Sonnenstrahlung

Crepuscular2.jpg]] Die Sonnenstrahlung oder Solarstrahlung ist die Strahlung der Sonne. Die elektromagnetische Strahlung hat ihr Maximum im sichtbaren Licht, umfasst aber auch andere elektromagnetische Wellen von Röntgen- und UV-Strahlung bis zu Radiowellen. Die Partikelstrahlung (auch als Sonnenwind bezeichnet) enthält hauptsächlich schnelle Ionen, die wegen des Erdmagnetfeldes kaum die Erdoberfläche erreichen.

Als Sonnenlicht werden neben der Sonnenstrahlung bezeichnet:

das sichtbare Licht (Lichtspektrum) der Sonne.
die durch die Erdatmosphäre gefilterte Sonnenstrahlung.

Strahlungsgesetze und Strahlungsarten

Das Strahlungsmaximum liegt im gelb-grünen Licht, was sich aus der Sonnentemperatur von ca. 6000 °C und den Strahlungsgesetzen von Planck und Wien ergibt.

Zusammen mit den roten und blauen Lichtanteilen empfinden unsere Augen diese Lichtstrahlung als weiß, während die nicht-sichtbare Strahlung großteils auf Infrarot entfällt, auf deren Wirkung die Wärmerezeptoren der Haut ansprechen. Von den kurzwelligeren Strahlen gelangt noch ein Teil des UV-Lichts zu uns (siehe Sonnenbrand und Ozonloch), während die vereinzelte Röntgenstrahlung von Sonneneruptionen (Flares) und die kosmische Strahlung (wie zum Beispiel ionisierende Strahlung) von der Lufthülle abgeschirmt werden.

Solarkonstante

Hauptartikel: Solarkonstante

Die gesamte Strahlungsleistung der Sonne, die pro Quadratmeter auf die Erde einfällt, wird durch die Solarkonstante beschrieben. Sie beträgt im Mittel

E_0 = 1{,}367\ \mathrm{kW / m^2}

Ihr tatsächlicher Wert variiert jedoch um 3 bis 4 Prozent in beide Richtungen, weil sich der Abstand Erde-Sonne zwischen Januar und Juli von 147,1 bis 152,1 Millionen km ändert - also um ± 1,7 % (Exzentrizität der Erdbahn, siehe auch Milanković-Zyklen). Die Strahlungsleistung hängt allerdings auch von dem Winkel zur Sonne ab. Dieser verändert sich im laufe des Jahres. Zwischen September und März ist auf der Nordhalbkugel die Sonnenstrahlung weniger groß als auf der Südhalbkugel. Zwischen März und September ist dies genau umgekehrt.

Der resultierenden Bestrahlungsstärke von 1.325 bis 1.420 W/m² überlagert sich noch ein quasi-periodischer Einfluss von 0,1 % wegen des 10-12jährigen Sonnenfleckenzyklus. Er wurde um 1700 erkannt und erstmals 1843 von Samuel Heinrich Schwabe in seiner Wirkung auf die Sonnenstrahlung untersucht.

Globalstrahlung

Hauptartikel: Globalstrahlung

Je nach Ort und Zeit ist die Wahrnehmung der Sonnenstrahlung durch das Klima oder weitere Bedingungen beeinflusst. Erreicht das Licht ungehindert durch Wolken die Erdoberfläche, herrscht dort Sonnenschein. Dieses Licht wird auch Direktstrahlung genannt. Licht, das über Reflexion an Wolken, Wasser- und Staubteilchen die Erdoberfläche erreicht, erzeugt die Diffusstrahlung. Diffusstrahlung und Direktstrahlung an einem Ort ergeben zusammen die dort einfallende Globalstrahlung. Diese weist erheblich größere Schwankungen als die Solarkonstante auf und ist nur für einen bestimmten Ort der Erdoberfläche zu einem Zeitpunkt messbar.

Dämpfung durch die Atmosphäre

Die bis zur Erdoberfläche durchdringende Strahlung ist jedoch viel geringer, weil

die Erdatmosphäre und in ihr befindliche Aerosole die elektromagnetische Strahlung zu 20 bis 40 Prozent absorbieren bzw. ins All reflektieren, unter anderem in Abhängigkeit von der Bewölkung.
der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen nur in den Tropen bei idealen 90° liegen kann, siehe hierzu den nächsten Abschnitt und den Artikel Sonnenenergie.

Steht die Sonne im Zenit, treffen auf Höhe des Meeresniveaus maximal etwa 800 W/m² ein, im Vergleich auf 3-4 km hohen Bergen jedoch etwa 1000 W/m². Wolken vermindern diesen Wert nochmals, doch geht der Erde dabei nur ein Teil der Energie "verloren" - nämlich jener Anteil, der ins Weltall zurück reflektiert wird. Das Air Mass gibt einen Wert für die Länge des Weges durch die Atmosphäre an.

Minderung durch schrägen Lichteinfall

Wesentlicher noch ist der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung - der Winkel zwischen den Strahlen und dem Horizont. Fällt die Licht- und Wärmestrahlung schräg ein, verteilt sie sich über eine größere Fläche auf der Erdoberfläche. Dieser Effekt verläuft genähert mit dem Sinus des Höhenwinkels, hängt aber lokal natürlich auch vom Gelände ab. Wenn ein Berghang im Schatten liegt, wird dies großteils von den im prallen Sonnenlicht liegenden Hängen wettgemacht, doch entstehen Temperaturunterschiede und lokale Winde (siehe Aufwind, Segelflug).

Der Einfluss der Jahreszeiten ist in den Tropen kaum merklich, weil der Sonnenstand dort zu Mittag immer steil ist und sich sein Sinus kaum ändert. Dagegen wirkt der Unterschied zwischen Sommer und Winter umso mehr, je näher man zu den Polen kommt.

In Mitteleuropa steht die Mittagssonne im Sommer 60-65° hoch und strahlt bei idealen Bedingungen mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 1000 Watt/m² herab, gemessen in der Horizontalen. Im Winter sind es nur 13-18° und selbst zu Mittag nur etwa 200 Watt/m² (ebenfalls in der Horizontalen gemessen). Für die Erwärmung der Erdoberfläche ist zusätzlich die Dauer des hellen Tages wichtig, die Ende Juni etwa 16 Stunden beträgt, im Dezember aber nur 8 Stunden. Daher liegt das Verhältnis der gesamten eingestrahlten Sonnenenergie zwischen diesen Monaten bei etwa 5:1 bis 10:1, wird aber durch Wärmespeicherung im Erdboden und vor allem in den Meeren gemildert.

Betrachtet man die winterliche Situation nicht nur in der horizontalen Ebene, so ist die einfallende Energie natürlich höher. Normal zum Lichteinfall erreicht sie den Großteil der Sommerwerte, was über die Mittagsstunden zur Wärmeproduktion mit Solarkollektoren oder in Wintergärten nutzbar ist.

Messung

Die Messung der Sonnenstrahlung erfolgt über Pyranometer, Pyrheliometer oder Sonnenscheinautographen, wobei Letztere vor allem zur Bestimmung der Sonnenscheindauer benutzt werden, die aber auch näherungsweise auf die Sonnenstrahlung umgerechnet werden kann. Die Solarkonstante wird hingegen über Radiometer gemessen.

Strahlungsbilanz

Hauptartikel: Strahlungshaushalt der Erde

Die Temperatur der Erdoberfläche wird global von der Strahlungsbilanz bzw. dem Strahlungshaushalt bestimmt - dem Zusammenwirken von Absorption und Reflexion sowie Re-Emission und Streuung.

Weblinks

www.sfdrs.ch - globale Strahlungsbilanz (mit Animation)

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