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Solarkonstante
Bestrahlungsstärke der Sonne in Deutschland ; größtenteils klarer Himmel, bis 1000 W/m², bis 500 W/m² ; leichte bis mittlere Bewölkung, bis 600 W/m², bis 300 W/m².
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Definition und festgelegter Wert
Die Solarkonstante E_0 ist die langjährig gemittelte extraterrestrische Bestrahlungsstärke der Sonne bei mittlerem Abstand Erde-Sonne. Sie beschreibt also, welche Strahlungsleistung pro Quadratmeter außerhalb der Erdatmosphäre auf eine Fläche trifft, die senkrecht zur Strahlrichtung steht. Der Begriff „Konstante“ ist dabei nur eine Konvention: Die Solarkonstante ist keine Naturkonstante, weil sie durch den Abstand Erde-Sonne und kleine Schwankungen der Sonnenstrahlung beeinflusst wird.
Seit 2015 ist der von der IAU festgelegte Wert E_0 = 1361 W/m² = 1361 J/(m² s). Dieser Wert wurde in Resolution B3 festgelegt und wird auch bei CODATA geführt. Vorher galt der Wert 1367 W/m², der 1982 von der Weltorganisation für Meteorologie in Genf festgelegt worden war.
Jahreszeitliche Schwankungen und Atmosphäre
Weil die Erdbahn leicht elliptisch ist, ändert sich der Abstand zwischen Erde und Sonne im Laufe des Jahres. Er schwankt zwischen 147,1 und 152,1 Millionen Kilometern. Dadurch liegt die Bestrahlungsstärke außerhalb der Atmosphäre zwischen 1317 und 1408 W/m². Im Perihel, dem sonnennächsten Punkt der Erdbahn, liegt sie etwa 3,4 Prozent über dem Jahresmittel. Im Aphel, dem sonnenfernsten Punkt, liegt sie etwa 3,3 Prozent darunter.
An der Erdoberfläche kommt weniger Sonnenenergie an als außerhalb der Atmosphäre. Bei klarem Wetter erreichen in Meereshöhe etwa drei Viertel der eingestrahlten Sonnenenergie den Boden, weil ein Teil in der Atmosphäre reflektiert und absorbiert wird. Deshalb sinkt die am Boden ankommende Leistung selbst bei klarem Wetter auf etwa 1000 W/m². Schon leichte Cirruswolken können den Wert auf etwa die Hälfte des Ausgangswertes senken, also unter 700 W/m².
Schwankungen der Sonne und langfristige Entwicklung
Die Strahlungsleistung der Sonne ist insgesamt nahezu konstant. Der elfjährige Sonnenfleckenzyklus verursacht im sichtbaren Spektrum und in der Gesamtstrahlung nur Schwankungen von weniger als 0,1 Prozent.
In bestimmten Wellenlängenbereichen können die Schwankungen aber viel stärker sein. Im UV-Bereich unterhalb 170 nm kann sich die Strahlung um den Faktor 2 ändern. Im Röntgenbereich zwischen 0,2 und 3 nm kann die Strahlungsleistung um bis zu zwei Größenordnungen schwanken, also um den Faktor 100. Bei Sonneneruptionen sind im Röntgenbereich zwischen 0,1 und 0,8 nm sogar Änderungen um mehr als fünf Größenordnungen möglich, also um einen Faktor größer als 100.000.
Auch mittelfristige Störungen der Erdbahn beeinflussen die Bestrahlungsstärke auf der Erde; sie werden durch die Milanković-Zyklen beschrieben. Langfristig nimmt die Strahlungsleistung der Sonne durch ihre natürliche Entwicklung als Hauptreihenstern um etwa ein Prozent alle 100 Millionen Jahre zu. Kurz nach ihrer Entstehung hatte die Sonne nur etwa 70 Prozent ihrer heutigen Leuchtkraft. Für das Klima der frühen Erdgeschichte ist das wichtig, für die Geschichte der Menschheit jedoch nicht.
Winkelabhängigkeit und Energiebilanz der Erde
Die Angabe in Watt pro Quadratmeter bezieht sich immer auf eine Fläche, die senkrecht zur einfallenden Strahlung steht. Wenn Sonnenlicht schräg auf eine Oberfläche fällt, verteilt sich dieselbe Strahlung auf eine größere Fläche. Dann beträgt die Strahlungsleistung bezogen auf die bestrahlte Fläche E_0 · sin(α). Dabei ist α der Winkel zwischen der Einfallsrichtung der Strahlung und der Oberfläche.
Die gesamte ständig auf die Erde einstrahlende Strahlungsleistung der Sonne kann mit der Solarkonstante und der Fläche der Erdkontur berechnet werden. Die Erdkontur ist näherungsweise ein Kreis mit dem mittleren Erdradius R_0 = 6.371 km und der Fläche πR_0². Damit ergibt sich E_0 · πR_0² = 173,55 · 10^15 W, also ungefähr 174 Petawatt (PW).
Die Erde gibt gleichzeitig Wärme in den Weltraum ab, und zwar über ihre gesamte Oberfläche. Da die gesamte Erdoberfläche 4πR_0² viermal so groß ist wie die Erdkontur, entspricht die durchschnittliche Abstrahlung einem Viertel der Solarkonstante, also etwa 340 W/m². Zum Vergleich: Der Weltenergiebedarf der Menschheit betrug 2018 etwa 166 PWh oder 600 EJ pro Jahr. Die Sonne strahlt in einer Stunde knapp mehr Energie auf die Erde ein, als die Menschheit derzeit in einem Jahr benötigt.
Messung und Berechnung der Sonnenleistung
Um den Einfluss der Erdatmosphäre auszuschließen, wird die Solarkonstante seit 1978 im Weltraum gemessen. Der 1995 gestartete Satellit SOHO beobachtet die Sonne kontinuierlich mit dem Radiometer Virgo. Die Messungen werden vom Königlichen Meteorologischen Institut von Belgien koordiniert.
Aus der Solarkonstante lässt sich die gesamte Strahlungsleistung Φ der Sonne berechnen. Dazu wird E_0 = 1361 W/m² mit der Oberfläche einer gedachten Kugel um die Sonne multipliziert, deren Radius dem mittleren Erdabstand r = 149,6 · 10^9 m entspricht. Die Formel lautet Φ = E_0A = E_0 · 4πr² = 3,828 · 10^26 W. Die Größenordnung kann auch mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz abgeschätzt werden; umgekehrt lässt sich damit die Solarkonstante schätzen.
Werte auf der Erde und bei anderen Himmelskörpern
In Deutschland hängt die Bestrahlungsstärke am Boden stark von Wetter und Jahreszeit ab. Gemeint ist die Sonnenstrahlung auf einen Quadratmeter einer bodennahen Fläche, wenn die Sonne mittags ihren Höchststand erreicht und die Fläche rechtwinklig zur Strahlung ausgerichtet ist. Bei größtenteils klarem Himmel sind im Sommer bis 1000 W/m² möglich, im Winter bis 500 W/m². Bei leichter bis mittlerer Bewölkung sind es bis 600 W/m² im Sommer und bis 300 W/m² im Winter. Bei starker Bewölkung bis trübem Nebel sind es bis 300 W/m² im Sommer und bis 150 W/m² im Winter.
Auch andere Planeten und einige Zwergplaneten haben unterschiedliche Solarkonstanten, weil ihr Abstand zur Sonne verschieden ist. Merkur erhält bei einer großen Halbachse von 0,387 AE durchschnittlich 9126,600 W/m², also 6,70600-mal so viel wie die Erde. Venus erhält 2601,300 W/m², Mars 589,200 W/m². Bei größeren Entfernungen sinkt der Wert stark: Jupiter erhält 50,500 W/m², Saturn 14,990 W/m², Uranus 3,710 W/m² und Neptun 1,510 W/m². Für ausgewählte Zwergplaneten werden Ceres mit 179,000 W/m², Pluto mit 0,873 W/m² und Eris mit 0,300 W/m² angegeben.