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Freistetters Formelwelt

Unser Planet strahlt

Wenn die Erde abkühlt, kann es in der Folge immer noch kälter werden - und umgekehrt. Schuld daran ist die Albedo, das Rückstrahlvermögen der Oberfläche.
Natur im Kaukasus - die verschiedenen Flächen haben eine unterschiedliche Albedo

Wenn es im Winter bei uns kalt wird, empfinden viele Menschen das als unangenehm. Aber gleich, ob man Schnee und Eis mag oder nicht: Wir können uns sicher sein, dass irgendwann wieder der Sommer kommt. In der Geschichte der Erde war das allerdings nicht immer der Fall. Geologen vermuten, dass die Winter vor 600 bis 700 Millionen Jahren gar nicht mehr aufgehört haben. Damals war unser Planet komplett zugefroren; die Eismassen erstreckten sich von den Polen bis hin zum Äquator – bekannt ist die Phase als "Schneeball Erde".

Mitverantwortlich dafür war ein Phänomen, das sich "Eis-Albedo-Rückkopplung" nennt. Mit der Albedo beschreibt man in der Physik das Rückstrahlvermögen von Oberflächen. Für die Erde kann sie mit folgender Formel beschrieben werden:

Formel der Albedo
Formel der Albedo

Die terrestrische Albedo α setzt sich aus zwei Bestandteilen zusammen. αb, die so genannte "Blacksky"-Albedo, beschreibt das Reflexionsvermögen einer Oberfläche unter direkter Beleuchtung, die "Whitesky"-Albdeo αw den Reflexionsgrad unter diffuser Beleuchtung, deren Anteil an der Sonneneinstrahlung für einen gewissen Einstrahlungswinkel θi in der Formel mit D angegeben ist.

Die Albedo hat einen Wert zwischen 0 und 1; je größer die Zahl, desto mehr Strahlung wird reflektiert. Im Durchschnitt beträgt die Albedo der Erde 0,3 – im Detail kann der Wert jedoch je nach Beschaffenheit der Oberfläche sehr unterschiedlich sein. Die Wasseroberflächen der Ozeane reflektieren zum Beispiel kaum Licht, ihre Albedo liegt bei 0,06. Grünes Gras kommt auf einen Wert von 0,25, und Wüstensand hat eine Albedo von 0,4. Eis und Schnee liegen mit ihrer Rückstrahlfähigkeit an der Spitze. Die zugefrorenen Ozeane in den polaren Regionen können Albedo-Werte von bis zu 0,7 aufweisen, während frischer Schnee es bis auf 0,9 schafft, also den Großteil des einfallenden Sonnenlichts reflektiert.

Wenn Sonnenlicht aber nicht absorbiert werden kann, sondern reflektiert wird, kann es auch nicht zur Erwärmung beitragen. Genau das war, so vermuten einige Geologen, mitverantwortlich für die komplette Vereisung der Erde in der Vergangenheit. Als der Superkontinent Rodinia vor 800 Millionen Jahren auseinanderbrach, veränderten sich dadurch die atmosphärischen und geochemischen Zyklen. Mehr Regen führte zu stärkerer chemischer Verwitterung, und so wurde zunehmend Kohlendioxid aus der Atmosphäre als Kalk im Meeresboden abgelagert. Ohne das Treibhausgas CO2 sank die Temperatur, und die Gletscher an den Polen wuchsen. Je größer die Eismassen wurden, desto mehr Sonnenlicht wurde reflektiert und desto weiter ging die Durchschnittstemperatur in den Keller. Das führte zu noch mehr Gletscherwachstum, bis diese positive Rückkopplung irgendwann die gesamte Erde zu einem Schneeball werden ließ. Erst ausgiebiger Vulkanismus und der dadurch verursachte CO2-Ausstoß soll die Erde dann langsam wieder aufgetaut haben.

Die "Schneeball-Erde"-Hypothese ist unter den Fachleuten immer noch umstritten. Nicht umstritten sind dagegen die Auswirkungen, die wir auf Grund der Eis-Albedo-Rückkopplung in der Gegenwart erleben. Hier sehen wir den umgekehrten Effekt: Das von uns Menschen seit 150 Jahren in die Atmosphäre freigesetzte zusätzliche Kohlendioxid erhöht die globale Temperatur der Erde. Das führt zu einem Abschmelzen der Eismassen an den Polen – anstatt auf Eis und Schnee trifft die Sonnenstrahlung nun auf Wasser und Boden. Jetzt wird die Sonnenenergie stärker absorbiert als zuvor, die Erwärmung setzt sich fort, und noch mehr Eis und Schnee schmelzen.

Wenn Wissenschaftler heute die Veränderungen des Klimas berechnen, benutzen sie natürlich wesentlich mehr Formeln als nur die für die Albedo. Aber die Mathematik spricht auch hier eine eindeutige Sprache: Was wir an den Polen der Erde beobachten, sollten wir nicht ignorieren!

11/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 11/2018

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