Strahlungshaushalt der Erde

Grundidee und Bedeutung

Der Strahlungshaushalt der Erde beschreibt, wie Strahlungsenergie aufgenommen, umgewandelt und wieder abgegeben wird. Er ist der wichtigste Bestandteil des Energiehaushalts der Erde. Die Strahlungsbilanz ist der rechnerische Teil davon: Sie stellt Energiegewinn und Energieverlust in Gleichungen gegenüber. Der Strahlungshaushalt umfasst zusätzlich die einzelnen Energieflüsse und ihre Wechselwirkungen.

Langfristig ist die globale Energiebilanz nahezu ausgeglichen. Kleine Abweichungen von null sind jedoch für den Klimawandel und besonders für die gegenwärtige globale Erwärmung von entscheidender Bedeutung.

Berechnung der Strahlungsbilanz

Die einfallende Sonnenstrahlung ist überwiegend kurzwellig. Ihre Bilanz lautet:

Qₖ = G − R = D + H − R = (1 − a)G

Dabei bezeichnet G die Globalstrahlung, D die direkte Strahlung, H die diffuse Strahlung oder Himmelsstrahlung, R die reflektierte Strahlung und a die Albedo. Die Albedo gibt an, welcher Anteil der einfallenden Strahlung reflektiert wird.

Die Erdoberfläche sendet langwellige infrarote Wärmestrahlung aus. Für diese langwellige Strahlungsbilanz gilt:

Qₗ = Aₑ = Aₒ − Aɢ

Aₑ ist die effektive Ausstrahlung, Aₒ die Ausstrahlung der Erdoberfläche oder terrestrische Strahlung und Aɢ die Gegenstrahlung. Diese Gegenstrahlung entsteht durch Atmosphärengase, Aerosole und Wolken.

Aus kurzwelliger Aufnahme und langwelliger Abgabe ergibt sich die gesamte Strahlungsbilanz oder Nettostrahlung:

Q = Qₖ − Qₗ = G − R − Aₑ

Eine angeführte Bilanz setzt +342 W/m² einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung, −107 W/m² reflektierte Sonnenstrahlung und −235 W/m² emittierte langwellige Strahlung an. Daraus ergibt sich ein Saldo von ±0 W/m². Diese Werte beruhen auf einer Modellrechnung von 2009 für März 2000 bis Mai 2004, die teilweise Satellitendaten des Systems CERES und teilweise Annahmen verwendete. Eine spätere Modellrechnung von 2013 ergab dagegen einen Energieüberschuss von 0,6 W/m² bei einem Unsicherheitsbereich von 0,2 bis 1,0 W/m².

Globaler Mittelwert

Die effektive Energiebilanz muss sich langfristig nahezu bei null einpendeln, sofern die astrophysikalischen Rahmenbedingungen stabil bleiben. Dies folgt für ein abgeschlossenes System aus dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Dadurch kann das Klima im geologischen Maßstab, insbesondere die globale Durchschnittstemperatur, weitgehend stabil bleiben. Dass die Bilanz nicht genau null beträgt, ermöglicht dagegen langfristige Temperaturänderungen.

Oberhalb der Atmosphäre treffen im globalen Mittel etwa 341,3 W/m² Sonnenstrahlung auf die Erde. Grundlage ist die Solarkonstante von zeitlich gemittelt ungefähr 1367 W/m². Der globale Mittelwert beträgt nur ein Viertel davon, weil die Erde kugelförmig ist und rotiert: Über beispielsweise einen Tag oder ein Jahr ist ihre gesamte Oberfläche rechnerisch nur zu 1/4 der vollen, senkrecht einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt.

Energieflüsse und Treibhauseffekt

Von der an der Atmosphäre ankommenden Sonnenstrahlung werden 30 % beziehungsweise 101,9 W/m² unmittelbar in den Weltraum reflektiert. Das entspricht einer Albedo von 0,30. An der Reflexion sind Treibhausgase, insbesondere Ozon in der Stratosphäre, Wolken, Luftsauerstoff durch Rayleigh-Streuung sowie die Erdoberfläche beteiligt, vor allem Schnee und Wasser.

Die verbleibenden 239,4 W/m² werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre und 50 % von der Erdoberfläche. An der Oberfläche wird die Energie in Wärme umgewandelt und durch Wärmestrahlung sowie Konvektion wieder an die Lufthülle abgegeben. Konvektion ist dabei der Wärmetransport durch bewegte Luft.

Könnte diese Energie ungehindert in den Weltraum entweichen, läge die mittlere Temperatur der Erdoberfläche rechnerisch bei −18 °C. Tatsächlich beträgt sie Schätzungen zufolge etwa +14,8 °C. Die Differenz von 32,8 °C wird hauptsächlich durch den Treibhauseffekt erklärt: Treibhausgase, vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid, absorbieren die langwellige Wärmestrahlung der Erde und senden sie in alle Richtungen wieder aus. Ein Teil gelangt als Gegenstrahlung zur Erdoberfläche zurück. Deshalb entweicht nur ein Teil der Oberflächenstrahlung unmittelbar ins Weltall, und die Abkühlung der Erdoberfläche wird abgeschwächt.

Regionale Unterschiede und Vorhersagen

Die globalen Mittelwerte gelten nicht unverändert für einzelne Orte oder Regionen. Entscheidend sind unter anderem:

• die Albedo der Oberfläche, beispielsweise 40–90 % bei Schnee, 20–45 % in Wüsten und 5–20 % bei Wald; • der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und die Dauer der Einstrahlung; • Bewölkung und Luftfeuchtigkeit; • Wärmetransport durch Wind, Luftschichtungen und Meeresströmungen; • die Nähe zu Wasser; • Exposition und Höhe sowie der negative Temperaturgradient in der Troposphäre, also die gewöhnliche Abnahme der Temperatur mit zunehmender Höhe.

Ein Teil dieser Einflüsse lässt sich in Modellen darstellen. Andere Vorgänge, etwa Staueffekte an Gebirgen oder die unregelmäßige Bewegung von Tiefdruckgebieten, sind schwieriger zu erfassen. Gute meteorologische Vorhersagen erfordern daher sowohl sehr große Rechenleistung als auch ein weltweit dichtes Netz von Messwerten aus allen Luftschichten. Beides stößt in der Praxis an Grenzen.