Insolation (Physik)

Begriff und physikalische Größe

Insolation, auch Solareinstrahlung oder Sonneneinstrahlung, bezeichnet den Einfall der Sonnenstrahlung auf eine Oberfläche oder einen Körper. In den Geowissenschaften ist damit der Fluss der Sonnenstrahlung gemeint, der auf einen Teil der Erdoberfläche, der Meeresoberfläche oder der Atmosphäre trifft. In der Ökologie bezeichnet Insolation entsprechend den Strahlungsfluss in ein Ökosystem. In der Medizin wird der Begriff außerdem als Synonym für den Sonnenstich verwendet.

Als physikalische Größe ist die Insolation eine Strahlungsflussdichte. Sie gibt die auf eine Fläche treffende Strahlungsleistung an und wird in Watt pro Quadratmeter (W/m²) gemessen. Die Strahlungsflussdichte pro Wellenlänge heißt Irradiation; ihre Einheit ist W/(m²·μm).

Entstehung, Einflussfaktoren und Messung

Die Insolation oberhalb der Erdatmosphäre wird durch die Solarkonstante beschrieben. Beim Durchgang durch die Atmosphäre wird ein Teil der Sonnenstrahlung reflektiert, ein weiterer Teil absorbiert oder gestreut. Diese Abschwächung heißt Extinktion.

An der Erdoberfläche unterscheidet man direkte und diffuse Strahlung. Die direkte Sonnenstrahlung kommt unmittelbar von der Sonne und wirft Schatten. Die diffuse Himmelsstrahlung erreicht die Oberfläche indirekt, nachdem sie in der Atmosphäre gestreut wurde. Die Summe aus direkter und diffuser Strahlung wird Globalstrahlung genannt.

Die Globalstrahlung wird mit einem Pyranometer gemessen. Für die direkte Strahlung an einem bestimmten Ort verwendet man Pyrheliometer oder Aktinometer.

Wie stark die Insolation an einem Ort ist, hängt vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlen ab. Dieser wird unter anderem durch die geographische Breite, die Ausrichtung beziehungsweise Exposition der bestrahlten Fläche sowie die Tages- und Jahreszeit bestimmt. Den Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und wirksamer Einstrahlung beschreibt das Lambertsche Gesetz. Zusätzlich können Trübungen der Atmosphäre die Insolation an der Erdoberfläche verringern.

Bedeutung für Klima, Wetter und Gesteine

Durch die Sonneneinstrahlung gelangt fast die gesamte Energie auf die Erde, die an ihrer Oberfläche und in der Atmosphäre im Klimasystem wirksam ist. Zusammen mit den räumlichen und zeitlichen Unterschieden des Einfallswinkels trägt sie zur Entstehung der Klimazonen bei.

Die Insolation beeinflusst außerdem Boden und Gesteine. Schwankt die Einstrahlung, verändert sich auch die Bodentemperatur deutlich. Die dabei entstehenden Temperaturspannungen können zur mechanischen Verwitterung beitragen. Diese sogenannte Insolationsverwitterung umfasst unter anderem Kernsprünge und Abschuppungen.

Auch meteorologische Erscheinungen können durch unterschiedliche Erwärmung entstehen. An langgestreckten Küsten erwärmt sich das Land tagsüber durch die Insolation schneller als das Meer. Die Luft über dem Land steigt dadurch tendenziell auf, während vom Meer her Luft nachströmt. So entsteht ein stetiger auflandiger Wind.

Langfristige Schwankungen

Die Verteilung der Sonneneinstrahlung auf der Erde verändert sich langfristig. Ursache sind zyklische Schwankungen der Erdbahn um die Sonne sowie Veränderungen der Präzession und der Neigung der Erdachse. Präzession bezeichnet dabei die langsame Veränderung der Ausrichtung der Erdachse. Diese Vorgänge laufen über Zeiträume von zehntausenden bis hunderttausenden Jahren ab und verändern den Einfallswinkel sowie die Verteilung der Einstrahlung auf Nord- und Südhalbkugel.

In Verbindung mit Rückkopplungseffekten erklären solche Insolationsschwankungen einen Teil der natürlichen Klimaveränderungen. Dazu gehört der Wechsel zwischen Kalt- und Zwischeneiszeiten im Känozoischen Eiszeitalter. Die entsprechenden regelmäßigen Änderungen werden als Milanković-Zyklen bezeichnet.

Auch die von der Sonne selbst abgegebene Strahlung verändert sich. Nach dem Standardmodell der Sonne hat ihre Strahlungsleistung während der etwa 4,5 Milliarden Jahre dauernden Erdgeschichte allmählich um ungefähr ein Drittel zugenommen. Daneben werden verschiedene Aktivitätszyklen mit Perioden von Hunderten bis Tausenden Jahren vermutet. Sicher nachgewiesen ist der etwa 11-jährige Schwabe-Zyklus. Er ist mit einer geringfügigen Änderung der Solarkonstanten um ungefähr 1 W/m² verbunden.

Bedeutung für Lebewesen, Medizin und Astronomie

Die Energie der Sonnenstrahlung ist für Lebewesen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise als Grundlage der Photosynthese.

In der Medizin betrachtet man die Wirkung und Dauer der Insolation auf den menschlichen Organismus als Sonnenbestrahlung. Eine übermäßige Sonneneinwirkung auf den Kopf kann einen Sonnenstich verursachen. Dieser wird auch Insolatio, Insolation oder Insolationsenzephalitis genannt. In der Dermatologie ist besonders die Sonnenexposition der menschlichen Haut von Bedeutung, wie sie etwa bei einem Sonnenbad stattfindet.

In der Astronomie wird die Insolation auch bei Exoplaneten beobachtet. Dies betrifft unter anderem sogenannte Hot Jupiter, also Exoplaneten mit engen Umlaufbahnen.