Sonnenstrahlung

Grundlagen und Bedeutung

Sonnenstrahlung beziehungsweise Solarstrahlung ist die von der Sonne ausgesandte Strahlung. Sie umfasst vor allem elektromagnetische Strahlung, die durch die Wärmeabstrahlung der heißen Sonnenoberfläche entsteht. Ihre größte Intensität liegt im Bereich des sichtbaren Lichts, also des Sonnenlichts. Welche Strahlung die Erdoberfläche erreicht, hängt von der Wellenlänge, der Atmosphäre, dem Wetter und dem Sonnenstand ab.

Neben der elektromagnetischen Strahlung sendet die Sonne auch massebehaftete Teilchen aus. Dazu gehören die geladenen Teilchen des Sonnenwinds sowie Neutrinos, die bei der Kernfusion und den anschließenden Reaktionen im Inneren der Sonne entstehen. Diese Teilchenstrahlung wird meist nicht zur Sonnenstrahlung im engeren Sinn gerechnet.

Die globale Temperatur der Erdoberfläche wird durch die Strahlungsbilanz beziehungsweise den Strahlungshaushalt bestimmt. Dabei wirken Absorption und Reflexion der Sonnenstrahlung sowie Reemission und Streuung zusammen.

Sonnenspektrum

Das elektromagnetische Spektrum der Sonne reicht von harter Röntgenstrahlung mit Wellenlängen unter 0,1 nm bis zu langen Radiowellen. Sein Intensitätsmaximum liegt bei etwa 500 nm und damit im blau-grünen Licht. Von ungefähr 140 nm bis etwa 10 cm ähnelt das kontinuierliche Spektrum näherungsweise der Strahlung eines Schwarzen Strahlers mit einer Temperatur von knapp 6000 K; diese Temperatur entspricht ungefähr der Temperatur der Photosphäre.

Das Spektrum wird nach den Grenzen der menschlichen Wahrnehmung in drei Bereiche eingeteilt: ultraviolettes Licht (UV: 100–380 nm), sichtbares Licht (VIS: 380–780 nm) und infrarotes Licht (IR: 780 nm–1 mm). Zwischen naher Infrarotstrahlung und UV liegen zahlreiche Absorptionslinien. Diese Fraunhoferlinien entstehen durch die Absorption von Strahlung in der Photosphäre.

Sonneneruptionen hängen von der Sonnenaktivität ab. Sie können die Röntgenstrahlung kurzfristig um mehrere Größenordnungen steigern, tragen aber nur wenig zur gesamten Strahlungsleistung bei. Häufig werden sie von langwelliger Radiostrahlung begleitet, die je nach Intensitätsverlauf in die Typen I bis V eingeteilt wird.

Radiostrahlung der Sonne

Die ruhige Sonne sendet auch im gesamten Radiofenster Strahlung aus. In diesem Bereich entspricht ihr Spektrum nicht mehr dem eines Schwarzen Körpers. Die effektive Temperatur steigt von etwa 6000 K bei einer Wellenlänge von 1 cm auf 1.000.000 K bei 10 m. Mit zunehmender Wellenlänge wächst außerdem der scheinbare Durchmesser der Sonne, und die Strahlung wird stärker von ihrer äußeren Atmosphäre bestimmt.

Bei der ruhigen Sonne handelt es sich um thermische Bremsstrahlung freier Elektronen. Bei einer gestörten Sonne treten mehrere wichtige Formen auf: langsame Strahlungsänderungen, die proportional zur Sonnenfleckenanzahl sind, Rauschstürme oberhalb von 100 MHz mit einer Dauer von mehreren Tagen sowie Strahlungsausbrüche, die häufig mit Flares und koronalen Massenauswürfen (CME) verbunden sind. Diese Ausbrüche dauern Sekunden bis Tage. Sie werden in Meter- und Dezimeterwellen in die Kategorien I bis V eingeteilt; bei Zentimeterwellen treten Mikrowellenbursts auf. Dabei kann Synchrotronstrahlung von supra-thermischen Elektronen entstehen, die sich spiralförmig um Magnetfeldlinien bewegen.

Solarkonstante und Schwankungen

Neutrinos tragen bei der Kernfusion im Sonneninneren 2 % der Fusionsleistung fort. Die gesamte elektromagnetische Strahlungsleistung der Sonne wird dagegen von der thermischen Strahlung der Photosphäre beherrscht. Diese schwankt um weniger als 0,1 %.

Die auf die Erde fallende Leistung verändert sich im Jahresverlauf wegen der Exzentrizität der Erdbahn um knapp 7 %. Die mittlere Leistung pro Fläche außerhalb der Erdatmosphäre heißt Solarkonstante. Ihr Wert beträgt:

E₀ = 1361 W/m².

Atmosphäre und Strahlungsverteilung

Am Boden ist die Intensität der Sonnenstrahlung geringer als außerhalb der Atmosphäre. Absorption und Streuung wirken abhängig von der Wellenlänge unterschiedlich stark. Bei klarem Wetter und hohem Sonnenstand erreicht der sichtbare Anteil, der knapp die Hälfte der solaren Strahlung ausmacht, größtenteils die Erdoberfläche.

Die nicht sichtbare Strahlung besteht überwiegend aus naher Infrarotstrahlung (NIR), die etwa 46 % der Strahlungsleistung ausmacht. Davon wird ungefähr ein Viertel in der Atmosphäre absorbiert, hauptsächlich durch Wassermoleküle. Die Ultraviolettstrahlung macht weniger als 10 % der Strahlung aus. UVA dringt weitgehend durch und wird vor allem durch Rayleigh-Streuung geschwächt. Diese Streuung trägt auch zur blauen Farbe des Himmels bei. UVB wird stark von der Ozonschicht absorbiert, UVC vom Luftsauerstoff.

Für Berechnungen berücksichtigt man näherungsweise die zu durchdringende Schichtdicke der Atmosphäre in Air-Mass-Einheiten sowie die Sonnenscheindauer. Wolken vermindern die Direktstrahlung, während Dunst die Diffusstrahlung erhöht. Direktstrahlung und Diffusstrahlung ergeben zusammen die Globalstrahlung.

Bestrahlungsstärke und Messung

Bei schrägem Einfall verteilt sich die Sonnenstrahlung über eine größere Fläche. Dadurch sinkt die Bestrahlungsstärke abhängig vom Einfallswinkel; der Zusammenhang folgt dem Sinus des Höhenwinkels. In den Tropen ist der jahreszeitliche Unterschied gering, weil die Mittagssonne dort stets relativ hoch steht. Deshalb überwiegt ein Tageszeitenklima. Außerhalb der Wendekreise nehmen die Unterschiede zwischen Sommer und Winter polwärts zu. Ursache sind sowohl die veränderten Einstrahlungswinkel als auch die größeren Unterschiede bei den Tageslängen.

In Mitteleuropa steht die Mittagssonne im Sommer etwa 60° bis 67° hoch. Bei ideal wolkenfreiem Wetter erreicht eine senkrecht zur Sonnenrichtung stehende Fläche dann ungefähr 700–900 W/m². Im Winter beträgt die Sonnenhöhe nur 13° bis 20°; bei kalter, trockener Luft können mittags dennoch Werte über 800 W/m² auftreten. Als Sonnenscheindauer zählt die Zeit, in der die Direktstrahlung mehr als 150 W/m² beträgt und Schattenwurf beginnt, einen Kontrast zu zeigen.

Ende Juni dauert der helle Tag in Mitteleuropa etwa 16 Stunden, im Dezember etwa 8 Stunden. Das Verhältnis der gesamten eingestrahlten Sonnenenergie liegt zwischen diesen Monaten ungefähr bei 5:1 bis 10:1. Wärmespeicherung, besonders durch die Meere, schwächt diesen Unterschied im Seeklima ab. Gleichzeitig gibt die Erdoberfläche Tag und Nacht Wärmestrahlung ab; im Dezember sind die Nächte länger als Ende Juni. Im Mikroklima hängen die Bestrahlungsstärke und damit die Erwärmung zusätzlich vom Einstrahlungswinkel und von der Sonnenexposition ab.

Zur Messung dienen Pyranometer, die parallel zum Boden aufgestellt werden, sowie der Sonne nachgeführte Pyrheliometer. Sonnenscheinautographen wurden vor allem zur Bestimmung der Sonnenscheindauer eingesetzt und gelten in der modernen Messtechnik als veraltet. Die Solarkonstante wird außerhalb der Atmosphäre mit Radiometern gemessen.