3. Klima und Klimawandel

Die Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche

In der Atmosphäre geht an einem klaren Sonnentag bei hohem Sonnenstand etwa 40% der Strahlung durch Absorption und Streuung verloren. Mit anderen Worten, unter günstigsten Bedingungen erreichen etwa 60% der Sonnenstrahlung die Erdoberfläche, dies sind etwa 1000 W/m².

Streuung wird von allen Atomen und Molekülen der Atmosphäre verursacht. Sie findet an den Gasmolekülen als sogenannte Rayleigh-Streuung statt und erzeugt das Himmelsblau, und lässt die Erde aus dem Weltraum blau erscheinen.

Für die Absorption spielen der Stickstoff der Luft gar keine und der Sauerstoff nur eine sehr geringe Rolle; es sind fast ausschließlich Spurengase, die das Licht absorbieren. Der sichtbare Bereich wird von ihnen fast gar nicht beeinflusst. Die folgende Grafik zeigt: die Wellenlängen von 0,4 bis 0,75 μm (oder: 400 bis 750 nm) bilden für die Sonnenstrahlung das atmosphärische Fenster im sichtbaren Spektralbereich.

Oben: Prozentualer Strahlungsverlust beim Durchgang der Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre über dem Logarithmus der Wellenlänge aufgetragen. Die Sonne steht im Zenit, die Luft ist ideal klar und wolkenfrei. Unten: Beiträge der wichtigsten Spurengase zur Absorption sowie der Luftmoleküle zur Rayleigh-Streuung.
Quelle: Wikimedia Commons, modifiziert.

Die wesentlichsten Spurengase sind:

• das Ozon (O₃) in der Stratosphäre. Es schützt uns vor dem schädlichen Ultraviolett der Sonnenstrahlung. Tritt es durch Schadstoffe wie etwa Autoabgase auch in Bodennähe auf, schädigt es jedoch unsere Lungen.
• das bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas entstehende Kohlendioxid und die Stickoxide,
• Methan, das beim Anbau von Reis, infolge Rinderzucht und aus schmelzenden Permafrostböden freigesetzt wird,
• Wasserdampf, der bei steigenden Temperaturen durch Verdunstung in zunehmender Menge in die Atmosphäre gelangt.

Hinzu kommen Teilchen in der Luft wie etwa Staub, Ruß, Dunst, Nebel und Wolken. Ihr Auftreten ist sehr variabel und erzeugt unser immer veränderliches Wetter. Als Beispiel zeigt die folgende Grafik, dass sich selbst im Monatsmittel von Jahr zu Jahr unterschiedliche Werte der Sonneneinstrahlung ergeben können.

Monatliche Bestrahlungsstärke (direkte Sonnenstrahlung und Himmelsstrahlung) am Boden in Mitteleuropa in 2016-2018 verglichen mit der monatlichen Einstrahlung bei klarem Himmel. Oben links sind die Jahressummen im prozentualen Vergleich zum Wert bei klarem Himmel angegeben.
Quelle: Energiemeteorologie, Universität Oldenburg.