E1 Oberflächenstrahlungsbilanz

Thema

Die Strahlungsbilanz an der Erdoberfläche beschreibt den Nettoenergieaustausch in Form elektromagnetischer Strahlung zwischen der Erdoberfläche und der darüber liegenden Atmosphäre. Kurzwellige Sonnenstrahlung mit Wellenlängen zwischen drei Zehntel und vier Mikrometern trifft auf die Oberfläche und wird teilweise entsprechend der Albedo der Oberfläche reflektiert, der Rest wird absorbiert. Die Oberfläche selbst emittiert langwellige Strahlung, deren Intensität dem Stefan-Boltzmann-Gesetz folgt und mit der vierten Potenz ihrer Temperatur zunimmt. Die Atmosphäre reflektiert ihrerseits langwellige Gegenstrahlung zurück zur Oberfläche. Die Differenz zwischen der gesamten einfallenden und der gesamten austretenden Strahlung entspricht der verfügbaren Nettoenergie. Diese verteilt sich anschließend auf fühlbare Wärme, latente Wärme und den Wärmestrom zum Boden, wie im Abschnitt über Oberflächenflüsse beschrieben.

Die Oberflächenalbedo ist extrem variabel und hängt stark von der Art der Oberfläche ab: Frisch gefallener Schnee reflektiert 80 bis 90 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung, dichte Wälder und dunkle, unbewachsene Böden nur 10 bis 15 Prozent, helle Böden 25 bis 35 Prozent, Nutzpflanzen 20 bis 25 Prozent und flüssiges Wasser lediglich 6 bis 10 Prozent.

Genau diese enorme Variabilität der Albedo zwischen verschiedenen Oberflächen macht die Strahlungsbilanz extrem empfindlich gegenüber jeglichen Veränderungen der Landbedeckung: Die Abholzung borealer Regionen, bei der ein dunkler Wald durch den darunterliegenden hellen Schnee ersetzt wird, kann zu einer regionalen Abkühlung führen, obwohl durch diese Abholzung gleichzeitig Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Der Tagesgang dieser Strahlungsbilanz ist zugleich der Hauptantrieb des Wasserkreislaufs an der Oberfläche: Die Nettobilanz verschiebt sich von negativ in der Nacht, wenn die Oberfläche ausschließlich langwellige Strahlung verliert, ohne kompensierende solare Wärmezufuhr zu erhalten, zu stark positiv am Mittag und erreicht an einem tropischen Sommertag bis zu 800 Watt pro Quadratmeter. Genau diese positive Nettobilanz treibt gleichzeitig die Erwärmung der Oberfläche, die Evapotranspiration und die atmosphärische Konvektion an.

Das zu erwartende Verhalten dieses Gesamtsystems umfasst eine positive Korrelation zwischen der verfügbaren Nettoenergie und der Evapotranspiration sowie eine Aufteilung in fühlbare und latente Wärme, die, wie durch das Bowen-Verhältnis beschrieben, von der jeweils verfügbaren Wassermenge an der Oberfläche abhängt. Ausgehend vom Austausch von kurzwelliger und langwelliger Strahlung, mit dem dieses Dokument beginnt, bis hin zur Unterscheidung zwischen fühlbarer und latenter Wärme, mit der es endet, und unter Berücksichtigung der enormen Variabilität der Albedo und des damit einhergehenden Tagesgangs, bedeutet die Strahlungsbilanz an der Oberfläche, dass die auf der Erdoberfläche verfügbare Energiemenge zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort letztendlich sowohl das lokale Klima als auch den auf dieser Oberfläche stattfindenden Wasserkreislauf bestimmt.

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