Vorlesung 3 Flashcards
Welche Faktoren beeinflussen den Energieinput auf der Erde maßgeblich?
- Orbitalparameter (Präzession, Obliquität, Exzentrizität) -> Milankovic-Zyklen
- Energieoutput der Sonne (Sonnenfleckenzyklen)
- Lage der Erde zur Sonne
Von welchen Faktoren hängt die Strahlungsemission eines Körpers ab?
- Temperatur, Materialeigenschaften
- Strahlungsbilanz nach Stefan und Boltzmann
Formel: E = epsilon * Sigma * T^4
Fazit: Je heißer ein Körper, desto mehr Energie wird abgegeben
Was besagt das Wiensche Verschiebungsgesetz?
Je heißer ein Körper, desto kurzwelliger das Maximum der emittierten Strahlung.
Wie unterscheidet sich die Sonne und die Erde in der Emission von elektromagnetischer Strahlung?
- 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!
Wo findet man ein Energiedefizit und wo einen Energieüberschuss auf der Erde?
Energiedefizit: Pole und höhere Breiten
Energieüberschuss: Tropen
Wie erfolgt der Austausch von Energie zwischen niederen und höheren Breiten?
- Meeresströmungen
* Zirkulation der Atmosphäre
Welchen Einfluss hat die Atmosphäre auf die solare Einstrahlung?
Die solare Einstrahlung wird beim Durchgang durch die Atmosphäre geschwächt. Dieser Prozess findet im Volumen der Atmosphäre statt.
Was ist Absorption?
Strahlungsenergie wird von der Materie aufgenommen und in andere Energieformen übergeführt; Erwärmung des absorbierenden Stoffes
Was ist Streuung?
Richtungsänderung der Strahlung an Gasmolekülen und Aerosolen, keine Energieaufnahme der reflektierenden Materie, keine Änderung der Wellenlänge
Was ist Reflexion?
Auf eine Oberfläche/Partikel treffende Strahlung wird z.T. zurückgeworfen
Was ist Albedo?
Anteil der reflektierten Strahlung an der Gesamtstrahlung
Was ist Transmission?
Strahlung dringt durch die Materie, keine Energieaufnahme
Was ist Emission? (Bezogen auf Strahlung)
Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung
Was ist Extinktion?
Schwächung der Strahlung beim Durchgang durch ein Medium (z.B. Atmosphäre) durch Absorption und Streuung
Woraus setzt sich einfallende Strahlung zusammen?
Einfallende Strahlung = Reflexion + Absorption + Transmission
Was ist die Rayleigh-Streuung?
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)
Was ist die Mie-Streuung?
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)
Warum ist der Himmel blau und Wolken weiß?
• 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
Was besagt das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz?
• 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
Wie verhalten sich Gase bezüglich Strahlung und Absorption?
- Gase strahlen/absorbieren nur in ausgewählten (schmalen) Spektralbereichen = Banden
- je nach Gas verschieden
Was sind atmosphärische Fenster?
Spektralbereich, innerhalb derer die Atmosphäre für solare Ein- bzw. terrestrische Ausstrahlung durchlässig ist
Welche Strahlung absorbieren Sauerstoff und Ozon?
Kurzwellige UV-Strahlung (<0,3 Mikrometern); -> Ozonloch
Welche Rolle spielt Wasserdampf in der Atmosphäre?
- wichtigste Rolle in der Atmosphäre (2/3 des Treibhauseffekts)
- 7 Absorptionsbanden zwischen 1 und 10 μm
- Absorption von Strahlung mit Wellenlänge > 15 μm
Wie viele Absorptionsbanden hat CO2?
3 Banden bei 2,7, 4,3 und 15 Mikrometer (wichtig für Treibhauseffekt)
Was passiert mit der Strahlung im Bereich um 10 Mikrometer?
Atmosphärisches Fenster ➡️ Strahlung geht ohne wesentliche Absorption/ Streuung durch Atmosphäre
Welche Wirkung haben Streuung und Absorption auf die solare Einstrahlung?
Durch Streuung und Absorption wird die spektrale Zusammensetzung der solare Einstrahlung verändert und die Energie weniger.
Was ist die Globalstrahlung?
Die Globalstrahlung ist die Summe der direkten und diffusen Einstrahlung auf eine horizontale Fläche
Wo ist die größte Änderung der Globalstrahlung mit der geographischen Breite im Jahresmittel zu finden?
In den Mittelbreiten.
Was besagt das Lambertsche Kosinusgesetz?
• Strahlungsintensität bei tiefem Sonnenstand ist niedriger als bei hohem, da der gleiche Strahlungsfluss auf eine größere Fläche verteilt werden muss
Was ist die Albedo?
- 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
Wovon ist die Richtung der Reflektion abhängig?
Von der Rauigkeit
Was passiert bei der Fresnel Reflexion?
Bei einer spiegelnden Reflexion ist der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel
Was ist der Lambertscher Reflektor?
Ein Lambertscher Reflektor reflektiert in alle Raumrichtungen gleich und erscheint daher unabhängig vom Winkel der Betrachtung gleich hell. Die Reflexion erfolgt nach dem Kosinusgesetz.
Was besagt das Kirchoff‘sche Gesetz?
Emissivität ≈ Absorptionsvermögen in der jeweiligen Wellenlänge
Wie sieht die Absorption und Reflexion von Wasser/Eis/Schnee aus?
Wasser: 6% reflektiert und 94% absorbiert
Eis: 50% reflektiert und 50% absorbiert
Schnee: 90% reflektiert und 10% absorbiert
Was ist die Effektive Ausstrahlung und wovon hängt diese ab?
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)
