4. Absorption und Streuung

Die Transmission

In der Form

wird das Lambertsche Gesetz in der Physik und Biologie, in den Umwelt- und Geowissenschaften verwendet. Chemiker formulieren das Gesetz etwas anders und leiten daraus das Lambert-Beersche Gesetz ab, mit dem sich die Konzentration absorbierender Substanzen bestimmen lässt.

Die Durchsichtigkeit oder Transmission T auf dem Weg von 0 bis $x$ ist das Verhältnis

sie nimmt Werte zwischen 0 für undurchsichtige Stoffe und 1 für vollkommen durchsichtige Stoffe, oder zwischen 0 und 100%, an.

Der Grenzfall $T=1$ kommt nicht vor. Die beiden Glasfenster einer Probenküvette reflektieren bei senkrechten Lichteinfall etwa 10%, die Transmission der Scheibe ist daher nicht besser als 90%. Strahlung wird durch Materie auch immer gestreut. Die Bedeutung von Streuung und Absorption für die Transmission der Atmosphäre zeigt die folgende Abbildung. Sie ist das Ergebnis einer Modellrechnung, in der von senkrechtem (d.h. dem kürzestmöglichen) Strahlungsdurchgang durch die Atmosphäre bei bester Sichtweite und mit typischen Konzentrationen der Treibhausgase ausgegangen wurde.

Transmission der Atmosphäre über der Wellenlänge von 200 nm bis 70 μm auf logarithmischer Skala. Der zunehmende Verlust an Transmission vom VIS in das UV kommt durch Rayleigh-Streuung der Gasmoleküle und durch Absorption des Ozon (O₃) zustande. Die Einbrüche im roten Bereich und im IR werden durch Absorption von Treibhausgasen, in geringerem Umfang auch durch Sauerstoff (O₂) und Ozon verursacht. Welche Gase dies verursachen werden wir in einem folgenden Abschnitt behandeln.
Quelle: Wikimedia, modifiziert

Die Grafik zeigt, dass der Grenzfall $T=0$ an vielen Stellen im Spektrum vorkommt. Ozon schützt uns vor gefährlichem UV, aber auch Treibhausgase führen in mehreren Bereichen des IR zu einem vollkommenen Fehlen an Transmission. Dort ist die Atmosphäre ein schwarzer Körper. In den Bereichen veränderlicher Transmission ist sie ein farbiger Körper. In einem der nächsten Abschnitte wird gezeigt, welche Gase diese Absorptionen hervorrufen.

Die hohen Transmissionswerte im Sichtbaren machen die Atmosphäre für das Sonnenlicht durchsichtig. Dies gilt in gleicher Weise für die von der Erdoberfläche bei etwa 10 μm ausgesandte Temperaturstrahlung. Diese Spektralbereiche sind die für den Strahlungshaushalt wichtigen optischen Fenster der Atmosphäre, die die Temperaturen auf der Erdoberfläche bestimmen.

Meist ist die Transmission der Atmosphäre jedoch sehr viel geringer als in der Grafik links zu sehen. Das folgende Weltraumfoto zeigt, wie Staub, Dunst und insbesondere Wolken die Sicht auf die Erdoberfläche behindern. Sie verringern nicht nur die Durchsichtigkeit im sichtbaren Bereich, sondern schließen wegen der hohen Absorption des Wassers auch die optischen Fenster im Infrarot. Neben anderen Treibhausgasen spielt das Wasser in der Atmosphäre daher für Wetter und Klima eine große Rolle.

Foto des Pazifik von der Internationalen Raumstation ISS. Im Gegenlicht der Sonne finden sich vielfältige Wolkenstrukturen, welche die Sicht auf die Erdoberfläche behindern. Nur im mittleren Teil des Bilds ist der pazifische Ozean durch das Glitzern des Sonnenlichts an der Wasseroberfläche wahrnehmbar. Die höheren Luftschichten zeigen sich als dünnes blau leuchtendes Band am Horizont.
Quelle: NASA - Johnson Space Center

Wie Transmissionsdaten oder Absorptionskoeffizienten experimentell bestimmt werden können, wird - nicht für die ganze Atmosphäre, aber für Proben, die in einen kleinen Glasbehälter passen - auf den folgenden Seiten gezeigt.