E4 Atmosphärische Strahlung

Thema

Die atmosphärische Strahlung steuert den Energiehaushalt der Erde und ihrer Atmosphäre. Dieser Haushalt beginnt mit der Sonnenstrahlung, der kurzwelligen Strahlung der Sonne mit Wellenlängen zwischen zwei Zehntel und vier Mikrometern. Bevor diese Sonnenstrahlung die Erdoberfläche erreicht, stößt sie auf verschiedene Hindernisse: Ozon absorbiert einen Teil des ultravioletten Anteils der Sonnenstrahlung, und Wasserdampf absorbiert einen Teil des nahinfraroten Anteils. Was nicht absorbiert wird, kann stattdessen gestreut werden: Luftmoleküle streuen die Sonnenstrahlung durch Rayleigh-Streuung, die stark von der Wellenlänge abhängt – je kürzer die Wellenlänge des Lichts, desto intensiver die Streuung. Deshalb erscheint der Himmel blau, da blaues Licht mit der kürzesten Wellenlänge im sichtbaren Spektrum am stärksten von Luftmolekülen gestreut wird. Aerosole hingegen streuen die Sonnenstrahlung durch Mie-Streuung, die stärker von der Größe der einzelnen Partikel abhängt. Die gesamte Sonnenstrahlung, die von keinem dieser Prozesse absorbiert wird oder die Erdoberfläche erreicht und stattdessen ins Weltall zurückreflektiert wird, wird als planetare Albedo bezeichnet.

Luftmoleküle streuen die Sonnenstrahlung durch Rayleigh-Streuung, die stark von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Die andere Hälfte der Energiebilanz der Erde besteht aus langwelliger Strahlung mit deutlich längeren Wellenlängen zwischen vier und einhundert Mikrometern. Diese Strahlung wird von der Erde und ihrer Atmosphäre gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz wieder ins Weltall abgegeben: Je heißer ein Körper ist, desto mehr langwellige Strahlung emittiert er, und dieses Verhältnis steigt viel schneller als die Temperatur selbst. Treibhausgase – Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon, Methan und Lachgas – absorbieren diese langwellige Strahlung und emittieren sie in bestimmten Infrarotbereichen wieder. Je mehr Treibhausgase in der Atmosphäre vorhanden sind, desto größer ist ihre Undurchlässigkeit für diese langwellige Strahlung. Genau diese größere Undurchlässigkeit der Atmosphäre führt dazu, dass die Oberflächentemperatur höher ist als auf einem identischen Planeten ohne Atmosphäre.

Der Strahlungsantrieb eines jeden dieser Treibhausgase misst präzise, ​​wie sich der Nettostrahlungsfluss in der oberen Atmosphäre verändert, wenn sich die Konzentration dieses Gases ändert: Steigt die Konzentration eines Treibhausgases, absorbiert und emittiert es mehr langwellige Strahlung. Diese Veränderung spiegelt sich im Strahlungsantrieb wider, der die Energiebilanz der Erde beeinflusst, mit der diese Beschreibung beginnt.

Sowohl die kurzwellige Sonnenstrahlung als auch die von der Erde emittierte langwellige Strahlung folgen im Wesentlichen derselben physikalischen Beschreibung entlang jedes Strahls, der die Atmosphäre durchdringt: der Strahlungstransportgleichung. Gemäß dieser Gleichung wird die Intensität der Strahlung entlang dieses Strahls durch Absorption und Streuung abgeschwächt und gleichzeitig durch die Eigenstrahlung der Atmosphäre sowie durch die Streuung anderer Strahlen, die auf die Atmosphäre zugelenkt werden, verstärkt. Das Gleichgewicht zwischen diesen vier Prozessen, summiert entlang des gesamten Strahlengangs, bestimmt, wie viel Strahlung letztendlich jeden Punkt erreicht.

Die exakte Lösung dieser Strahlungstransportgleichung ist für jeden Punkt eines Atmosphärenmodells zu aufwendig. Daher bilden ihre approximativen numerischen Lösungen in der Praxis den Kern aller Strahlungsmodelle, die sowohl in numerischen Wettervorhersagemodellen als auch in Klimamodellen verwendet werden. Somit bleibt die atmosphärische Strahlung – von der einfallenden Sonnenstrahlung bis zur langwelligen Strahlung, die die Erde ins Weltall zurückreflektiert, einschließlich des Strahlungsantriebs durch Treibhausgase – der entscheidende Faktor für die Energiebilanz der Erde und ihrer Atmosphäre.

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