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Lexikon der Biologie: Strahlungsbilanz

Strahlungsbilanz w, Differenz zwischen den Strahlungsflüssen, die das System Erde/Atmosphäre (Erde) in Form kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung von der Sonne empfängt und die das System Erde/Atmosphäre in Form langwelliger Strahlung wieder in den Weltraum abstrahlt. Der Strahlungshaushalt beschreibt die abwärts und aufwärts gerichteten Strahlungsflüsse in der Atmosphäre und deren Änderungen durch Reflexion, Streuung, Absorption und Emission. Sind die Anteile von absorbierter Strahlungsenergie und im Infraroten (d.h. im langwelligen Spektralbereich) abgegebener Strahlungsenergie gleich groß, ist die Strahlungsbilanz Null und der Strahlungshaushalt ausgeglichen. Unter diesen Bedingungen steht eine Atmosphärenschicht im Strahlungsgleichgewicht. Die Stratosphäre (Atmosphäre [Abb.]) befindet sich global und zeitlich gemittelt im Strahlungsgleichgewicht, während die Troposphäre ein deutliches Defizit im Strahlungshaushalt aufweist. Der über 1 Jahr gemittelte extraterrestrische Strahlungsfluß der Sonne auf eine senkrecht zur Verbindungslinie Erde–Sonne stehende Fläche, die sog. Solarkonstante, beträgt 1368 W/m2. Auf die gesamte Erdoberfläche bezogen, ergibt sich eine mittlere Bestrahlungsstärke von 1/4 des Wertes der Solarkonstanten (wegen des Verhältnisses der Kreis- zur Kugeloberfläche), 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 sog. 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 ( vgl. Abb. ). Ein Teil der einfallenden Sonnenstrahlung wird in der Atmosphäre absorbiert, nämlich 3% in der Stratosphäre (hauptsächlich durch Ozon), 19% durch Gase und Aerosole in der Troposphäre sowie 4% durch Wolken. Der Rest der Sonnenstrahlung gelangt zur Erdoberfläche und wird dort absorbiert (44%), d.h. dem Erd-Boden und den Ozeanen (Meer) wird relativ viel Sonnenenergie direkt zugeführt (Bodentemperatur). 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 gelangen in den atmosphärischen „Fenstern“ direkt in den Weltraum. Die Gase, Aerosole und Hydrometeore (in der Atmosphäre befindliche Produkte aus Wasserdampf in flüssiger oder fester Form) 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 (Wasserkreislauf), trägt mit 24% wesentlich dazu bei. Das übrigbleibende Defizit der Troposphäre wird durch Flüsse fühlbarer Wärme (Medizinmeteorologie) beseitigt. Zusätzlich zum lebenswichtigen natürlichen Treibhauseffekt führt die anthropogene Emission von Spurenstoffen (Spurengase) 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 (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O; Lachgas, Stickoxide), Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW; Luftverschmutzung) 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. Bereits in mittleren Breiten größer 40º ist der Strahlungshaushalt negativ. Der zonale Energiehaushalt wird durch großräumige Transporte mittels der globalen atmosphärischen Zirkulation und der Meeresströmungen ausgeglichen. Ausstrahlung, Energieflußdiagramm (Abb.), Klima, Wärmehaushalt.



Strahlungsbilanz

Schematische Darstellung der Strahlungsbilanz des Systems Erdoberfläche/Atmosphäre.
Sowohl die Energie, die der Erde durch die solare Strahlung zugeführt wird, als auch die Energie, die von der Erde als Infrarotstrahlung abgegeben wird, muß die Atmosphäre ganz oder teilweise durchdringen, wird von ihr teilweise reflektiert, gestreut, absorbiert oder auch emittiert. (Die auf eine ebene Fläche fallende Gesamtstrahlung wird als Globalstrahlung bezeichnet; sie umfaßt die direkte Sonnenstrahlung und die diffuse Himmelsstrahlung. Die kurzwellige Himmelsstrahlung besteht tagsüber aus in der Atmosphäre gestreuter und an Wolken reflektierter Sonnenstrahlung und nachts aus Stern-, Polar-, Zodiakal- und gestreutem Erdlicht.) Die auf der Erde herrschenden Temperaturen stellen sich so ein, daß die thermische Abstrahlung der Erde die einfallende solare Strahlung gerade kompensiert. Aufgrund der Absorptionsbanden vieler atmosphärischer Spurengase im Infraroten ist die Erdatmosphäre in weiten Teilen des infraroten Spektralbereichs für die irdische Abstrahlung undurchlässig; ein großer Teil der Strahlung wird von der Atmosphäre zum Erdboden zurückgestrahlt. Diese sog. Gegenstrahlung ist Ursache des natürlichen Treibhauseffekts, aufgrund dessen die bodennahen Temperaturen um etwa 30 bis 33 Kelvin über den Temperaturen liegen, die sich für eine hypothetische, im infraroten Spektralbereich transparente Atmosphäre einstellen würden. Durch die vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase (vor allem CO2, CH4, N2O und FCKW) verstärkt sich die Gegenstrahlung, wodurch eine Temperaturzunahme der Erdoberfläche in der Zukunft unausweichlich scheint (Klimaänderungen). Aufgrund der unterschiedlichen Tageslängen und der unterschiedlichen Einfallswinkel der Sonnenstrahlen variiert die auf die Erde auftreffende solare Strahlung stark mit der geographischen Breite und der Jahreszeit. Diese Unterschiede sind Ursache der großräumigen atmosphärischen Zirkulation, die durch meridionalen Transport fühlbarer und latenter Wärme die infolge der unterschiedlichen solaren Einstrahlung zu erwartenden starken Temperaturunterschiede teilweise ausgleicht.

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