Ein Bild vom Strahlungshaushalt der Erde

Im Endeffekt kommen 100% der Energie der Erde durch das kurzwellige Sonnenlicht auf die Erde und zu 100% verlässt sie es wieder durch langwellige Infrarot-Abstrahlung in den Weltraum. Innerhalb der Erdatmosphäre gibt es viele verschiedene Wege.



Nachdem auf diesem Blog schon viel vom Strahlungshaushalt der Erde gesprochen wurde, hier einmal ein Schaubild, welche Faktoren da zusammenspielen. Die angegeben Zahlen sind nur reine Abschätzungen, da in der Realität sehr viele unregelmäßige Faktoren zusammenspielen.

Das Schaubild ist von der Wikipedia-Seite
https://de.wikipedia.org/wiki/Strahlungshaushalt_der_Erde

Der folgende Textabschnitt von dort ist sehr aufschlussreich:

Die Leistung der gesamten oberhalb der Atmosphäre auf die Erde einfallenden Sonnenstrahlung beträgt ca. 5.500.000 EJ/a (1Exajoule = 10¹⁸ J) (siehe Grafik oben, 174 PW = 174 · 10¹⁵ J/s => 174 · 10¹⁵ J/s · 31,536 · 10⁶ s/a ≈ 5,5 · 10²⁴ J/a). Der Weltenergiebedarf im Jahr 2010 betrug 505 EJ.

Das Verhältnis zwischen Energiezufuhr durch die Sonne und Energieverbrauch durch den Menschen beträgt folglich 5.500.000 EJ zu 505 EJ gleich 10891 (rund Eins zu Elftausend). Mit anderen Worten: Die Menschheit verbraucht insgesamt weniger als ein Zehntausendstel der Energiemenge, die von der Sonne auf die Erde strahlt. Zum Vergleich: Geothermie liefert ca. doppelt so viel Energie, wie der Mensch verbraucht. Schwankungen durch den Sonnenfleckenzyklus mit rund 0,1 % von 5.500.000 EJ gleich 5.500 EJ sind rund zehnmal höher als der Weltenergieverbrauch der Menschheit.

Und hier die schriftliche Beschreibung des Energiehaushalts

Die zur Erde kommende Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden (hier besonders von Schnee) zu 30 % wieder in den Weltraum reflektiert (das heißt, die Albedo der gesamten Erde ist 0,30). Die restlichen 70 % werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre, 50 % vom Erdboden. Letztere werden durch Wärmestrahlung und durch Wärmeleitung mit anschließender Konvektionwieder an die Lufthülle abgegeben. Würde diese Energie wieder vollständig in den Weltraum abgestrahlt werden, läge die mittlere Lufttemperatur bei −18 °C, während sie tatsächlich +15 °C beträgt.

Die Differenz erklärt sich aus dem natürlichen Treibhauseffekt der Atmosphäre. Die sogenannten Treibhausgase in der erwärmten Atmosphäre (vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid) emittieren Infrarotstrahlung – auch in Richtung Erde. Der Nachschub für die abgestrahlte Energie erfolgt durch Konvektion und Absorption (ein Teil der Abstrahlung von der Erdoberfläche im Infraroten wird absorbiert). Die von der Atmosphäre emittierte Infrarotstrahlung führt zu einer Erwärmung der Erdoberfläche um durchschnittlich 33 °C.
Diese Zahlen gelten nur für die Erde als Ganzes. Lokal und regional hängen die Verhältnisse von zahlreichen Faktoren ab:

• von der Albedo der Erdoberfläche, die vom 30-%-Mittel stark abweichen kann (beispielsweise Schnee 40 bis 90 %, Wüste 20 bis 45 %, Wald 5 bis 20 %)
• vom oben erwähnten Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und der Dauer ihrer Einwirkung
• von Bewölkung und Luftfeuchtigkeit
• vom Wärmetransport durch Wind, von Luftschichtungen, Meeresströmungen, usw.
• von der Nähe zum Wasser
• von Exposition und Höhe (negativer Temperaturgradient in Troposphäre)

Theoretisch sind diese Faktoren weitgehend modellierbar, doch nicht in allen Details wie Staueffekten an Gebirgen oder unregelmäßiger Bewegung von Tiefdruckgebieten. Für gute Vorhersagen benötigt die Meteorologie außer enormer Rechenleistung auch ein weltweit dichtes Raster von Messdaten über alle Luftschichten, was in der Praxis an Grenzen stößt.