Strahlungshaushalt der Erde einfach erklärt

Die Sonne liefert den wichtigsten Energieeintrag in das thermische System Erde. Sie sendet überwiegend kurzwellige Strahlung aus: ultraviolette Strahlung, sichtbares Licht und einen Teil der Infrarotstrahlung.

Die kühlere Erde gibt aufgenommene Energie überwiegend als langwellige Wärmestrahlung im Infrarotbereich ab. Das ist terrestrische Strahlung. Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts von rund −273 °C strahlt. Je wärmer er ist, desto stärker strahlt er; sein Spektrum reicht weiter zu kurzen Wellenlängen. Deshalb haben Sonne und Erde verschiedene Strahlungsschwerpunkte.

Die Solarkonstante bezeichnet die Strahlungsleistung auf einer zur Sonnenstrahlung senkrechten Fläche außerhalb der Atmosphäre. Ein älteres vereinfachtes Modell rechnet mit einem Wert von 1367 bis 1368 W/m²; neuere Messungen liegen um 1361 W/m². Die Erde fängt Strahlung mit ihrer kreisförmigen Querschnittsfläche auf. Im Kugelmodell verteilt sich die Leistung über eine viermal so große Oberfläche. Eine Erdseite liegt dabei im Dunkeln.

Mit dem neueren Wert ergibt sich 1361\,\mathrm{W/m^2}:4=340{,}25\,\mathrm{W/m^2}, gerundet etwa 340 W/m². Die älteren Werte führen zu rund 342 W/m². Solche Werte sind globale und zeitliche Mittel und keine Einstrahlung an einem bestimmten Ort.

In diesem vereinfachten Modell treffen global gemittelt 340 W/m² ein; 30 % werden reflektiert. Das sind 0{,}30\cdot340\,\mathrm{W/m^2}=102\,\mathrm{W/m^2}. Die übrigen 70 % sind 0{,}70\cdot340\,\mathrm{W/m^2}=238\,\mathrm{W/m^2}. Im Gleichgewicht gibt das Erdsystem im Mittel 238 W/m² ins All ab.

Die Atmosphäre lässt einen großen Teil der kurzwelligen Sonnenstrahlung durch. Wolken, Teilchen und die Oberfläche reflektieren einen Teil. Andere Anteile werden in der Atmosphäre oder an der Oberfläche absorbiert.

Die erwärmte Oberfläche sendet langwellige Wärmestrahlung aus. Treibhausgase und Wolken absorbieren einen Teil davon. Sie emittieren selbst Strahlung: nach oben ins All und nach unten als atmosphärische Gegenstrahlung zur Oberfläche. Das ist Absorption und erneute Emission, keine bloße Reflexion. Bei gleicher Reflexion des Sonnenlichts läge die berechnete globale Mitteltemperatur ohne diesen Effekt im vereinfachten Modell bei etwa −18 °C, mit ihm bei etwa 15 °C. Die Differenz beträgt rund 33 °C.

Durch das atmosphärische Fenster, einen Bereich um etwa 10 µm, kann ein Teil der Wärmestrahlung direkt entweichen. Mehr Treibhausgase wie CO₂ verändern die Absorption und Emission langwelliger Strahlung. Das verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt; dieser zusätzliche Einfluss heißt anthropogener Treibhauseffekt.

Ein globales, gerundetes Modell im IPCC-Bericht von 2021 verteilt 340 W/m² Sonnenstrahlung auf 100 W/m² Reflexion, 80 W/m² Absorption in der Atmosphäre und 160 W/m² Absorption an der Oberfläche. Die drei Teilwerte ergeben zusammen 340 W/m².

Zur Oberfläche gelangen zusätzlich 342 W/m² Gegenstrahlung. Mit den 160 W/m² absorbierter Sonnenstrahlung erhält sie insgesamt 502 W/m². Nach Abgabe von 398 W/m² als Wärmestrahlung bleiben rechnerisch 104 W/m².

Weitere Flüsse führen Energie ab: latente Wärme durch Verdunstung und spätere Kondensation sowie sensible Wärme durch erwärmte, aufsteigende Luft. Im gerundeten Modell sind das 82 W/m² und 21 W/m², zusammen 103 W/m². Die Abweichung zu 104 W/m² entsteht durch die Rundung der Modellwerte.

An der Obergrenze der Atmosphäre betrachtet man das gesamte System Erde–Atmosphäre. Im langfristigen Gleichgewicht entspricht die einfallende Sonnenleistung der Summe aus reflektierter Sonnenleistung und abgegebener Wärmestrahlung. Gleichwertig gilt: Die absorbierte Sonnenleistung entspricht der abgegebenen Wärmestrahlung.

Bei 340 W/m² Einstrahlung und 339 W/m² Rückgabe beträgt der Überschuss in einem vereinfachten Beispiel 340\,\mathrm{W/m^2}-339\,\mathrm{W/m^2}=1\,\mathrm{W/m^2}. Ein NASA-Modellbild von 2014 zeigt etwa 0,6 W/m²; eine NASA-CERES-Präsentation von 2010 nennt etwa 0,9 W/m². Zeitraum, Modell und Rundung unterscheiden sich; die Zahlen sind daher nicht unmittelbar vergleichbar. Beide bedeuten einen positiven Überschuss.

Globale Mittelwerte gelten nicht für jeden Ort. Einfallswinkel, Tageslänge, Bewölkung und Oberfläche beeinflussen die örtliche Bilanz. Beispielhafte Albedowerte sind für Schnee etwa 40 bis 90 % Reflexion, für Wüste 20 bis 45 % und für Wald 5 bis 20 %. Eine höhere Albedo bedeutet zunächst mehr Reflexion und weniger Absorption. Für eine regionale Klimabeurteilung wirken zusätzlich Atmosphäre und Wärmetransport mit.