Energiebilanz der Erde

Die Energie- oder Strahlungsbilanz der Erde wird in einen kurzwelligen und langwelligen Teil aufgeteilt. Der Energieeintrag der Sonne in das Klimasystem der Erde beträgt im Mittel 342 W/m².

Fast die gesamte auf der Erde verfügbare Energie kommt in Form von elektromagnetischer Strahlung von der Sonne. Die Sonne strahlt aufgrund ihrer hohen Oberflächentemperatur von etwa 5.700° C hauptsächlich im kurzwelligen, sichtbaren Wellenlängenbereich. Diese Energie wird in alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt. Wie viel davon bei einem bestimmten Planeten ankommt, hängt von dessen Entfernung zur Sonne ab. Am oberen Rand der Erdatmosphäre entspricht der Eintrag an solarer Energie der Solarkonstante mit einem mittleren Wert von 1.367 W/m². Die Solarkonstante unterliegt aufgrund der variablen Sonnenaktivität langfristigen und kurzfristigen Variationen.

Sonnenstrahlung als Energiequelle

Tatsächlich gelangt nur ein Viertel der von der Sonne kommenden Energie an den Rand der Atmosphäre. Erstens ist zu jedem Zeitpunkt eine Hälfte der Erdkugel der Sonne abgewandt. Zweitens trifft die Strahlung aufgrund der Abflachung der Erdkugel in Richtung Pole nur am Äquator mit voller Intensität auf. So ergeben sich die in Abbildung 1 dargestellten 342 W/m² an solarer Energie, die den oberen Rand der Atmosphäre erreichen.

Die Strahlungsbilanz der Erde ist dafür verantwortlich, ob sich die Erde erwärmt oder abkühlt. Wird in Summe weniger Energie ins Weltall abgestrahlt wie auf die Erde eintrifft (positive Strahlungs- bzw. Energiebilanz), hat das eine Erwärmung der Erde zur Folge. Eine negative Energiebilanz hat folglich eine Abkühlung als Konsequenz. Alle in Abbildung 1 angebenen Zahlen sind globale Mittelwerte der einzelnen Energieflüsse und beschreiben eine insgesamt ausgeglichene Energiebilanz. Die einzelnen, mit Zahlen versehenen Energieflüsse sollen einen quantitativen Einblick in die wichtigsten Komponenten der Energiebilanz der Erde geben. Regional gibt es allerdings große Unterschiede, die in Zusammenhang mit vielen das Klima der Erde bestimmenden Faktoren stehen: Neigung der Erdachse, Verteilung der Wasserflächen, atmosphärische und ozeanische Zirkulation usw.

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Abb. 1: Geschätzte mittlere jährliche und globale Energiebilanz der Erde (Werte in W/m²) (Solomon u.a. 2007 bearb.).

Wie wird die Strahlung auf der Erde umgesetzt?

Von den einfallenden 342 W/m² werden im Mittel 107 W/m² von Aerosolen in der Atmosphäre, Wassertropfen in den Wolken und der Erdoberfläche reflektiert und gelangen so wieder zurück ins Weltall. Verantwortlich dafür ist die Reflektivität der Erde, die planetare Albedo, welche einen mittleren Wert von 31 % annimmt. Von den restlichen 235 W/m² werden 67 W/m² von Wasserdampf und anderen Teilchen in der Atmosphäre absorbiert und erwärmen sie direkt. Rund die Hälfte der Sonnenstrahlung, 168 W/m², erreicht die Erdoberfläche und wird von dieser absorbiert (->Erwärmung der Erdoberfläche). Die von der Erde aufgenommene Energie wird in Form von Konvektion und langwelliger Wärmestrahlung wieder in die Atmosphäre eingebracht, oder für die Umwandlung von Wasser in einen anderen Phasenzustand verwendet (latente Energie/Wärme).

Kurz- und langwelliger Anteil der Strahlungbilanz

Die einfallende Energie gehört zum kurzwelligen Anteil der Strahlungsbilanz. Kurzwellig nennt man die von der 5.500° C heißen Sonne kommende Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,2 bis 3 μm (Mikrometer), die der Mensch teilweise als Licht wahrnimmt. Die rund 15°C warme Erdoberfläche und Atmosphäre strahlt Energie in Form von langwelliger Wärmestrahlung (Wellenlänge 3-60 μm) ins Weltall ab. Diese langwellige Wärmestrahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar und befindet sich am andere Ende des Spektrums wie die einfallende kurzwellige Strahlung der Sonne.

Lebenswichtiger Treibhauseffekt

Die Erdoberfläche strahlt 390 W/m² in Form von langwelliger Wärmestrahlung ab. Nur etwa 40 W/m² können ungehindert durch die Atmosphäre ins Weltall entweichen. Die restlichen 350 W/m² werden aufgrund der Absorptionseigenschaften der Atmosphäre und den darin enthaltenen natürlichen Treibhausgasen in dieser aufgenommen. Die Eigenschaft der Treibhausgase, kurzwellige Strahlung ungehindert durchzulassen, aber langwellige Strahlung zu absorbieren, hat den viel zitierten Treibhauseffekt zur Folge. Die dadurch verursachte atmosphärische Gegenstrahlung ist 324 W/m², die wieder in Richtung Erdoberfläche abgestrahlt wird. Dieser natürlich bedingte Treibhauseffekt ist eine entscheidende Vorraussetzung für die lebensfreundlichen, klimatischen Bedingungen auf der Erde. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt würde auf der Erde keine angenehme, mittlere Temperatur von 15°C vorherrschen, sondern eisige -18°C!
Wie bereits zuvor festgestellt, wird von der langwelligen Abstrahlung der Erdoberfläche (390 W/m²), 324 W/m² durch die atmosphärische Gegenstrahlung wieder in Richtung Erdoberfläche abgegeben. Wie in Abbildung 1 dargestellt, gehen wiederum davon 24 W/m² aufgrund atmosphärischer Konvektion und 78 W/m² aufgrund der benötigten latenten Wärme für Verdunstung (Evatranspiration) verloren. Die Summe dieser Anteile ergibt insgesamt 168 W/m², die ins Weltall abgestrahlt werden. Mit den auf die Erdoberfläche einfallenden 168 W/m² ist die getroffene Annahme einer ausgeglichenen Energiebilanz erfüllt.

Im Prinzip strebt jeder Körper nach einem energetischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung. Die vielen einzelnen Prozesse und ihre komplexen Beziehungen zueinander ergeben ein höchst dynamisches Verhalten der Temperatur der Erde, das um den Gleichgewichtszustand schwankt. Trenerth u. a. (2009) berechneten für den Zeitraum 2000-2004 eine leicht positve Energiebilanz (~ +1W/m²) für die Erde.

Literatur:

Böhm R., Schöner W., Auer I., Hynek B., Kroisleitner C., Weyss G. (2007): Gletscher im Klimawandel. Vom Eis der Polargebiete zum Goldbergkees in den Hohen Tauern. Wien: Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, 111 Seiten, ISBN 978-3-200-01013-0

Häckel H. (2005). Meteorologie. 5. Aufl. Stuttgart: Ulmer, 447 Seiten, ISBN 3-8252-1338-2

Raith W. (Hg.) (2001): Bergmann Schaefer – Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 7 – Erde und Planeten. 2. Aufl. Berlin: de Gruyter, 727 Seiten, ISBN 978-3-11-019802-7

Rahmstorf S., Schellnhuber H.J. (2007): Der Klimawandel. In: Wissen in der Beck'schen Reihe, C.H. Beck oHG, München.

Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K.B., Tignor M., Miller H.L. (Hg.) (2007): Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of working group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, New York: Cambridge University Press, 996 Seiten, ISBN 9780521705967 (Website)

Trenberth K., Fasullo J.T., Kiehl J. (2009): Earth's Global Energy Budget. Bulletin of the American Meteorological Society, 90, 311-324, doi:10.1175/2008BAMS2634.1.

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