.

Stoff

Wärmekapazität J/kgK

Stoff

Wärmekapazität J/kgK

Wasser

4182

Ziegelstein

835

Fels

840

Fichtenholz

2000

Sand (trocken)

835

Luft

1007

Tabelle 4: Wärmekapazitäten

 

Um ein Kilogramm Fels um 1°C zu erwärmen, braucht man nur ein Fünftel der Energie die man benötigt, um ein Kilogramm Wasser um 1°C zu erwärmen. Das bedeutet umgekehrt, bei gleicher zugeführter Energiemenge wird 1 kg Felsen (oder Sand oder Ziegelstein) seine Temperatur um den fünffachen Wert wie 1 kg Wasser erhöhen!

Noch eine weitere Stoffeigenschaft ist zu berücksichtigen. Wasser ist ein deutlich besserer Wärmeleiter als Felsen oder Sand. Die an der Oberfläche durch Sonnenstrahlung zugeführte Energie verteilt sich bei Wasser schneller in die Tiefe. Hinzu kommt noch das Vermischen durch Wasserbewegung und Konvektion. Die Temperatur von Gewässern und von Meeren ändert sich deshalb durch die Sonneneinstrahlung sehr wenig, obwohl eine große Energiemenge aufgenommen worden ist. Nachts oder bei Bewölkung kann das Wasser diese Energie wieder an die Luft abgeben – ohne dabei selbst nennenswert abzukühlen - und sorgt damit für eine relativ stabile Lufttemperatur. Ohne diesen Ausgleich würde die Lufttemperatur sehr viel stärker schwanken.

Damit ist verständlich, dass es zwischen verschiedenen Oberflächenbereichen auf der Erde erhebliche Temperaturunterschiede geben kann, global zwischen äquatorialen Gebieten und den Polgebieten, aber auch lokal zwischen Land und See, Stadt und umgebenden Wald usw.

Die Entstehung der Jahreszeiten

Die Entstehung der Jahreszeiten ist nicht – wie oft fälschlich angenommen wird – auf die unterschiedliche Entfernung der Erde zur Sonne zurückzuführen. Die Erde bewegt sich zwar auf einer Ellipse um die Sonne, diese ist aber fast kreisförmig und der Unterschied zwischen Sonnennähe (Perihel) und Sonnenferne (Aphel) ist vergleichsmäßig so gering, dass dies keinen Einfluss auf die Temperatur auf der Erde hat. Das merken wir vor allem daran, dass die Sonne uns am 2. Januar, also mitten im Winter, mit 147,1 Millionen km Entfernung am nächsten steht und am 6. Juli mit 152,1 Millionen km Entfernung den größten Abstand zur Erde hat. Dass die Entstehung der Jahreszeiten nichts mit der Entfernung der Erde zur Sonne zu tun hat, ist auch deshalb einleuchtend, da auf den beiden Halbkugeln immer die gerade entgegengesetzten Jahreszeiten herrschen. Der Wechsel der Jahreszeiten ergibt sich durch die Schrägstellung der Erdachse gegenüber der Umlaufbahn um die Sonne:

 


Abb. 1: Zur Entstehung der Jahreszeiten (Bild nach Wiesner und Claus, 1985)

 

Die Erde dreht sich bekannter Weise in einem Jahr einmal um die Sonne (genau sind es 365 Tage und 6 Stunden). Die 6 Stunden werden alle vier Jahre im sogenannten Schaltjahr als zusätzlicher Tag (29. Februar) eingefügt.

Die Orientierung der Erdachse bleibt dabei unverändert, das heißt sie zeigt immer in die gleiche Richtung. Sie steht allerdings nicht senkrecht auf der Umlaufbahn, sondern ist zu dieser geneigt. Der Winkel zwischen Erdäquator und Bahnebene beträgt dabei 23,5°. Deshalb ist einmal die Nord- und einmal die Südhalbkugel der Sonne zugeneigt. Während der europäischen Sommermonate ist die Nordhalbkugel zur Sonne hingeneigt (siehe Abb. 1), die Südhalbkugel ist dann von der Sonne weggeneigt und bekommt weniger Sonnenlicht, es herrscht Winter. Ist bei uns Winter, so ist die Nordhalbkugel von der Sonne abgewandt (siehe Abb. 1) und die Südhalbkugel neigt sich ihr zu, bekommt dann mehr Licht und die Tage sind länger.

Für den Temperaturunterschied in Sommer und Winter ist allerdings nicht die Dauer der Sonneneinstrahlung, sondern vor allem der Winkel des eintreffenden Sonnenlichts ausschlaggebend. Die Fläche, die ein von der Sonne kommendes (gedachtes) Lichtbündel bescheint, ist im Sommer sehr viel kleiner als im Winter. Das Licht trifft also im Sommer sehr viel konzentrierter auf dem Erdboden als im Winter und erwärmt diesen deshalb stärker.

 

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