3. Klima und Klimawandel
Die Ausstrahlung der Erde
Die von der Erde absorbierte Sonnenstrahlung muss wieder abgeführt werden, sodass sich ein Gleichgewicht zwischen aufgenommener und abgegebener Energie ergibt. Nur dann bleibt die Temperatur im Mittel konstant. Dies geschieht durch Temperaturstrahlung, die von der Erdoberfläche in Richtung Weltraum abgestrahlt wird. Wir hatten gesehen: Körper mit etwa 20°C (oder: 300 K) Temperatur strahlen im Bereich um 10 μm Wellenlänge.
Allerdings muss die von der Erdoberfläche ausgesandte Strahlung auf dem Weg in den Weltraum die Atmosphäre durchdringen. Dort befinden sich - wie auf der vorherigen Seite beschrieben - absorbierende Spurengase, insbesondere Kohlendioxid und Wasserdampf. Im Bereich 8 bis 13 μm ist ihre Absorption gering, weshalb dort die Strahlung ohne zu große Verluste in den Weltraum gelangt. Dieser Spektralbereich wird daher das atmosphärische Fenster im Infrarot genannt.
Infrarotmessungen mit Satelliten zeigen, wie die von der Erdoberfläche ausgesandte Strahlung durch die Atmosphäre beeinflusst wird. In der Grafik ist ein mit dem Spektrometer IRIS auf dem Satelliten NIMBUS 3 mit Blick auf die Sahara gemessenes Spektrum (schwarze Linie) im Vergleich zu einer Modellrechnung der Strahlungsübertragung (rote Linie) dargestellt. In der Modellrechnung wird für den Saharaboden eine Temperatur von 320 K (oder: 47°C) angenommen.
Ebenfalls sind Emissionskurven schwarzer Körper mit Temperaturen zwischen 220 und 320 K als gestrichelte Kurven in der Grafik eingetragen. Man erkennt, dass sich im Spektralbereich von 8 bis 13 μm - mit Ausnahme eines mit Ozon (O3) markierten Bereichs - Messung und Modell recht gut der Kurve eines scharzen Körpers mit 320 K Temperatur annähern. Offensichtlich misst das Spektrometer dort die vom warmen Saharaboden abgegebene Strahlung.
Bereiche mit kleineren Werten der gemessenen und modellierten Strahldichte sind jeweils mit den Spurengasen markiert, deren Absorption die Helligkeit vermindert: Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Ozon (O3). Absorption bedeutet: die Strahlung gelangt nur vermindert oder gar nicht in den Weltraum. Vielmehr erwärmt die von der Erdoberfläche ausgehenden Strahlung die Spurengase in den unteren Luftschichten. Die Spurengase in diesen Schichten strahlen zurück in Richtung Erdboden, was als atmosphärische Gegenstrahlung bezeichnet wird.
Dies ist der Treibhauseffekt.
Im Weltraum gemessene (schwarz) und modellierte (rot) Strahldichte der Erde bei Wellenlängen im Infrarot von 7 bis 25 μm (obere Skala). Die Wellenzahl (untere Skala) entspricht der invertierten Wellenlänge 1/
MODTRAN® steht für 'MODerate resolution atmospheric TRANsmission', ein Computermodell zur Simulation der Strahlungsausbreitung in der Atmosphäre.
Quelle: MODTRAN Infrared Light in the Atmosphere, The University of Chicago, USA.
Eine Zunahme der Treibhausgase verstärkt den Treibhauseffekt und führt zu einem wärmeren Klima.
