Vorlesung 3

Question 1

Welche Faktoren beeinflussen den Energieinput auf der Erde maßgeblich?

Answer 1

• Orbitalparameter (Präzession, Obliquität, Exzentrizität) -> Milankovic-Zyklen
• Energieoutput der Sonne (Sonnenfleckenzyklen)
• Lage der Erde zur Sonne

Question 2

Von welchen Faktoren hängt die Strahlungsemission eines Körpers ab?

Answer 2

• Temperatur, Materialeigenschaften
• Strahlungsbilanz nach Stefan und Boltzmann

Formel: E = epsilon * Sigma * T^4

Fazit: Je heißer ein Körper, desto mehr Energie wird abgegeben

Question 3

Was besagt das Wiensche Verschiebungsgesetz?

Answer 3

Je heißer ein Körper, desto kurzwelliger das Maximum der emittierten Strahlung.

Question 4

Wie unterscheidet sich die Sonne und die Erde in der Emission von elektromagnetischer Strahlung?

Answer 4

• je heißer ein Körper, desto mehr Strahlung wird emittiert (Planck)
• je heißer ein Körper, desto kurzwelliger ist das emittierte Strahlungsmaximum (Wien)
• Sonne: ~ 6000K (sichtbarer Bereich/grün)
• Erde: ~ 288K (15°C) (Infrarot)

Wie viel Energie wird abgegeben? -> Stefan-Boltzmann-Gesetz: 4. Potenz!

Question 5

Wo findet man ein Energiedefizit und wo einen Energieüberschuss auf der Erde?

Answer 5

Energiedefizit: Pole und höhere Breiten

Energieüberschuss: Tropen

Question 6

Wie erfolgt der Austausch von Energie zwischen niederen und höheren Breiten?

Answer 6

• Meeresströmungen

* Zirkulation der Atmosphäre

Question 7

Welchen Einfluss hat die Atmosphäre auf die solare Einstrahlung?

Answer 7

Die solare Einstrahlung wird beim Durchgang durch die Atmosphäre geschwächt. Dieser Prozess findet im Volumen der Atmosphäre statt.

Question 8

Was ist Absorption?

Answer 8

Strahlungsenergie wird von der Materie aufgenommen und in andere Energieformen übergeführt; Erwärmung des absorbierenden Stoffes

Question 9

Was ist Streuung?

Answer 9

Richtungsänderung der Strahlung an Gasmolekülen und Aerosolen, keine Energieaufnahme der reflektierenden Materie, keine Änderung der Wellenlänge

Question 10

Was ist Reflexion?

Answer 10

Auf eine Oberfläche/Partikel treffende Strahlung wird z.T. zurückgeworfen

Question 11

Was ist Albedo?

Answer 11

Anteil der reflektierten Strahlung an der Gesamtstrahlung

Question 12

Was ist Transmission?

Answer 12

Strahlung dringt durch die Materie, keine Energieaufnahme

Question 13

Was ist Emission? (Bezogen auf Strahlung)

Answer 13

Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung

Question 14

Was ist Extinktion?

Answer 14

Schwächung der Strahlung beim Durchgang durch ein Medium (z.B. Atmosphäre) durch Absorption und Streuung

Question 15

Woraus setzt sich einfallende Strahlung zusammen?

Answer 15

Einfallende Strahlung = Reflexion + Absorption + Transmission

Question 16

Was ist die Rayleigh-Streuung?

Answer 16

Streuung an einem Streukörper, dessen Durchmesser im Verhältnis zur Wellenlänge klein ist (Moleküle der Luft, Aerosole < 0,1 Mikrometern.
• wellenlängenabhängig, stärkere Streuung der KW-Strahlung
• Strahldichteverteilung: Streuung nicht gleichmäßig in alle Richtungen (mehr vor- und rückwärts)

Question 17

Was ist die Mie-Streuung?

Answer 17

Streuung an einem Körper, dessen Durchmesser im Verhältnis zur Wellenlänge eher groß ist (Wolken-, Nebeltröpfchen, große Aerosole)
• kaum wellenlängenabhängig, d.h. blaue und rote Strahlung wird annähernd gleichermaßen beeinflusst
• Strahldichteverteilung: Streuung nicht gleichmäßig in alle Richtungen, sehr starke Vorwärtsstreuung („Blenden im Nebel“, Aureole der Sonne)

Question 18

Warum ist der Himmel blau und Wolken weiß?

Answer 18

• Rayleigh-Streuung an Luftmolekülen: Wellenlängenabhängigkeit
- kürzere (blaue) Wellenlänge stärker gestreut als längere (rote)
- „Streulicht“ blau, direkte Sonnenstrahlung „rötlicher“
• Mie-Streuung an Aerosolen und Tröpfchen: geringe Wellenlängenabhängigkeit
- alle Wellenlängen werden ziemlich ähnlich gestreut -> weiß

Question 19

Was besagt das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz?

Answer 19

• Zusammenhang zwischen Absorption und Emission eines realen Körpers
• Absorptions- und Emissionsvermögen entsprechen einander
• abhängig von den Eigenschaften des Körpers
Bedeutung: ein Körper, der Strahlung einer bestimmten Wellenlänge nicht absorbiert, kann diese auch nicht selbst ausstrahlen
• Absorption in Linien, Banden, Bereichen

Question 20

Wie verhalten sich Gase bezüglich Strahlung und Absorption?

Answer 20

• Gase strahlen/absorbieren nur in ausgewählten (schmalen) Spektralbereichen = Banden
• je nach Gas verschieden

Question 21

Was sind atmosphärische Fenster?

Answer 21

Spektralbereich, innerhalb derer die Atmosphäre für solare Ein- bzw. terrestrische Ausstrahlung durchlässig ist

Question 22

Welche Strahlung absorbieren Sauerstoff und Ozon?

Answer 22

Kurzwellige UV-Strahlung (<0,3 Mikrometern); -> Ozonloch

Question 23

Welche Rolle spielt Wasserdampf in der Atmosphäre?

Answer 23

• wichtigste Rolle in der Atmosphäre (2/3 des Treibhauseffekts)
• 7 Absorptionsbanden zwischen 1 und 10 μm
• Absorption von Strahlung mit Wellenlänge > 15 μm

Question 24

Wie viele Absorptionsbanden hat CO2?

Answer 24

3 Banden bei 2,7, 4,3 und 15 Mikrometer (wichtig für Treibhauseffekt)

Question 25

Was passiert mit der Strahlung im Bereich um 10 Mikrometer?

Answer 25

Atmosphärisches Fenster ➡️ Strahlung geht ohne wesentliche Absorption/ Streuung durch Atmosphäre

Question 26

Welche Wirkung haben Streuung und Absorption auf die solare Einstrahlung?

Answer 26

Durch Streuung und Absorption wird die spektrale Zusammensetzung der solare Einstrahlung verändert und die Energie weniger.

Question 27

Was ist die Globalstrahlung?

Answer 27

Die Globalstrahlung ist die Summe der direkten und diffusen Einstrahlung auf eine horizontale Fläche

Question 28

Wo ist die größte Änderung der Globalstrahlung mit der geographischen Breite im Jahresmittel zu finden?

Answer 28

In den Mittelbreiten.

Question 29

Was besagt das Lambertsche Kosinusgesetz?

Answer 29

• Strahlungsintensität bei tiefem Sonnenstand ist niedriger als bei hohem, da der gleiche Strahlungsfluss auf eine größere Fläche verteilt werden muss

Question 30

Was ist die Albedo?

Answer 30

• Anteil kurzwelliger solarer Strahlung, der von der Erdoberfläche reflektiert wird (Werte zwischen 0 und 1)
• Helle Oberflächen wie z.B. Schnee, reflektiert in hohem Maße
• Dunkle Oberflächen, z.B. dunkler Erdboden, absorbieren dagegen stark
• Die Planetare Albedo beträgt etwa 0,3. Das heißt: ca. 30% des Sonnenlichts, das die Erde erreicht, wird zurück in den Weltraum geworfen

Question 31

Wovon ist die Richtung der Reflektion abhängig?

Answer 31

Von der Rauigkeit

Question 32

Was passiert bei der Fresnel Reflexion?

Answer 32

Bei einer spiegelnden Reflexion ist der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel

Question 33

Was ist der Lambertscher Reflektor?

Answer 33

Ein Lambertscher Reflektor reflektiert in alle Raumrichtungen gleich und erscheint daher unabhängig vom Winkel der Betrachtung gleich hell. Die Reflexion erfolgt nach dem Kosinusgesetz.

Question 34

Was besagt das Kirchoff‘sche Gesetz?

Answer 34

Emissivität ≈ Absorptionsvermögen in der jeweiligen Wellenlänge

Question 35

Wie sieht die Absorption und Reflexion von Wasser/Eis/Schnee aus?

Answer 35

Wasser: 6% reflektiert und 94% absorbiert
Eis: 50% reflektiert und 50% absorbiert
Schnee: 90% reflektiert und 10% absorbiert

Question 36

Was ist die Effektive Ausstrahlung und wovon hängt diese ab?

Answer 36

Die Differenz zwischen Strahlung vom Erdboden E und atmosphärischer Gegenstrahlung Ea ist die effektive Ausstrahlung Eeff: Eeff = E - Ea

Abgängig von:
• Temperatur (Oberflächen)
• Bodeneigenschaften (Emissivität ε)
• Atmosphäreneigenschaften (Wolken, Wasserdampf, THG)